基于宽频带换能器的原油超声防蜡降粘技术研究

论文摘要

我国大多数油田开采的原油为石蜡基原油,原油开采和输送过程中的石蜡沉积问题一直是石油工业所面临的严峻问题。石蜡的沉积不仅妨碍了油田的正常生产,而且还造成了巨大的能源浪费。目前,常用的清防蜡工艺如机械清蜡、热力清蜡、化学清防蜡等存在费用高,劳动强度大,清蜡次数频繁等缺点。超声防蜡降粘技术是超声技术在石油领域新的应用,已显示出成本低,工艺简单,无污染等优点。本文主要通过超声防蜡降粘机理分析得到振动系统声参数的选取依据,研制振动系统关键部件超声换能器,并且对超声防蜡降粘机理进行实验分析。在分析石蜡沉积机理的基础上,分别从超声的机械作用,空化作用,乳化效应和热作用四个方面研究超声防蜡降粘作用机理。重点分析了主要作用超声空化作用及其副效应乳化效应,建立了单一空化气泡分子动力学模型,推导出多种参数作用下空化气泡的运动方程,用Matlab进行了模拟并探讨了超声的频率、功率对超声空化的影响,为超声振动系统的设计参数选择提供了理论依据。建立了防蜡降粘用超声振动系统。针对原油负载,研制了一种新型的多孔型宽频带换能器,采用有限元模态分析方法分析了所设计换能器的固有频率和振型,并且通过测试实验验证了换能器的各项参数尤其是频带宽度满足设计要求。在设计过程中,通过多孔型换能器的简化模型,数值模拟得到了频带宽度与打孔尺寸的关系曲线,为打孔尺寸的优选提供了依据。建立了四分之一波长振子的机电等效模型,分析得到了四分之一波长前盖板传输矩阵法的边界条件,并且综合使用以上两种方法将换能器分段计算,简化了复杂换能器的设计。以研制的多孔型宽频带换能器为核心搭建了超声防蜡降粘实验平台。依据实验数据分析了超声频率、功率及作用时间对超声作用效果的影响及规律。用测定粘温曲线的方法,分别验证了空化作用有降低蜡的析出点的作用以及乳化效应有降低粘度的效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 课题研究的目的及意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 常用清防蜡方法及存在的问题
• 1.3.2 超声防蜡降粘国外研究现状
• 1.3.3 超声防蜡降粘国内研究现状
• 1.4 课题来源及主要研究内容
• 第2章 超声防蜡降粘机理的分析
• 2.1 含蜡原油组成及蜡的沉积特性
• 2.1.1 含蜡原油的组成及特点
• 2.1.2 蜡的沉积及其影响因素
• 2.2 超声防蜡降粘机理
• 2.2.1 超声作用机理
• 2.2.2 超声作用下产生空化的因素
• 2.2.3 超声作用下的乳化效应
• 2.3 超声空化影响因素的数值模拟研究
• 2.3.1 单一空化泡运动模型
• 2.3.2 气泡运动方程的数值计算
• 2.3.3 声学参数对空化过程的影响
• 2.4 本章小结
• 第3章 防蜡降粘用超声振动系统的研制
• 3.1 多孔型宽频带夹心式压电换能器的设计
• 3.1.1 超声振动系统的整体方案
• 3.1.2 宽频带换能器设计
• 3.2 换能器拓宽频带的机理
• 3.2.1 换能器拓宽频带的方法
• 3.2.2 基于多孔型换能器简化模型的频带宽度理论计算
• 3.2.3 频带宽度的数值模拟
• 3.2.4 打孔尺寸的确定
• 3.3 多孔型宽频带换能器的设计方法及参数的确定
• 3.3.1 变截面杆基本纵振方程
• 3.3.2 机电等效法设计四分之一波长换能器振子
• 3.3.3 传输矩阵法设计四分之一波长前盖板
• 3.3.4 换能器结构参数的计算
• 3.4 换能器的有限元分析及测试
• 3.4.1 换能器的有限元分析
• 3.4.2 换能器的测试实验
• 3.5 小结
• 第4章 超声防蜡降粘的实验分析
• 4.1 实验装置
• 4.2 实验方法
• 4.3 声参数对防蜡降粘效果的影响实验
• 4.3.1 超声波频率对处理效果的影响
• 4.3.2 超声波功率对处理效果的影响
• 4.3.3 超声波作用时间对处理效果的影响
• 4.4 超声防蜡降粘机理的验证实验
• 4.4.1 超声空化作用防蜡实验
• 4.4.2 超声乳化效应降粘实验
• 4.5 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