CN112940775B - 一种优化脉冲电场原油脱水参数的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及的是一种优化脉冲电场原油脱水参数的方法，它利用脉冲电场原油脱水试验装置进行，通过以下步骤完成：(一)电场构建间距确定；(二)考虑脱水介质响应的脉冲电场参数表达；(三)脉冲电场参数优化序列构建；(四)频率偏离级数的优化；(五)电场强度与占空比的优化，完成对脉冲电场原油脱水参数的优化，获取脉冲电场参数(f*、E*、D*)的优化设计值。本发明通过建立M‑N阶级脉冲电场参数优化序列，并将此三维空间序列在某一频率偏移级数下的二维平面序列作为电场参数优化的离散点，既将多项参数、多变量的优化实现了科学简化，又大幅缩小了参数调优范围，同时又有效提高了参数优化设计结果的实用性与精准性。

Description

一种优化脉冲电场原油脱水参数的方法
技术领域
本发明涉及的是油田地面集输系统油水分离工艺中，基于M-N阶级脉冲电场参数优化序列进行致密原油乳状液高压脉冲电源供电分离与运行参数优化技术，具体涉及的是一种优化脉冲电场原油脱水参数的方法。
背景技术
油水分离是油田进入含水开发期阶段地面工程的一项主要工作，一直以来，形成了基于油水密度差原理的重力沉降分离方法、基于破乳剂顶替油水界面乳化层原理的化学分离方法、基于水的极化特性原理的电场脱水方法，且这些方法在性质各异的采出原油乳状液破乳分离中发挥着重要作用，尤其电场脱水作为矿场原油商品化处理的关键工序，包括直流电场、交流电场、交-直流复合电场在原油脱水工程中均有广泛应用。近年来，面临油田含水率的上升、采油方式的多元化、采出原油乳状液性质的复杂化、以及边远零散区块加大勘探开发力度带来原油的老化等工程问题与需求，引入脉冲电场进行油水分离，在稳定电场构建、提高分离效率、改善净化效果方面受到了青睐。
这种脉冲电场是脉冲电源供电信号叠加在常规电脱水电压输出波形上形成的一种电场，由于脉冲具有高低电平的波形特性，处于脉冲电源供电电场内的致密乳状液能够更加充分地吸收电场能量，增大液滴的振动幅度，增加其与相邻水滴碰撞结合的机率，从而达到提升脱水效率的目的，同时，高低电位的瞬时跳跃，保证脱水电流周期性浮动，有效保障构建脱水电场的稳定性。然而，脉冲电场涉及电场强度、脉冲频率及占空比等多项参数及其与介质环境的适配性，尤其以油田碱/表面活性剂/聚合物三元复合驱采出含油多相介质为例，由于其中在注采过程中陆续返出有碱、表面活性剂及聚合物等驱油剂组分，使得原油乳状液体系电负性强、乳化液滴分散程度高、油水界面膜稳定性强，且随着这些组分返出浓度的变化，乳状液的致密程度相应改变，所以，即便引入脉冲电场应对了直流、交流或者交-直流供电脱水系统对于复杂性质致密乳状液处理过程中存在频繁短路跳闸、“垮电场”的生产运行难题，但笼统的脉冲电场参数难以适用于油田地面地下一体化开发模式下的动态生产，直接影响到净化油含水率、放水含油量指标及系统整体协调运行负荷与效率。这就提出了基于某种特定原油乳状液、或基于致密原油乳状液性质变化优化高压脉冲电场脱水参数的问题，突破工业化装置调参不便、样品量需求大、试验耗时长，特别是存在关键性多项电场参数及其调优范围宽的种种局限和难题，科学设计优化脉冲电场原油脱水参数的装置与方法显得尤为必要。
发明内容
本发明的目的是提供一种优化脉冲电场原油脱水参数的方法，这种优化脉冲电场原油脱水参数的方法用于解决现有技术对致密原油乳状液脱水分离过程中电场构建或维持困难、分离效率不高、净化效果不能充分保证的问题，以及原油乳状液性质变化对电场法脱水工艺运行参数适应性不强的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种优化脉冲电场原油脱水参数的方法利用脉冲电场原油脱水试验装置进行，通过以下步骤完成：
