Электростатический коагулятор с резонансной схемой слежения
Группа изобретений относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к разделению текучих сред в технологическом потоке. Устройство включает в себя внешнюю стенку, определяющую путь потока для приема технологической текучей среды. Множество электродных пластин расположено в пределах пути потока. Контроллер включает в себя индуктор и генератор сигналов. Индуктор параллельно соединен с множеством электродных пластин. Индуктор и множество электродных пластин и технологическая среда между пластинами определяют резонансную схему. Генератор сигналов соединен с множеством электродных пластин и выполнен с возможностью приложения сигнала переменного тока к множеству электродных пластин на частоте, соответствующей резонансной частоте резонансной схемы в присутствии технологической текучей среды. Генератор сигналов изменяет частоту сигнала переменного тока на основании изменяющихся свойств технологической текучей среды для поддержания резонанса. Повышается эффективность применения устройства для широкого диапазона различных технологических сред. 4 н. и 21 з.п. ф-лы, 12 ил.
Область техники
Раскрываемый объект изобретения, в целом, имеет отношение к разделению текучих сред в технологическом потоке и, более конкретно, к электростатическому коагулятору с резонансной схемой слежения.
Уровень техники
Отделение воды из углеводородной жидкости является важным процессом в нефтедобывающей промышленности. В режиме с преобладанием нефти, в непрерывной нефтяной фазе могут возникать малые капли воды вследствие, например, сдвигания в трубопроводе выше по потоку. Размер капель является важным фактором, способствующим ускорению разделения. Малые капли воды выделяются из нефти медленнее по сравнению с большими каплями вследствие несмешиваемости жидкостей и различий в удельном весе.
Один традиционный подход к отделению нефти от воды использует силу тяжести и требует большего времени пребывания во внутренней части сепараторов. Для приемлемой производительности разделения необходимо большое время пребывания и, следовательно, этот подход не подходит для поточной области применения с высокими расходами. Другие технические приемы, в которых для разрушения эмульсии используются химикаты, требуют последующего удаления химикатов, тем самым повышая издержки. Однако другие технические приемы, в которых используется нагревание, менее эффективны для разрушения эмульсий.
Разделение жидкостей из потоков текучей вреды, которые являются, прежде всего, газом, также является важным процессом в промышленности. Во многих случаях газы с высокой промышленной стоимостью получаются с содержанием очень мелких капель жидкостей. Примерами могут являться природный газ или много других газов, используемых в химической промышленности, таких, как хлор или диоксид серы. Дополнительно, в перерабатывающей промышленности, могут частично конденсироваться пары, что также может давать в результате газ, содержащий мелкие капли жидкости, в особенности в областях применения с высокой скоростью газа (то есть, высокие скорости обеспечивают значительную силу для продвижения капель вперед). Дополнительно, любое препятствие на пути потока может формировать области высокого и низкого давления, дающие в результате большую конденсацию на препятствии, по сравнению с областью применения с низкой скоростью газа, в которой различия в давлении намного ниже.
Поскольку эти капли могут подвергать трубопровод действию коррозии и являются вредными для насосов и другого нефтехимического оборудования, они должны быть удалены перед герметизацией или транспортированием товарного газа или использованием газа в перерабатывающей промышленности. Дополнительно, потребители желают получать настолько чистые продукты, насколько это возможно, а посторонние жидкости понижают качество этих газов. В нефтехимической промышленности, в особенности находящейся в открытом море, где природный газ получается вместе с соленой водой и нефтью, является предпочтительным удаление воды и/или других жидкостей настолько близко к буровой скважине, насколько это возможно. Значительные усилия затрачиваются на осушку природного газа водопоглотителями для удаления водяного пара до концентраций намного более низких, чем предел насыщения. Однако такие усилия могут быть неэффективными, если газ, который будет осушаться, кроме паров содержит и воду в жидком виде.
Обычные методы удаления жидкостей из газов, как правило, нацелены на улучшение традиционного отделения жидкостей из газов посредством использования сил, подобных силе тяжести. Один очень старый технический прием основан на визуальном наблюдении того, как часть висящей в тумане ткани собирает из тумана воду, таким образом, уменьшая плотность тумана и обеспечивая воду. Ткань действует в качестве центра конденсации для капель, а сила тяжести будет, в случае с водой, вызывать стекание лишней воды вниз. Эта технология является основой для отделения жидкостей из газов с использованием проволочной сетки.
Другая технология предусматривает увеличение сил гравитации для того, чтобы сделать жидкие капли, находящиеся в газе во взвешенном состоянии, менее стабильными. Силы гравитации могут быть увеличены посредством вращения среды, что дает в результате центростремительную силу во много раз выше нормальной силы тяжести. Таким образом, разделение выполняется со скоростью, во много раз превышающей случай с использованием одной лишь силы тяжести, что дает в результате намного меньшее устройство.
Однако для крупномасштабного поточного выполнения операций каждая из технологий, как с использованием металлической сетки, так и ускорителей, имеет свои отрицательные стороны. Сетка может забиваться, что приведет к необходимости прохождения молекул газа через сетку сложным путем, что будет стоить дополнительной механической энергии. Увеличение сил гравитации посредством вращения также требует механической энергии, которая, в целом, извлекается из отделяемого газа. Эта потребляемая механическая энергия дает в результате снижение давления, что увеличивает необходимое число или размер насосов. Дополнительно, оба метода требуют чувствительного оборудования, то есть легко повреждаемого эрозией.
Этот раздел данного документа предназначен для ознакомления с различными аспектами области техники, которые могут быть связаны с различными аспектами раскрытого объекта изобретения, описанного и/или заявленного ниже.
