原油防蜡降粘超声波处理系统的关键技术研究

论文摘要

长期以来,原油开采和输送过程中的结蜡增稠现象一直是困扰着我国乃至世界石油工业的重大难题,在多种防蜡降粘方法中,超声波防蜡降粘技术具有处理效果明显、无污染、安全性好、操作简单、不影响后期精炼和经济性好等特点,具有潜在的战略意义和广阔的市场前景。原油超声波防蜡降粘尚处于初期发展阶段,仍有一些关键技术问题亟待解决。本文旨在对原油防蜡降粘超声波处理系统的关键技术进行深入研究,加速原油超声波防蜡降粘技术的实用化和规模化进程。空化效应是高功率超声波具有防蜡降粘功效的主要原因所在,为研究超声波的频率和声压对空化强度的影响,数值模拟了超声场内单一空化泡的径向运动,确定了适于原油处理的超声波频率和功率参数,并运用解析法和传输矩阵法,研制了全波长聚能型压电超声换能器。最后,为快速而准确地测量换能器机械谐振频率,提出一种基于余振信号Morlet小波变换的机械谐振频率测量新方法。原油超声波防蜡降粘处理必须在声化学反应器中进行,为分析反应器各区域空化强度,对反应器内部的声压分布进行研究。针对传统的远场声压归一化指向性分析法不够直观、不能分析近中场区域声压的问题,提出一种换能器近中场声压平面分布分析法。基于该法,分析了所研制换能器及其2×2阵列的声压分布,并在换能器阵列排布和反应器结构尺寸确定的条件下,对阵列的阵元间距进行了优化。原油负载下,换能器等效机械阻增大,并对原油粘度、压力、流量和温度等因素的变化十分敏感,传统电端匹配法很难实现共轭匹配,易引起换能器发热,可靠性降低,为此提出一种换能器初级串联匹配法。该法在等效机械阻的变化范围内对超声电源输出变压器匝数比进行了优化,并在变压器初级一侧对换能器和变压器所构成的整体负载进行匹配,获得了更高的功率传递效率。原油负载使换能器的品质因数低,传统的锁相环频率跟踪法容易出现失锁、误跟踪、死锁和跟踪误差大等四种跟踪失效形式。为此,通过分析跟踪失效的原因,提出一种基于静态电容补偿的换能器锁相环频率跟踪法。该跟踪法通过补偿静态电容的分流作用,得到换能器机械臂的相位差信号,实现了低品质因数换能器的准确频率跟踪。最后,基于所研制的原油防蜡降粘超声波处理系统,采用粘温曲线法,研究了超声处理时间、换能器工作电流和含蜡量等因素对原油降粘效果的影响,并借助扫描电子显微镜、气相色谱——质谱联用分析和偏光显微镜等手段,对原油和液体石蜡处理前后的蜡晶形态以及成分进行比较,总结原油超声波防蜡降粘的规律。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源与背景
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 原油防蜡降粘的传统技术
• 1.2.2 原油超声波防蜡降粘技术
• 1.2.3 功率超声技术
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 全波长聚能型换能器的研制及其测量新方法
• 2.1 引言
• 2.2 原油超声波防蜡降粘机理分析
• 2.3 超声场内单一空化泡径向运动的数值模拟
• 2.3.1 空化泡径向运动模型的建立与分析
• 2.3.2 超声波频率和声压对空化泡径向运动的影响
• 2.4 全波长聚能型压电换能器的研制
• 2.4.1 换能器的选型与设计方法
• 2.4.2 全波长聚能型压电换能器的设计
• 2.5 基于余振信号Morlet 小波变换的换能器机械谐振频率测量
• 2.5.1 导纳圆法测量机械谐振频率的基本原理
• 2.5.2 换能器的余振信号及谱分析
• 2.5.3 换能器余振信号的Morlet 小波变换
• 2.5.4 基于余振信号频谱分析的机械谐振频率测量
• 2.5.5 测量系统的组成
• 2.5.6 测量结果与分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 换能器阵列近中场声压平面分布研究
• 3.1 引言
• 3.2 传统声压分布分析方法及其不足
• 3.3 单体圆形平面换能器近中场声压的平面分布模拟
• 3.3.1 单体圆形平面换能器辐射模型的建立
• 3.3.2 单体换能器的轴向声压分布
• 3.3.3 单体换能器近中场声压的平面分布
• 3.4 换能器2×2 阵列近中场声压的平面分布模拟
• 3.4.1 换能器2×2 阵列辐射模型建立
• 3.4.2 换能器2×2 阵列近中场声压平面分布模拟
• 3.5 原油防蜡降粘声化学反应器阵元间距的优化设计
• 3.5.1 换能器2×2 阵列下反应器内的平均声压和声压分布均匀度
• 3.5.2 阵元间距的优化设计
• 3.6 本章小结
• 第4章 换能器初级串联匹配法
• 4.1 引言
• 4.2 原油负载下换能器的匹配特性
• 4.3 传统次级匹配法的原理及存在问题
• 4.4 换能器初级串联匹配法
• 4.4.1 输出变压器匝数比的优化
• 4.4.2 匹配元件参数的确定
• 4.5 换能器初级串联匹配实验
• 4.5.1 实验原理与系统结构
• 4.5.2 实验步骤与结果分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 基于静态电容补偿的换能器锁相环频率跟踪
• 5.1 引言
• 5.2 原油负载下换能器的锁相环频率跟踪特性
• 5.3 传统锁相环频率跟踪法四种失效形式的分析
• 5.3.1 失锁
• 5.3.2 误跟踪与死锁
• 5.3.3 跟踪误差大
• 5.4 宽频带下的静态电容补偿
• 5.5 基于静态电容补偿的换能器锁相环频率跟踪的实验研究
• 5.5.1 基于静态电容补偿的换能器锁相环频率跟踪系统的结构
• 5.5.2 跟踪精度的实时监测
• 5.5.3 实验系统与实验步骤
• 5.5.4 实验结果分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 原油超声波防蜡降粘的实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 原油超声波防蜡降粘的影响因素分析
• 6.2.1 超声处理时间对原油降粘效果的影响
• 6.2.2 换能器工作电流对原油降粘效果的影响
• 6.2.3 含蜡量对原油降粘效果的影响
• 6.3 超声处理下原油蜡晶形态的扫描电镜分析
• 6.3.1 超声波对纯原油蜡晶形态的影响
• 6.3.2 换能器工作电流对纯原油蜡晶形态的影响
• 6.3.3 超声波对含水原油蜡晶形态的影响
• 6.4 超声处理下液体石蜡成分的GC-MS 分析
• 6.4.1 实验原理
• 6.4.2 实验器材与实验方法
• 6.4.3 实验结果与分析
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历