(一)电场构建间距确定：通过松紧绝缘棒螺丝，调节同轴电极的电极片位置H来反映并确定电场构建间距，电极片的位置H以其下端相对于锥形脱水试样瓶瓶底所处的高度表示，且由待脱水原油乳状液原始含水率来标定，对于体积为100mL、原始含水率为η的原油乳状液，其实现油水完全分离时，在锥形脱水试样瓶中分离出水位位置的高度为：
Figure BDA0002945497270000021
式中，H1为油水完全分离时分离出水位位置的高度，mm；η为原始含水率，％；α为锥形脱水试样瓶锥形顶角，rad；
考虑到构建电场后潜在的击穿效应，另取10mm的盈余，电极片的位置即在
Figure BDA0002945497270000022
高度处，于是获得电场构建间距；
将这种利用电极片位置反映并确定电场构建间距的方法写入PLC程序控制器，完成对电场构建间距的确定；
(二)考虑脱水介质响应的脉冲电场参数表达：脉冲频率f、电场强度E和占空比D是脉冲电场的主要参数，对于原油乳状液中的球形分散相液滴，其在脉冲电场中所受合力作用下以“球形-椭球形”往复振动中，当脉冲频率f与液滴自由振动频率f自由一致时，将产生共振使振幅最大，从而最大程度削弱油-水界面膜强度，于是，基于响应于最大振幅的液滴自由振动频率f自由即可表征脉冲频率f；
响应于最大振幅的液滴自由振动频率f自由为：
Figure BDA0002945497270000031
定义频率偏离因数ψ为：
Figure BDA0002945497270000032
则适合构建的脉冲电场的脉冲频率f可表达为：
Figure BDA0002945497270000033
式中，σ为油-水界面张力，N/m；d为分散相液滴的直径，m；ρ为分散相液滴的密度，kg/m3；
在脉冲电场中，使产生的电场力破坏油-水界面膜而实现分散相聚结的临界电场强度为：
Figure BDA0002945497270000034
在脉冲电场中，产生的电场力使分散相发生“电分散”的临界电场强度为：
Figure BDA0002945497270000035
式中，εr为相对介电常数；ε0为真空介电常数。
适合构建的脉冲电场的峰值电场强度E应满足：
E聚结≤E≤E分散
定义场频比
Figure BDA0002945497270000036
Figure BDA0002945497270000041
又有：
ε＝εrε0
式中，ε为绝对介电常数；
则有：
Figure BDA0002945497270000042
将上式中响应于脱水介质物性的参量整理提取有：
Figure BDA0002945497270000043
记作脱水介质物性因子c：
Figure BDA0002945497270000044
则适合构建的脉冲电场的峰值电场强度E为：
Figure BDA0002945497270000045
在脉冲电场中，由于电场具有高低电平的波形特性，实际响应于脱水介质的电场效应还与脉冲电场的占空比D有关：
Figure BDA0002945497270000046
式中：E有效为有效响应于脱水介质的电场强度，V/m；
在E有效≥E聚结时，
Figure BDA0002945497270000047
考虑原油乳状液具有电容性，实际响应的占空比应大于D，取1.25D，同时，考虑实际高频脉冲信号的占空比也达不到上限1，因此，适合构建的脉冲电场的占空比D满足：
Figure BDA0002945497270000048
完成考虑脱水介质响应的脉冲电场参数表达；
(三)脉冲电场参数优化序列构建：考虑脉冲电场的场频比
Figure BDA0002945497270000057