Этот раздел предоставляет информацию об уровне техники для упрощения лучшего понимания различных аспектов раскрытого объекта изобретения. Следует подразумевать, что утверждения в этом разделе данного документа должны быть истолкованы в этом свете, а не в качестве признания действительным предшествующего уровня техники. Раскрываемый объект изобретения ориентирован на преодоление или, по меньшей мере, сокращение действий одной или нескольких сформулированных выше проблем.
Краткое изложение существа изобретения
Следующее представляет собой упрощенную сущность раскрытого объекта изобретения для предоставления основного понимания некоторых аспектов раскрытого объекта изобретения. Эта сущность не является исчерпывающим общим представлением раскрытого объекта изобретения. Она не предназначена для обозначения ключевых или критических элементов раскрытого объекта изобретения или ограничения объема раскрытого объекта изобретения. Единственная ее цель состоит в представлении некоторых понятий в упрощенной форме в качестве прелюдии к более подробному описанию, которое представлено ниже.
Один аспект раскрытого объекта изобретения наблюдается в электростатическом коагуляторе. Электростатический коагулятор включает в себя внешнюю стенку, определяющую путь потока для получения технологической текучей среды. Множество электродных пластин расположено в пределах пути потока. Контроллер включает в себя индуктор и генератор сигналов. Индуктор параллельно соединен с множеством электродных пластин. Индуктор и множество электродных пластин определяют резонансную схему. Генератор сигналов соединен с множеством электродных пластин и выполнен с возможностью приложения сигнала переменного тока к множеству электродных пластин на частоте, соответствующей резонансной частоте резонансной схемы при наличии технологической текучей среды.
Другой аспект раскрытого объекта изобретения заключается в способе коагуляции компонента диспергированной фазы в технологической текучей среде. Предоставляют путь потока для приема технологической текучей среды. Множество электродных пластин располагают в пределах пути потока. Индуктор параллельно соединяют с множеством электродных пластин. Индуктор и множество электродных пластин определяют резонансную схему. Сигнал переменного тока прикладывают к множеству электродных пластин на частоте, соответствующей резонансной частоте резонансной схемы при наличии технологической текучей среды.
Краткое описание отдельных представлений чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг. 1 изображает упрощенное схематическое представление системы разделения жидкости в соответствии с одним иллюстративным вариантом осуществления настоящего объекта изобретения;
Фиг. 2 изображает упрощенное представление в поперечном сечении электростатического коагулятора в системе из Фиг. 1;
Фиг. 3 изображает упрощенное схематическое представление элемента разбиения потока, который может быть использован в электростатическом коагуляторе из Фиг. 2;
Фиг. 4 изображает упрощенную блок-схему схемы управления электростатического коагулятора из Фиг. 1;
Фиг. 5 изображает упрощенную диаграмму положительного контура, который может использоваться в генераторе переменного тока в схеме управления из Фиг. 4;
Фиг. 6 изображает упрощенную блок-схему схемы автогенератора, которая может быть использована в схеме управления из Фиг. 4 и 5;
Фиг. 7 изображает упрощенную блок-схему альтернативного варианта осуществления схемы управления электростатического коагулятора из Фиг. 1;
Фиг. 8 изображает упрощенную блок-схему системы разделения текучей среды, включающей в себя внешний источник энергии с электростатическим коагулятором;
Фиг. 9 и 10 изображают представления в поперечном сечении альтернативного варианта осуществления электростатического коагулятора с промежуточными изолирующими элементами, расположенными между пластинчатыми электродами; и
Фиг. 11 и 12 изображает представления в поперечном сечении электростатического коагулятора в соответствии с другим иллюстративным вариантом осуществления настоящего изобретения.
Хотя раскрываемый объект изобретения допускает различные модификации и альтернативные формы, определенные варианты его осуществления изображаются в чертежах для примера и подробно описываются в настоящем документе. Однако следует понимать, что описания определенных вариантов осуществления в настоящем документе не предназначены для ограничения раскрытого объекта изобретения конкретными раскрытыми формами, а напротив, цель состоит в покрытии всех модификаций, эквивалентов и альтернатив, находящихся в объеме сущности и объеме раскрытого объекта изобретения, как определено посредством приложенной формулы изобретения.
Описание предпочтительных вариантов изобретения
Ниже будет описан один или несколько определенных вариантов осуществления раскрытого объекта изобретения. В частности предполагается, что раскрываемый объект изобретения не ограничен вариантами осуществления и иллюстрациями, содержащимися в настоящем документе, но включает в себя измененные формы этих вариантов осуществления, включая в себя части вариантов осуществления и сочетания элементов различных вариантов осуществления, которые подпадают под последующие пункты формулы изобретения. Следует понимать, что при развитии любого такого фактического варианта реализации, как и в любом инженерном проекте или проекте разработки, должны быть приняты многочисленные решения, определенные для варианта реализации для достижения определенных целей разработчиков, таких, как соблюдение связанных с системой и с деловой активностью ограничений, которые могут варьироваться от одного варианта реализации к другому. Дополнительно, следует понимать, что такие опытно-конструкторские разработки могут быть сложными и трудоемкими, но, тем не менее, являться обычным предприятием для разработки, изготовления и производства для средних специалистов в данной области техники, для которых данное раскрытие является полезным. Ничто в настоящей заявке не считается критическим или существенным по отношению к раскрываемому объекту изобретения, если явно не обозначено, как являющееся "критическим" или "существенным".
Теперь, раскрываемый объект изобретения будет описан со ссылкой на прилагаемые чертежи. Различные структуры, системы и устройства схематично обрисованы на чертежах исключительно для объяснения, и таким образом, чтобы не скрывать раскрываемый объект изобретения деталями, которые хорошо известны специалистам в данной области техники. Тем не менее, приложенные чертежи включены в состав документа для описания и объяснения иллюстративных примеров раскрытого объекта изобретения. Используемые в настоящем документе слова и фразы должны пониматься и интерпретироваться таким образом, чтобы иметь значение, совместимое с пониманием этих слов и фраз специалистами в соответствующей области техники. Не предполагается неявного выражения никакого специального определения термина или фразы, то есть, определения, которое отличается от обычного и общепринятого значения, как оно понимается специалистами в данной области техники, посредством последовательного использования в настоящем документе фразы или термина. В случае если термин или фраза предназначены для того, чтобы иметь специальное значение, то есть, отличное от того, которое понимается специалистами в данной области, то такое специальное определение будет явно сформулировано в описании определенным образом, который непосредственно и недвусмысленно предоставляет специальное определение для термина или фразы.
Как показано на чертежах, в которых одинаковые ссылочные номера соответствуют одинаковым компонентам во всех нескольких представлениях и, в особенности, как показано на Фигуре 1, раскрываемый объект изобретения будет описан применительно к системе 10 разделения текучей среды. Система 10 включает в себя электростатический коагулятор 15, расположенный выше по потоку от сепаратора 20. Электростатический коагулятор 15 находится в потоке жидкости, определенном посредством трубопровода 25.
Для целей последующего обсуждения, поток текучей среды может являться, прежде всего, потоком жидкости из, прежде всего, потока газа. В иллюстрированном варианте осуществления, электростатический коагулятор 15 выполняет операции по повышению размеров капель жидкости в такой технологической текучей среде, как углеводородная текучая среда. Например, коалесцируемая жидкость может являться водой, присутствующей в потоке жидких углеводородов или потоке газа (например, природного газа). Разумеется, может варьироваться конкретная текучая среда, предоставляемая на электростатический коагулятор 15, и могут обрабатываться текучие среды, отличные от углеводородных текучих сред. Жидкость, коалесцируемая из технологической текучей среды, также может варьироваться, а вода, в данном случае, является лишь одним иллюстративным примером. В другом примере, жидкости могут быть выделены из технологических газов (например, хлора или HCl (хлористо-водородной кислоты)). Размеры капель воды в потоках газообразного хлора могут быть увеличены посредством электростатического коагулятора 15 для более эффективного удаления воды из хлора до борьбы с газообразным водяным паром.
Сепаратор 20 выполнен с возможностью удаления, по меньшей мере, части жидкости, присутствующей в технологической текучей среде, и предоставляет выпускной трубопровод 30 для технологической текучей среды и выпускной трубопровод 35 для коалесцированной жидкости. Конструкция и работа электростатического коагулятора 15 более подробно описываются ниже, как показано на Фигурах 2 и 3. Применимость настоящего объекта изобретения не ограничена каким-либо конкретным вариантом осуществления сепаратора 20. Иллюстративные типы сепаратора включают в себя горизонтальные сепараторы/гравитационные сепараторы и сепараторы с увеличенной гравитацией (например, технология разделения на основе центробежного сепаратора). В некоторых вариантах осуществления, электростатический коагулятор 15 и сепаратор 20 могут быть объединены в один блок.
Оценки и опыт электрической коагуляции в двухжидкостных системах показывают, что необходимое значение электрического поля для производства коагуляции в системе жидкость-газ должно находиться в диапазоне 103-104 В/см. Типичные значения электрических полей, которые вызывают автоматическое излучение электронов (то есть, единственный механизм зарядки капель посредством электростатических полей) находятся в диапазоне, большем, чем 107 В/см, таким образом, вышеупомянутое электрическое поле не будет производить зарядку капель.
В случаях, где текучая среда, обрабатываемая посредством, электростатического коагулятора 15, является, прежде всего, газом, возможно формирование электрического поля через газ вследствие того, что газы являются хорошими изоляторами. В таком электрическом поле, заряженные частицы притягиваются к одной из электродных пластин 45. Незаряженные частицы будут поляризованы, и, вследствие диполь-дипольного взаимодействия, между ними появится сила притяжения, в то время как они останутся не притянутыми посредством электродных пластин 45. Силы, сгенерированные посредством электрического поля в коагуляторе 15, являются слишком слабыми для ионизации свободных частиц.
Несмотря на то, что это описание иллюстрирует выделение воды из углеводородной текучей среды, электростатический коагулятор 15 может использоваться для областей применения с другими эмульсиями, где определенное сопротивление непрерывной фазы больше чем приблизительно 107 Ом*м, и где электрическая проницаемость нерперывной и диспергированной фаз являются различными. Например, размеры капель воды в потоках углеводородного газа могут быть увеличены посредством электростатического коагулятора 15 для более эффективной осушки газа. В целом, более проводящие эмульсии могут потребовать более высоких частот прикладываемого напряжения.
В целом, электростатический коагулятор 15 является более эффективным для обеспечения коагуляции, если содержание воды равно, по меньшей мере, приблизительно 2%. Это количество может варьироватся в зависимости от конкретной технологической текучей среды и скорости потока. В случаях, где содержание воды технологической текучей среды меньше эффективного значения, отверстие 37 для введения воды может быть расположено выше по потоку от электростатического коагулятора 15 для повышения содержания воды в технологической текучей среде до коагуляции и разделения.
Фиг. 2 иллюстрирует представление в поперечном сечении электростатического коагулятора 15. В иллюстрированном варианте осуществления, диаметр внешней стенки 40 электростатического коагулятора 15 примерно соответствует диаметру трубопровода 25, в котором он установлен для предоставления поточной структуры. Текучая среда, проходящая через трубопровод 25, проходит через электростатический коагулятор 15, по существу, с такой же скоростью потока. В электростатическом коагуляторе 15 воды предоставлено множество электродных пластин 45, через которые перемещается текучая среда. В некоторых вариантах осуществления в областях, где не генерируется никакого электрического поля, могут быть предоставлены препятствующие элементы 52 для гарантии того, что вся текучая среда будет подвергнута действию электрического поля.