和占空比D均相关于频率偏离因数ψ，所以通过对频率偏离因数ψ进行离散获取频率偏离级数N：
N＝10·|1-ψ|
显然，当ψ为1，也就是分散相液滴在脉冲电场中产生共振时，频率偏离级数为0级，而以ψ从1上、下偏离0.1为例，频率偏离级数则相应增加一级，这样也就将ψ的连续区间转变为了离散节点；
于是，对于场频比ζ，取跃变节点数为M、等间距跃变长度为
Figure BDA0002945497270000051
而又由步骤(二)，对于考虑脱水介质响应而适合构建的脉冲电场，其场频比满足
Figure BDA0002945497270000052
则建立连续步长关系：
Figure BDA0002945497270000053
得跃变系数k：
Figure BDA0002945497270000054
则在N级频率偏离级数、M阶跃变节点数下，第Z个场频比ζ对应的跃变节点ζN,M,Z为：
Figure BDA0002945497270000055
联立跃变系数k有：
Figure BDA0002945497270000056
式中，对于ψ＜1时，取“-”，对于ψ＞1时，取“+”；
根据步骤(二)中考虑脱水介质响应而适合构建的脉冲电场场频比ζ与占空比D的表达，有：
0.4≤D≤0.9
同理，对于占空比D，取跃变节点数为M、等间距跃变长度为
Figure BDA0002945497270000061
而又由步骤(二)，对于考虑脱水介质响应而适合构建的脉冲电场，则通过建立连续步长关系，获取在N级频率偏离级数、M阶跃变节点数下，第Z个占空比D对应的跃变节点DN,M,Z为：
Figure BDA0002945497270000062
由此便基于相关于频率偏离因数ψ的频率偏离级数N及跃变节点数M，建立M阶N级(M-N阶级)中第Z个场频比、占空比的序列关系：
Figure BDA0002945497270000063
联立该序列关系与步骤(二)建立的脉冲电场峰值电场强度E及脉冲频率f表达，获得M-N阶级脉冲电场参数(f、E、D)优化序列：
Figure BDA0002945497270000064
其中，在ψ＜1时，取“-”；在ψ＞1时，取“+”；
Figure BDA0002945497270000065
将该M-N阶级脉冲电场参数优化序列的构建方法写入PLC程序控制器，完成脉冲电场参数优化序列构建；
(四)频率偏离级数的优化：从分散相液滴在脉冲电场中产生共振时的频率偏离级数N为0开始，至N为任一整数n时，由于频率偏离因数ψ的离散存在上、下偏离两种情况，所以对应频率偏离级数有2n+1个偏离点，即频率偏离级数的优化集为2n+1个偏离点；考虑对频率偏离级数优化中，首先应对频率偏离级数数量最小化，所以取最小跃变节点数，即M＝2，则结合步骤(三)，对于有2n+1个偏离点的优化集，有2n+1组2-N阶级脉冲电场参数优化序列：
Figure BDA0002945497270000071
对优化序列中的Z个场频比、占空比取平均值，则得到2n+1组2-N阶级脉冲电场参数优化序列为：
Figure BDA0002945497270000072
其中，
Figure BDA0002945497270000073
N＝0，1，...，n；对于ψ＜1时，取“-”；对于ψ＞1时，取“+”；
从而，基于获取的2n+1组2-N阶级脉冲电场参数优化序列，利用脉冲电场原油脱水装置进行试验，其中，同步骤(三)，将该获取的优化序列写入PLC程序控制器；结合频率偏离级数的优化集，取2n+1组已知含水率的原油乳状液，按步骤(一)对每组试验确定相同的电场构建间距，并设定相同的锥形槽式铝浴加热控温体温度、相同的破乳剂投加条件及相同的脉冲加电时间，从而得到各频率偏离级数N(N＝0，1，...，n)所对应峰值电场强度E、脉冲频率f及占空比D序列下的原油乳状液脱水效果，评价脉冲电场脱水效果，以净化油含水率指标、脱出水含油量指标均为最优，且脱水过程电流幅值最小、波动最为平稳时的脉冲电场参数序列对应的频率偏离级数作为优化的频率偏离级数，记作N*，获得相应的构建脉冲电场的脉冲频率，并记作f*；