Электростатическое поле, сгенерированное посредством электродных пластин 45, поляризует капли жидкости в технологическом потоке для локальной нейтрализации электростатического поля. Поляризованные капли не притягиваются посредством однородного поля к одному из электродов 45 в связи с тем, что результирующий заряд капли равен нулю. Поляризованные капли на самом деле ощущают градиент электростатического поля на коротком расстоянии от других капель. Таким образом, капли притягиваются друг к другу.
Конкретная геометрия электродных пластин 45 (например, структура, количество, толщина, и т.д.) может изменяться в зависимости от факторов, связанных с конкретным вариантом реализации, таких, как технологическая текучая среда, диаметр трубопровода, давление текучей среды, ожидаемый расход и т.д. Например, интервал между электродными пластинами 45 может изменяться в зависимости от обрабатываемой текучей среды. Электродные пластины 45 в газовом коагуляторе могут быть расположены ближе друг к другу, чем в жидкостном коагуляторе. Этот сокращенный интервал может быть достигнут посредством сокращения диаметра коагулятора 15 по сравнению с диаметром трубопровода 25 для того, чтобы позволить использование такого же количества электродных пластин 45, но располагаемых ближе. Альтернативно, можно не сокращать диаметр, но число электродных пластин 45 может быть увеличено. В некоторых областях применения могут быть использованы длинные электродные пластины 45, имеющие длины в несколько раз превышающие диаметр электростатического коагулятора 15 для повышения времени пребывания или понижения необходимой напряженности поля.
Как показано на Фигуре 2, внутренняя поверхность внешней стенки 40 и электродные пластины 45 покрыты защитным слоем 50. В целом, защитный слой 50 защищает электродные пластины 45 от эффектов эрозии или коррозии технологической текучей среды (например, вследствие частиц или химикатов в технологической текучей среде) и также может служить электрическим изолятором для сокращения вероятности образования дуги между смежными электродными пластинами 45. Иллюстративные материалы для защитного слоя 50 включают в себя эпоксидную смолу, неэлектропроводную керамику, пластмассовые покрытия и т.д., сформированные с использованием таких процессов, как литье под давлением, химическое осаждение из паровой фазы, физическое осаждение из паровой фазы и т.д. Альтернативно, электроизолирующие слои могут быть объединены с другими защитными слоями на внешних поверхностях для соответствия производственным требованиям области применения (например, сопротивлению трению или сопротивлению коррозии). Например, изолирующее покрытие из эпоксидной смолы может быть покрыто проводящим керамическим покрытием. Конкретный выбранный изолятор и/или износостойкое покрытие могут изменяться в зависимости от производственных требований, издержек и электрических свойств материала (например, диэлектрической постоянной).
Электродные пластины 45 могут быть иметь размеры и располагаться таким образом, чтобы предусматривалось относительно высокое число Рейнольдса, тем самым предоставляя турбулентный поток технологической текучей среды через электростатический коагулятор 15. Турбулентный поток вызывает варьирование скорости технологической текучей среды случайным образом, вызывая увеличение мелкомасштабных перемещений текучей среды. Это увеличение перемещения делает более вероятным то, что капли воды в технологическом потоке войдут в непосредственную близость друг с другом. В этой непосредственной близости, дипольное взаимодействие, вызванное посредством описанного выше электростатического поля, будет более сильным, тем самым повышая коагуляцию.
В одном варианте осуществления, иллюстрированном на Фиг. 3, в электростатическом коагуляторе 15 может быть предоставлен один или несколько элементов 52 для разбиения потока для увеличения микротурбулентности между электродными пластинами 45. Элемент 52 для разбиения потока может быть изготовлен из электроизолирующего материала, такого, как керамика, пластмасса или другой неэлектропроводный твердый материал. Элемент 52 для разбиения потока включает в себя множество стержней 53, связанных посредством поперечных элементов 54 в виде сетчатой структуры. Сетка разбивает поток технологической текучей среды через электростатический коагулятор 15 для повышения турбулентности. Элемент 52 для разбиения потока может быть установлен между смежными электродными пластинами 45. Установление размеров элемента 52 для разбиения потока может варьироваться в зависимости от конкретного расположения и установления размеров электродных пластин 45. Элементы 52 для разбиения потока могут не требоваться в вариантах реализации, где скорость потока и число Рейнольдса являются достаточно высокими для предоставления турбулентного потока.
В области применения, где поток текучей среды показывает высокую степень ламинарного потока, центральная часть потока будет иметь намного более высокую скорость, чем часть вдоль стенок. Эта характеристика потока может привести к короткому времени пребывания между электродными пластинами 45. В дополнение или вместо элементов 52 для разбиения потока, для того, чтобы вызвать турбулентность, могут быть предоставлены направляющие потока для того, чтобы сделать распределение потока по электродным пластинам 45 более равномерным даже в плане кг/час, что приводит к лучшему использованию электростатического коагулятора 15.
Как показано на Фиг. 4, предоставлена упрощенная блок-схема схемы 55 управления электростатического коагулятора 15. Свойства технологической текучей среды затрагивают результирующие электрические параметры электростатического коагулятора 15. Следовательно, электростатический коагулятор 15 смоделирован в качестве конденсатора 60 параллельно соединенного с резистором, 62, представляющим результирующую емкость и сопротивление, определенные посредством расположения электродных пластин 45 и проходящей через них технологической текучей среды. Схема 55 управления включает в себя индуктор 64 и генератор 66 переменного тока. В совокупности, индуктор 64 и конденсатор 60 и резистор 62, которые моделируют электростатический коагулятор 15, и технологическая текучая среда определяют резонансную схему 68. В целом, генератор 66 переменного тока поддерживает его выходную частоту на резонансной частоте резонансной схемы 68 для минимизации тока, необходимого для приведения в действие электростатического коагулятора 15. Генератор 66 переменного тока генерирует синусоидальный сигнал переменной частоты, который прикладывается к пластинчатым электродам 45 для того, чтобы способствовать коагуляции в технологической текучей среде.
В одном варианте осуществления, генератор 66 переменного тока может являться схемой автогенератора. Как известно специалистам в данной области техники, автогенератор в целом является усилителем с большим коэффициентом усиления, имеющим выход, соединенный с входом, обычно называемым положительным контуром. Положительный контур включает в себя резонансную схему, которая определяет частоту колебания. В этом варианте осуществления, резонансная схема 68 соединена с положительным контуром генератора 66 переменного тока, тем самым обеспечивая пассивную регулировку частоты генератора 66 переменного тока, соответствующую резонансной частоте резонансной схемы 68. Фиг. 5 иллюстрирует то, как резонансная схема 68 включен в положительный контур генератора 66 переменного тока через компаратор 85. Вследствие положительной обратной связи, генератор 66 переменного тока работает на резонансной частоте резонансной схемы 68. Поскольку индуктор 64 является фиксированным, частота регулируется в соответствии с переменными свойствами технологической текучей среды, и результирующей емкости электростатического коагулятора 15. Поскольку свойства текучей среды с течением времени изменяются, генератор 66 переменного тока автоматически поддерживает свой выход на переменной резонансной частоте, тем самым минимизируя требования по току, требуемому для приведения в действие электростатического коагулятора 15.
Фиг. 6 является упрощенной блок-схемой схемы автогенератора, которая может использоваться для генератора 66 переменного тока. Схема автогенератора включает в себя блок 70 питания, который принимает входное напряжение переменного тока (например, 220В, 50Гц) и генерирует выходные напряжения постоянного тока (например, +300В, +50В, +12В, +9В, и т.д.) для питания других блоков схемы. Задающий генератор 72 производит импульсы возбуждения на двойной частоте. Формирователь 74 сигналов производит сигналы для блока 76 регулирования частоты фазы и для переключения затворов транзисторов в усилителе 78 мощности. Усилитель 78 мощности является двухтактным усилителем. Блок 76 регулирования фазы частоты сравнивает фазы задающего генератора 72 и выходного сигнала и регулирует частоту задающего генератора 72 таким образом, чтобы достигнуть резонанса с переменными параметрами нагрузки. Резонансный трансформатор 80 формирует синусоидальный выходной сигнал с амплитудой до 3 кВ, например, для питания электростатического коагулятора 15. Путь положительной обратной связи существует между резонансным трансформатором 80 и блоком 76 регулирования фазы частоты.
Блок управления 82 управляет частотой и амплитудой выходного сигнала, и, в ответ на условие, которое превышает определенные пределы, устанавливает генератор 66 переменного тока в безопасный режим (то есть, низкой мощности). Индикаторный блок 84 указывает параметры входного сигнала. Может быть предоставлен интерфейс 86 для соединения генератора 66 переменного тока с внешним вычислительным устройством 88, таким, как персональный компьютер, контроллер или каким-либо другим вычислительным устройством общего или специального назначения, позволяющим отслеживать такие параметры устройства, как частота, амплитуда и потребляемая мощность или позволять вмешательство оператора или изменение конфигурации системы.
Фиг. 7 иллюстрирует дополнительный вариант осуществления схемы 90 управления, где генератор 95 переменного тока является генератором сигналов, который выводит конфигурируемый частотный сигнал. Например, генератор 95 переменного тока может являться генератором, управляемым напряжением. Напряжение на резисторе 100 представляет собой измерение выходного тока контура 90 управления для приведения в действие электростатического коагулятора 15. Генератор 95 переменного тока измеряет выходной тока и автоматически регулирует его выходную частоту для минимизации значения измеренного напряжения, которое соответствует условию резонанса. Следовательно, генератор 95 переменного тока активно регулирует свою выходную частоту на основе измеренной силы тока возбуждения для получения резонансной частоты резонансной схемы 68.
В целом, частота колебаний составляет выше 1 кГц, в связи с временем восстановления, связанным с большинством типов сырой нефти, которое находится в диапазоне 0,02-0,003 секунды. В иллюстрированном варианте осуществления предполагается, что емкость равна приблизительно 0,1 мкФ, а номинальная частота составляет приблизительно 10 кГц, что предусматривает индуктивность приблизительно 3 мГн. Разумеется, индуктор 64 может иметь и другие размеры на основе различных допущений относительно технологической текучей среды и геометрии электростатического коагулятора 15. Значение Q, соответствующее условию резонанса, которое приводит к уменьшению тока возбуждения, определяется посредством:
Q=2ωL/R.
Контроль частоты схемы 55, 90 управления предоставляет информацию относительно емкости электростатического коагулятора 15, и, следовательно, содержания воды. Энергопотребление электростатического коагулятора 15 определяется посредством сопротивления технологической текучей среды. Электрическое сопротивление технологической текучей среды и значение содержания воды характеризуют качество обрабатываемой технологической текучей среды. Сопротивление может предоставлять информацию относительно минерализации технологической текучей среды. Содержание воды в технологической текучей среде, поступающей в электростатический коагулятор 15, эффективно определяет окончательное содержание воды после сепаратора 20. Следовательно, посредством использования информации о содержании воды и сопротивлении, может быть определен диагностический инструмент для получения параметров технологической текучей среды.