其中，考虑到试验中随着脱水过程的进行，水位位置高度上升带来实际电场构建间距变化而影响电场强度的恒定性，进而给频率偏离级数优化带来不一致的脱水电场条件，对脱水时刻t时的加电电压放大倍数进行调节：
Figure BDA0002945497270000074
式中，βt为t时刻调节的放大倍数；EN,2为2-N阶级脉冲电场参数优化序列中的电场强度，V/m；H为电极片的位置，mm；ht为t时刻的水位位置高度，mm；U0为对应于EN,2经整流后的未放大电压，V；
脱水时刻t时水位位置高度的确定由装置的光学传感器和高亮LED组合实现，光学传感器吸收到高亮LED透过分离水相的光，将光信号转化为接收到的水位位置高度反馈给PLC程序控制器；同时将这种对应于电场构建间距的加电电压放大倍数调节方法写入PLC程序控制器；
完成对频率偏离级数的优化，实现了对脉冲频率的优化；
(五)电场强度与占空比的优化：频率偏离级数的优化获取使脉冲电场参数优化项得到有效减少，从而基于步骤(四)优化的频率偏离级数N*，建立M阶N*级(M-N*阶级)中第Zi个场频比、第Zj个占空比的序列关系，并与步骤(二)建立的脉冲电场峰值电场强度E及脉冲频率f的表达相联立，获得M-N*阶级脉冲电场参数(f、E、D)全优化序列：
Figure BDA0002945497270000081
其中，在ψ＜1时，取“-”；在ψ＞1时，取“+”；
Figure BDA0002945497270000082
全优化序列中成为了峰值电场强度E、占空比D两因素、M水平的简单优化问题；
相同于步骤(四)，按照峰值电场强度、占空比两因素、M水平的正交组合，利用脉冲电场原油脱水装置进行试验，并同样如步骤(三)，将该全优化序列写入PLC程序控制器；试验得到各峰值电场强度、占空比正交组合所对应脉冲电场参数全优化序列下的原油乳状液脱水效果，评价脉冲电场脱水效果，以净化油含水率指标和脱出水含油量指标均为最优，且脱水过程电流幅值最小、波动最为平稳时全优化序列中的峰值电场强度和占空比作为优化的电场强度和占空比，分别记作E*和D*；
完成对电场强度与占空比的优化；
完成对脉冲电场原油脱水参数的优化，获取脉冲电场参数(f*、E*、D*)的优化设计值；
所述脉冲电场原油脱水试验装置包括控制箱、加热箱、电极箱，控制箱内的控制电路调节模块、电极箱内的电场构建模块、加热箱内的振荡控温及水位监测模块构成脉冲电源供电系统，控制电路调节模块从PLC程序控制器分别引出电场控制电路、加热控制电路和振荡控制电路，其中，电场控制电路包括整流单元、频率脉宽调制板和多级耦合放大电路，加热控制电路通过加热单元连接至锥形槽式铝浴加热控温体，振荡控制电路直接连接减速电机，减速电机驱动往复式连杆机构实现锥形槽式铝浴加热控温体的混匀振荡；
电场构建模块设置同轴电极、弹性触极和锥形脱水试样瓶，电极箱自下向上分为同轴电极区和供电区，弹性内触极、弹性外触极位于供电区并通过电极箱箱顶设置，电极箱设置于加热箱上方，加热箱内设置锥形槽式铝浴加热控温体，锥形脱水试样瓶设置于锥形槽式铝浴加热控温体的锥形槽中，同轴电极与锥形脱水试样瓶的上端口螺纹连接，同轴电极的电极帽依靠内电极接触点、外电极接触点分别触发弹性内触极、弹性外触极，同轴电极的电极片和绝缘棒位于锥形脱水试样瓶内，电极片通过与绝缘棒采用螺丝松紧实现其上下调节，绝缘棒距离锥形脱水试样瓶锥尖5mm，实现脱水过程脉冲电场的施加；供电区通过绝缘导线外引连接至控制箱内电场控制电路的高压信号输出端，电极箱与加热箱之间通过将同轴电极旋入锥形脱水试样瓶与锥形槽式铝浴加热控温体进行互补配对连接；弹性内触极处于矩形对角线中心交点，弹性外触极分布在以弹性内触极为圆心、以10mm为半径的圆周上；
在锥形槽式铝浴加热控温体的锥形槽内壁铣出两条平行于锥形槽母线的条形槽，两条条形槽分别安放高亮LED和光学传感器，两条条形槽所成平面重合于锥形槽的轴线，光学传感器和高亮LED位于锥形脱水试样瓶外侧，光学传感器和高亮LED实现脱水过程的可视化监测，同时，光学传感器和高亮LED组合实现对脱水过程中水位位置高度的确定，光学传感器吸收到高亮LED透过分离水相的光，将光信号转化为接收到的水位位置高度，反馈给PLC程序控制器。
上述方案中振荡控温及水位监测模块包括所述锥形槽式铝浴加热控温体、加热单元、所述减速电机、所述高亮LED和所述光学传感器；加热箱自下而上分别为电机室、摇杆振荡区、加热室，加热箱和加热室金属外壳之间采用可摆动的中空滚动轴承连接，加热室中心为锥形槽式铝浴加热控温体，加热室与锥形槽式铝浴加热控温体之间填充玻璃纤维保温材料，锥形槽式铝浴加热控温体利用红外电阻丝和温度传感器作为加热单元连接至加热控制电路；摇杆振荡区的一根摇杆上端连接加热室，下端连接固定在减速电机传动轴的曲柄卡槽。
上述方案中高亮LED和光学传感器均与锥形脱水试样瓶瓶壁相距5mm，并且高亮LED的安装高度低于光学传感器部位5mm，光学传感器利用耐高温环氧树脂胶胶合黏结，高亮LED通过可拆卸式螺丝固定。
上述方案中黏结光学传感器的条形槽壁下部直角边被做成30°的斜面，保证发出垂直于锥形母线方向的平行光最低点能反馈于光学传感器上，实现可视化监测中对低水位高度的监测，保证水位位置高度读取的完整性，扩大水位监测适用范围；在锥形槽底部锥尖处，利用月牙形挡板将高亮LED29和光学传感器间隔于两侧，从而有效避免从锥形槽底部缝隙产生漏光，保证低水位时水位监测高度读取的准确性，也为脱水参数优化中电场的稳定构建提供基础和依据。
上述方案中加热室与摇杆连接点距离加热箱室外壳左侧及底部边缘均为10cm。
上述方案中电极帽的内电极接触点、外电极接触点之间用四氟绝缘层相隔开。
上述方案中弹性内触极、弹性外触极的直径均为4mm，通过将锥形槽式铝浴加热控温体凸起6mm来定位，使弹性内触极、弹性外触极与同轴电极的电极帽内电极接触点、外电极接触点相对应。
上述方案中同轴电极的绝缘棒距离锥形脱水试样瓶锥尖5mm。
上述方案中加热室前后两矩形直角面为斜面，金属外壳与加热箱体前后壁面成60°，并在之间余出10mm间隙。
本发明具有以下有益效果：
(一)本发明优化脉冲电场原油脱水参数的方法利用自由频率的物理特性，引入频率偏离因数并对其进行离散获取频率偏离级数来描述脉冲频率参数，同时，结合高压脉冲电场中乳化液滴的力学行为，引入场频比参量，建立了脉冲电场参数的表达形式，且这种表达充分考虑了脱水介质的响应，从而使脱水参数的优化更具基础、更趋可靠。
(二)本发明优化脉冲电场原油脱水参数的方法通过建立M-N阶级脉冲电场参数优化序列，并将此三维空间序列在某一频率偏移级数下的二维平面序列作为电场参数优化的离散点，既将多项参数、多变量的优化实现了科学简化，又大幅缩小了参数调优范围，同时又有效提高了参数优化设计结果的实用性与精准性，有益于促进复杂性质致密原油乳状液脉冲电场脱水技术的应用，并使其从笼统化运行向个性化运行设计的转变，保证动态生产过程中采出液的达标、提效处理。
(三)本发明优化脉冲电场原油脱水参数的方法以频率偏移级数的优化为先，再通过优化序列实现电场强度与占空比的优化，既反映了将多变量的优化问题有效简化，又使电场强度与占空比的优化中参数调优范围进一步缩小，实现在有限方案、短周期下优化脉冲电场原油脱水参数，同时保证优化结果的适用性与可靠性。