В некоторых вариантах осуществления, эффективность коагуляции может быть увеличена посредством предоставления внешнего источника энергии, который выполняет операции совместно с электростатическим коагулятором 15. Как показано на Фиг. 8, источник 105 энергии может быть соединен с электростатическим коагулятором 15. Иллюстративные источники энергии включают в себя микроволновые и ультразвуковые устройства. Подвергание технологической текучей среды воздействию микроволнового или ультразвукового энергетического поля может увеличить коагуляцию, обеспечиваемую посредством электростатического коагулятора 15. Потребность во внешнем источнике 105 энергии может зависеть от таких параметров, как размер электростатического коагулятора 15, параметров технологической текучей среды, расхода, и т.д. Информация, собранная по резонансной частоте резонансной схемы 68, которая определяет параметры технологической текучей среды, может быть использована для настройки внешнего источника 105 энергии. Например, могут быть проведены эксперименты для обозначения оптимальных параметров частоты или амплитуды микроволновых или ультразвуковых сигналов на основе параметров технологической текучей среды. Затем может быть установлена корреляция между установленной резонансной частотой и параметрами внешнего источника энергии для повышения эффективности внешнего источника 105 энергии.
В другом варианте осуществления, иллюстрированном на Фиг. 9, электростатический коагулятор 110 может быть предоставлен с промежуточным изолирующим элементом 115, расположенным между электродными пластинами 120A, 120B для определения первого пути потока между изолирующим элементом 115 и первой электродной пластиной 120A и второго пути потока между изолирующим элементом 115 и второй электродной пластиной 120B. Между парой электродных пластин 120A, 120B может быть расположен один или несколько изолирующих элементов 115 для определения дополнительных путей потока между ними (например, третий путь потока между смежными изолирующими элементами 115). Несмотря на то, что проиллюстрировано только две электродные пластины 120A, 120B, могут быть использованы различные конфигурации, включающие в себя структуру, изображенную в Фиг. 2, где использованы параллельные электродные пластины. В таком случае, одна или несколько изолирующих элементов 115 могут быть расположены между каждой парой электродных пластин 45. Разумеется, также могут быть использованы и другие конфигурации.
В целях иллюстрации, электродная пластина 120A заземлена, а электродная пластина 120B соединена с источником 125 электропитания, таким, как один из описанных выше источников 66, 95 электропитания, или другим источника электропитания. Как правило, электрод 120B покрыт защитным слоем 130 для защиты электродной пластины 120B от эффектов эрозии или коррозии технологической текучей среды (например, вследствие частиц или химикатов в технологической текучей среде). Защитный слой 130 также может служить электрическим изолятором для сокращения вероятности образования дуги. Заземленная электродная пластина 120A может иметь или может не иметь защитный слой 130. Описанная выше резонансная схема 68 может быть или может не быть реализованна в электростатическом коагуляторе 110.
Изолирующий элемент 115, расположенный между двумя электродными пластинами 120A, 120B, повышает эффективность коагуляции. Коагуляция капель в другой среде обуславливается поляризацией проводящих частиц жидкости в электрическом поле. Вследствие того, что требуется сильное поле и предпочтительно не использовать очень высокие напряжения, обычно электроды располагаются в непосредственной близости друг к другу. При нормальных обстоятельствах, капли воды, которые имеют место на одной оси с электрическим полем, будут выстроены в "цепочку" капель воды, которые эффективно не коалесцируются вследствие того, что притяжение к капле в средней части цепочки с одной стороны будет равно притяжению с другой стороны, сводя на нет притяжение, в то время как капли на электроде не будут высвобождаться. Только капли на свободных концах будут перемещаться и тем самым коалесцироваться. Эта цепочка капель сокращает напряженность поля, и, следовательно, коагуляцию, что сокращает эффективность коагуляции. В некоторых случаях, где присутствуют сильные поля и длинные цепочки, может возникать искрение. Чем больше концентрация воды, тем больше присутствует капель, и, следовательно, сильнее влияние этого эффекта. Изолирующий элемент 115 имеет тенденцию к разбиению этих цепочек или даже к препятствованию их формирования, что приводит к более высокой эффективности коагуляции.
Изолирующий элемент 115 может являться гидрофильным (то есть, притягивающим воду) или гидрофобным (то есть, отталкивающим воду). Силы притяжения между водой и гидрофильной поверхностью являются относительно малыми по сравнению с силами, которые обнаруживаются в электрических полях. Диэлектрическая постоянная материала, используемого для изолирующего элемента 115, может изменяться в зависимости от конкретного варианта реализации. Если используется изолятор с высокой диэлектрической постоянной (то есть, выше, чем окружающая среда), то взаимное влияние, которому подвергаются капли, даже предполагая контакт между каплями и поверхностью изолятора, будет меньшим, чем могло бы быть оценено теоретически исходя из толщины. Следовательно, в ситуациях, где между электродами 120A, 120B не очень большое пространство, может быть использован тонкий изолятор с высокой диэлектрической постоянной. С другой стороны, вследствие производственных требований, изолирующий элемент 115 может, в некоторых случаях, быть довольно толстым, что приведет к преимуществу изолятора с низкой диэлектрической постоянной. В случае, когда материал с высокой диэлектрической постоянной объединен с материалом с низкой постоянной в электрическом поле, причем напряженность электрического поля будет концентрироваться в материале с высокой диэлектрической постоянной. Материал с более низкой диэлектрической постоянной для изолирующей детали 115 будет поддерживать требуемый уровень создания электрического поля во всей коалесцируемой среде посредством уменьшения полей в изолирующем элементе 115, тем самым обеспечивая меньшее прилагаемое напряжение и приводя к более безопасной работе с меньшим энергопотреблением.
Предоставление нескольких изолирующих элементов 115 между электродными пластинами 120A, 120, как показано на Фигуре 10, имеет тенденцию к дополнительному повышению эффективности коагуляции. Область между изолирующими элементами 115 будет свободной от цепочек капель воды, которые, как было обнаружено, сокращают эффективность. Посредством размещения изолирующих элементов 115 рядом с электродами 120A, 120B (то есть, без слияния с ними, что уменьшило бы действие изолятора), может быть получена более высокая эффективность.