(四)本发明方法科学，原理明确、可行，结构合理，技术参数规范、可调，能突破工业化脉冲电源供电脱水装置面对最优化运行时，调参不便、样品量需求大、试验耗时长，特别是存在关键性多项电场参数及其调优范围宽的局限和难题，有效提供一种充分考虑致密原油乳状液乳化特性的脉冲电场原油脱水参数优化装置及方法，可操作性和实用性强。
(五)本发明填补了运用科学化试验和理论方法前瞻性指导油田多元化采油方式下形成致密原油乳状液脉冲电场脱水参数优化设计的空白，能够为油田地面工程集输系统运行实现最及时有效的跟踪调整、最小尺度个性化工艺运行参数的设计提供科学手段和依据，既可应用在油田矿场复杂性质采出液处理领域，又可推广应用到炼化行业原油的水洗脱盐工艺运行优化中，同时，也为解决相关工程中多参数组合优化问题提供了借鉴。
(六)本发明脉冲电场原油脱水试验装置采用往复式连杆机构连接填充玻璃纤维保温材料的加热箱箱体，实现箱体内锥形槽式铝浴加热控温体的混匀振荡，最大限度减少混匀振荡过程中与空气强制对流引起的散热损失，并将摇杆通过销钉活接在加热箱箱体外侧，极大地方便了往复式连杆机构构件的检查维护与更换，强化摇杆摆动对加热箱箱体的转矩，使混匀振荡单元具有一定承载能力的同时，适当提升锥形槽式铝浴加热控温体中锥形脱水试样瓶的振荡幅度，保证消除脉冲电场脱水实验中局部破乳不均匀的外在影响，提升脉冲电场脱水参数优化的可靠性。
(七)本发明脉冲电场原油脱水试验装置充分考虑水位位置高度变化对电场运行稳定性的影响，在将电极片位置关联于电场构建间距而进行高度标定的基础上，实现由PLC程序控制器根据水位位置高度与电场强度波动的关系实时调控电压放大倍数，进而实现脉冲电场脱水过程中电场场强及波形的一致性，获得优化集试验相同而稳定的场频比，避免“垮电场”现象出现，保证优化方案的可比性和优化结果的可靠性。
(八)本发明脉冲电场原油脱水试验装置呈一体化设计，尤其加热箱部件自下而上设为电机室、摇杆振荡区和加热室，将具有一定承载能力的混匀振荡单元并入镂空的加热箱下部，大幅节省装置的占用空间。
(九)本发明考虑致密原油乳状液对脉冲电场脱水的适应性及其脱水性能的潜在影响，通过搭建参数连续可调的脉冲电场、调节传统较为笼统化的参数组合结构，建立可实现脱水运行参数实时调控的脉冲电场原油脱水试验装置，形成一套适用于致密原油乳状液脉冲电源供电脱水参数优化设计的试验方法，以科学指导脉冲电场法油水分离工艺设计，特别是有针对性地为智慧油田建设背景下三元复合驱地面工程原油脱水系统设计建设的标准化与其运行的稳定化、高效化提供解决方案。
附图说明：
图1是本发明的原理结构示意图；
图2是本发明中加热箱正视图；
图3是本发明中A部局部放大图；
图4是本发明中分散相液滴响应于脉冲电场的原理示意图。
图中：1.控制箱；2.加热箱；3.电极箱；4.控制电路调节模块；5.电场构建模块；6.振荡控温及水位监测模块；7.PLC程序控制器；8.电场控制电路；9.加热控制电路；10.振荡控制电路；11.电路板；12.高压信号输出端；13.整流单元；14.频率脉宽调制板；15.多级耦合放大电路；16.同轴电极；17.弹性内触极；18.弹性外触极；19.供电区；20.电极帽；21.电极片；22.绝缘棒；23.加热单元；24.锥形槽式铝浴加热控温体；25.锥形脱水试样瓶；26.减速电机；27.减速电机传动轴；28.曲柄卡槽；29.高亮LED；30.光学传感器；31.摇杆；32.中空滚动轴承；33.玻璃纤维保温材料；34.金属氧化铝棉；35.绝缘支架；36.月牙形挡板；37.底盘；38.控制面板；39分散相液滴；40.脉冲电场；41水位位置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