В отличие от электрической коагуляции воды в водонефтяной системе, проводимость газов гораздо меньше проводимости сырой нефти. Это обстоятельство позволяет использовать источник электропитания с напряжением постоянного тока для создания электрического поля в газовой среде. В некоторых областях применения, электростатический коагулятор 15 воды может быть использован в области применения для газа, и может быть использован источник электропитания переменного тока с управляемым резонансом.
Фиг. 11 иллюстрирует альтернативный вариант осуществления электростатического коагулятора 150, который может быть использован в области применения, где технологическая текучая среда является, прежде всего, газом. Электростатический коагулятор 150 включает в себя внешнюю стенку 155 и внешние электроды 160, соединенные с источником 162 электропитания. Внешняя стенка может являться электроизоляционным материалом. Вокруг внешних электродов 160 может быть предоставлена оболочка 170 в целях защиты. В иллюстрированном варианте осуществления, источник 162 электропитания является источником электропитания постоянного тока, однако, также может быть использован источник переменного тока. Использование внешних электродов 160 позволяет генерировать электрическое поле при минимизации препятствий для потока.
Еще в одном варианте осуществления, изображенном на Фиг. 12, электростатический коагулятор 150, описанный изображенным на Фиг. 11 способом, может быть предоставлен с одним или несколькими электропроводными элементами 175, расположенными между внешними электродами 160, для повышения напряженности электрического поля. Проводящие элементы 175 не соединены ни с одним источником электропитания, так что они не выполняют операции в качестве электродов. Проводящие элементы 175 могут иметь покрытие для предоставления необходимых параметров, как было описано выше относительно электродных пластин 45. Также могут быть использованы вставленные проводящие элементы 175 в варианте осуществления, иллюстрированном на Фиг. 2.
Несмотря на то, что электростатические коагуляторы 15, 110, 150 проиллюстрированы и описаны в настоящем документе, как являющиеся поточными устройствами, предполагается, что описанные в настоящем документе технические приемы могут быть применены к другим типам коагуляторов, таким, как коагуляторы, основанные на камерах.
Использование электростатической силы для коагуляции капель жидкости в потоке текучей среды позволяет более эффективно удалять капли вниз по потоку, тем самым сокращая требования по оборудованию для удаления и понижая его стоимость или повышая количество жидкости, которая может быть удалена, тем самым предоставляя более высокую чистоту обработанной текучей среды.
Конкретные варианты осуществления, раскрытые выше, являются исключительно иллюстративными, поскольку раскрываемый объект изобретения может быть модифицирован и осуществлен на практике различными, но равноценными способами, очевидными для специалистов в данной области техники, имеющих преимущество от изложенной в настоящем документе идеи. Дополнительно, не подразумевается никаких ограничений для подробностей конструкции или конструктивного исполнения, изображенного в настоящем документе, отличного от того, что описано ниже в формуле изобретения. Следовательно, является очевидным, что раскрытые выше конкретные варианты осуществления, могут быть изменены или модифицированы, и все такие вариации рассматриваются в пределах объема и сущности раскрытого объекта изобретения. Соответственно, в настоящем документе испрашивается защита, как сформулировано ниже в формуле изобретения.
1. Электростатический коагулятор, содержащий:
внешнюю стенку, определяющую путь потока, для приема технологической текучей среды, состоящей из углеводородной текучей среды и капель воды;
множество электродных пластин, расположенных в пределах пути потока; и
контроллер, содержащий:
индуктор, параллельно соединенный с множеством электродных пластин, причем индуктор, множество электродных пластин и технологическая текучая среда, когда она присутствует между электродными пластинами, определяют резонансную схему; и
генератор сигналов, соединенный с множеством электродных пластин и выполненный с возможностью приложения сигнала переменного тока к множеству электродных пластин на частоте, соответствующей резонансной частоте резонансной схемы в присутствии технологической текучей среды, причем генератор сигналов выполнен с возможностью изменять частоту сигнала переменного тока на основании изменяющихся свойств технологической текучей среды для поддержания резонанса и таким образом способствовать коагуляции по меньшей мере некоторых капель воды в технологической текучей среде.
2. Электростатический коагулятор по п. 1, в котором резонансная схема дополнительно выполнена с возможностью обеспечивать сигнал положительной обратной связи на генератор сигналов на основании изменяющихся свойств технологической текучей среды.
3. Электростатический коагулятор по п. 1, в котором изменяющиеся свойства технологической текучей среды представляют собой по меньшей мере одно из электрического сопротивления текучей среды, минерализации текучей среды или содержания воды в текучей среде.
4. Электростатический коагулятор по п. 1, в котором генератор сигналов содержит автогенератор, имеющий вход положительного контура, соединенный с резонансной схемой.
5. Электростатический коагулятор по п. 1, в котором внешняя стенка определяет трубку, имеющую круглое поперечное сечение.
6. Электростатический коагулятор по п. 1, в котором множество электродных пластин содержит параллельные линейные пластины.
7. Электростатический коагулятор по п. 6, в котором по меньшей мере поднабор множества электродных пластин покрыт изолирующим материалом.
8. Электростатический коагулятор по п. 1, дополнительно содержащий по меньшей мере один элемент для разбиения потока, расположенный между двумя смежными электродными пластинами, который выполнен с возможностью вызывать, по меньшей мере частично, турбулентное протекание потока технологической текучей среды между двумя соседними электродными пластинами.
9. Электростатический коагулятор по п. 1, дополнительно содержащий источник энергии, соединенный с внешней стенкой и выполненный с возможностью генерировать энергетическое поле на пути потока.
10. Электростатический коагулятор по п. 9, в котором источник энергии содержит по меньшей мере один из генератора ультразвуковых сигналов заданной формы и генератора микроволновых сигналов заданной формы.
11. Электростатический коагулятор по п. 1, в котором внешняя стенка определяет трубопровод или камеру.
12. Электростатический коагулятор по п. 1, дополнительно содержащий по меньшей мере один изолирующий элемент, расположенный по меньшей мере между двумя электродными пластинами.
13. Электростатический коагулятор по п. 1, в котором генератор сигналов выполнен с возможностью изменять частоту сигнала переменного тока на основании изменяющихся свойств технологической текучей среды для поддержания резонанса в условиях турбулентного потока.
14. Электростатический коагулятор, содержащий:
внешнюю стенку, определяющую путь потока, для приема технологической текучей среды, состоящей из углеводородной текучей среды и капель воды;
множество электродных пластин, расположенных в пределах пути потока; и
контроллер, содержащий:
индуктор, параллельно соединенный с множеством электродных пластин, причем индуктор, множество электродных пластин и технологическая текучая среда, когда она присутствует между электродными пластинами, определяют резонансную схему; и
генератор сигналов, соединенный с множеством электродных пластин и выполненный с возможностью приложения сигнала переменного тока к множеству электродных пластин на частоте, соответствующей резонансной частоте резонансной схемы в присутствии технологической текучей среды, причем генератор сигналов выполнен с возможностью изменять частоту сигнала переменного тока на основании изменяющихся свойств технологической текучей среды для поддержания резонанса и таким образом способствовать коагуляции по меньшей мере некоторых капель воды в технологической текучей среде, когда технологическая текучая среда представляет собой турбулентный поток текучей среды, причем изменяющиеся свойства технологической текучей среды представляют собой по меньшей мере одно из электрического сопротивления текучей среды, минерализации и содержания воды в текучей среде.
15. Электростатический коагулятор по п. 14, в котором резонансная схема дополнительно выполнена с возможностью обеспечивать сигнал положительной обратной связи на генератор сигналов на основании изменяющихся свойств технологической текучей среды.
16. Электростатический коагулятор по п. 14, в котором генератор сигналов содержит автогенератор, имеющий вход положительного контура, соединенный с резонансной схемой.
17. Электростатический коагулятор по п. 15, дополнительно содержащий по меньшей мере один элемент для разбиения потока, расположенный между двумя смежными электродными пластинами, который выполнен с возможностью вызывать, по меньшей мере частично, турбулентное протекание потока технологической текучей среды между двумя соседними электродными пластинами.
18. Электростатический коагулятор по п. 14, дополнительно, содержащий источник энергии, соединенный с внешней стенкой и выполненный с возможностью генерировать энергетическое поле на пути потока.
19. Электростатический коагулятор по п. 18, в котором источник энергии содержит по меньшей мере один из генератора ультразвуковых сигналов заданной формы и генератора микроволновых сигналов заданной формы.
20. Система разделения жидкости, содержащая:
электростатический коагулятор, содержащий:
внешнюю стенку, определяющую путь потока, для приема технологической текучей среды, состоящей из углеводородной текучей среды и капель воды;
множество электродных пластин, расположенных в пределах пути потока; и
контроллер, содержащий:
индуктор, параллельно соединенный с множеством электродных пластин, причем индуктор, множество электродных пластин и технологическая текучая среда, когда она присутствует между электродными пластинами, определяют резонансную схему; и
генератор сигналов, соединенный с множеством электродных пластин и выполненный с возможностью приложения сигнала переменного тока к множеству электродных пластин на частоте, соответствующей резонансной частоте резонансной схемы в присутствии технологической текучей среды, причем генератор сигналов выполнен с возможностью изменять частоту сигнала переменного тока на основании изменяющихся свойств технологической текучей среды для поддержания резонанса и таким образом способствовать коагуляции по меньшей мере некоторых капель воды в технологической текучей среде;
сепаратор, связанный по текучей среде с электростатическим коагулятором и расположенный ниже по потоку от электростатического коагулятора, причем сепаратор выполнен с возможностью отделять компонент диспергированной фазы от технологической текучей среды.
21. Система по п. 20, дополнительно содержащая трубопровод, связанный по текучей среде с электростатическим коагулятором и расположенный выше по потоку от электростатического коагулятора; и
вводное отверстие, расположенное в трубопроводе выше по потоку от электростатического коагулятора, для введения воды в технологическую текучую среду.
22. Система по п. 20, в которой источник энергии содержит по меньшей мере один из генератора ультразвуковых сигналов заданной формы и генератора микроволновых сигналов заданной формы.
23. Способ коагуляции капель воды, увлеченных углеводородной текучей средой, содержащий этапы, на которых:
предоставляют путь потока, для приема технологической текучей среды с увлеченными каплями воды;
располагают множество электродных пластин, расположенных в пределах пути потока;
предоставляют индуктор, параллельно соединенный с множеством электродных пластин, причем индуктор, множество электродных пластин и технологическая текучая среда, присутствующая между электродными пластинами, определяют резонансную схему, причем резонансная схема имеет переменную резонансную частоту, которая меняется на основании изменений в свойствах текучей среды;
определяют резонансную частоту резонансной схемы при прохождении технологической текучей среды через множество электродных пластин; и
прикладывают сигнал переменного тока к множеству электродных пластин на частоте, соответствующей определенной резонансной частоте резонансной схемы, так, чтобы таким образом способствовать коагуляции по меньшей мере некоторых капель воды в текучей среде.
24. Способ по п. 23, дополнительно содержащий этап, на котором прикладывают энергетическое поле к технологической текучей среде.
25. Способ по п. 24, в котором приложение энергетического поля содержит этап, на котором прикладывают по меньшей мере одно из ультразвукового энергетического поля или микроволнового энергетического поля.