这种优化脉冲电场原油脱水参数的方法利用脉冲电场原油脱水试验装置进行。
结合图1-图4所示，这种脉冲电场原油脱水试验装置主要包括控制箱1、加热箱2和电极箱3三大部件，核心部分脉冲电源供电系统由控制箱1内的控制电路调节模块4、电极箱3内的电场构建模块5、填充玻璃纤维保温材料33的加热箱2内的振荡控温及水位监测模块6构成。控制电路调节模块4从PLC程序控制器7分别引出电场控制电路8、加热控制电路9和振荡控制电路10。其中，电场控制电路8从外部接线口引出，依次连接电路板11上的整流单元13、由PLC程序控制器7调控的频率脉宽调制板14、以及多级耦合放大电路15，放大后的脉冲信号通过接线传输至电极箱3的供电区19，供电区19内的弹性内触极17、弹性外触极18能够被已旋入锥形脱水试样瓶25的同轴电极16顶部的电极帽20所触发，这种电极帽20上表面由四氟绝缘层分隔为内、外电极接触点，由此可实现脉冲电源供电方式。加热控制电路9通过加热单元23连接至锥形槽式铝浴加热控温体24。振荡控制电路10直接连接减速电机26，并在主电路中增设保护电路。电场构建模块5设置同轴电极16、弹性内触极17、弹性外触极18和锥形脱水试样瓶25。振荡控温及水位监测模块6设置锥形槽式铝浴加热控温体24、加热单元23、减速电机26、高亮LED29和光学传感器30。
控制箱1由底盘37支撑，箱内安放焊有电场控制电路8的电路板11，并通过绝缘支架35支撑，绝缘支架35底部利用螺丝固定，控制箱1的控制面板38自左向右为人机数据交互触控屏及功能按钮区，触控屏及功能键通过导线连接PLC程序控制器7，并利用夹子紧固连接，PLC程序控制器7背面四角凹槽与装置合金钢外壳进行螺钉连接固定。
在控制箱1右侧采用80mm厚金属氧化铝棉34隔开的加热箱2中，自下而上分别为电机室、摇杆振荡区和加热室，电机室内的减速电机26相接于振荡控制电路10，并通过螺钉将减速电机26固定于底盘37，摇杆振荡区采用往复式连杆机构，一根摇杆31向上通过销钉连接加热室外壁、向下通过销钉连接固定在减速电机传动轴27的曲柄卡槽28，同时将曲柄卡槽28另一端连接减速电机传动轴27并利用铆钉紧固，由此可实现脱水过程添加破乳剂的振荡混匀。加热室中心为锥形槽式铝浴加热控温体24，其利用红外电阻丝和温度传感器作为加热单元23连接至加热控制电路9，由此可实现脱水过程温度的控制。
电极箱3自下向上分为同轴电极区和供电区19，供电区19内直径均为4mm的弹性内触极17、弹性外触极18位于箱体上表面内侧，且弹性内触极17处于矩形对角线中心交点，对应的弹性外触极18则分布在以弹性内触极17为圆心、以10mm为半径的圆周上。供电区19通过绝缘导线外引连接至左侧控制箱1内电场控制电路8的高压信号输出端12。同轴电极16的电极片21通过与绝缘棒22采用螺丝松紧实现其上下调节，同轴电极16则与锥形脱水试样瓶25之间由瓶口螺纹连接，绝缘棒22距离锥形脱水试样瓶25锥底顶点5mm，由此可实现脱水过程脉冲电场的施加。
电极箱3与加热箱2之间通过将同轴电极16旋入锥形脱水试样瓶25与锥形槽式铝浴加热控温体24进行互补配对连接，在锥形槽式铝浴加热控温体24的锥形槽内壁铣出两条平行于锥形槽母线的条形槽，安放均由导线相接于振荡控温及水位监测模块6的高亮LED29和光学线传感器30，高亮LED 29和光学传感器30均与锥形脱水试样瓶25瓶壁相距5mm，两条条形槽所成平面重合于锥形槽的轴线，其中光学传感器30利用耐高温环氧树脂胶胶合黏结，高亮LED29则通过可拆卸式螺丝固定于条形槽底部，由此可实现脱水过程的可视化监测。同时，光学传感器30和高亮LED 29组合实现对脱水过程中水位位置41高度的确定，光学传感器30吸收到高亮LED 29透过分离水相的光，将光信号转化为接收到的水位位置41高度，进而反馈给PLC程序控制器7。
图2提供了加热箱2的正视图，如图所示，将锥形槽式铝浴加热控温体24凸起6mm以方便弹性内触极17和弹性外触极18定位精确，加热箱2的加热室与箱体之间采用中空滚动轴承32来支撑并进行活接，加热箱2与摇杆31连接点距离加热箱2箱体左侧及底部边缘均为10cm，加热箱2箱体前后两矩形直角面为斜面，金属外壁与箱体前后壁面成60°角，并在之间余出10mm间隙，保证添加破乳剂混匀振荡过程与金属外壁不发生摩擦、碰撞的前提下，既可以使振荡系统具有一定的承载能力，又能适当提高放置于锥形槽式铝浴加热控温体24中锥形脱水试样瓶25的振动幅度，改善试样的破乳脱水效果，为脉冲电场脱水参数优化消除局部破乳不均匀的外在影响，提升脉冲电场脱水参数优化的可靠性。
图3是本发明中A部局部放大图，提供了加热箱2内锥形槽式铝浴加热控温体24中可视化监测单元的结构示意图，如图所示，将高亮LED 29安装在光学传感器30下方5mm处，且将黏结光学传感器30的槽壁下部直角边做成30°的斜面，保证发出垂直于锥形母线方向的平行光最低点能反馈于光学传感器30上，由此可实现可视化监测中对低水位高度的监测，保证水位位置41高度读取的完整性，扩大水位监测适用范围。考虑到锥形脱水试样瓶25与槽壁不严密配合产生缝隙，同时兼顾高亮LED29近距离产生散射光的问题，在锥形槽底部顶点处，利用月牙形挡板36将高亮LED29和光学传感器30间隔于两侧，从而有效避免从锥形槽底部缝隙产生漏光，保证低水位时水位监测高度读取的准确性，也为脱水参数优化中电场的稳定构建提供基础和依据。
于是，基于本发明中的装置，通过PLC程序控制器7接受光学传感器30传输的水位界面高度信息，同时针对脱水过程中脉冲电流的变化，在触控屏上呈现脱水水位位置41高度、脉冲电流、以及二者随脱水时间的变化，获得对脉冲电场脱水运行稳定性的评价；对脱水后锥形脱水试样瓶25油水两相进行取样检测，获得净化油含水率和脱出水含油量，实现对脉冲电场脱水效果的评价，其中净化油含水率检测采用蒸馏法，脱出水含油量检测采用分光光度法；基于写入PLC程序控制器7内关于一定含水率时，电场构建间距确定与M-N阶级脉冲电场参数优化序列生成的计算程序，以及为恒定电场强度而调控脱水过程中水位位置41高度改变时，电压放大倍数与电场构建间距相对应的计算程序，便可根据有限方案下的脱水效果优化脱水参数，获得对脉冲电场原油脱水参数的优化。
本发明优化脉冲电场原油脱水参数的方法具体如下：
(一)电场构建间距确定。通过松紧绝缘棒22螺丝，调节同轴电极16的电极片21位置H来反映并确定电场构建间距，电极片21的位置H则以其下端相对于锥形脱水试样瓶25瓶底所处的高度表示，且由待脱水原油乳状液原始含水率来标定。对于体积为100mL、原始含水率为η的原油乳状液，其实现油水完全分离时，在锥形脱水试样瓶25中分离出水位位置41的高度为：
Figure BDA0002945497270000161
式中，H1为油水完全分离时分离出水位的高度，mm；η为原始含水率，％；α为锥形脱水试样瓶25锥形顶角，rad。
考虑到构建电场后潜在的击穿效应，另取10mm的盈余，电极片21的位置即在
Figure BDA0002945497270000162
高度处，于是获得了电场构建间距。
将这种利用电极片21位置反映并确定电场构建间距的方法写入PLC程序控制器7，由此便完成了对电场构建间距的确定。
重复该步骤，完成适合于另一原始含水率原油乳状液脱水脉冲电场构建间距的确定。
(二)考虑脱水介质响应的脉冲电场参数表达。脉冲频率f、电场强度E和占空比D是脉冲电场的主要参数，对于原油乳状液中的球形分散相液滴39，其在脉冲电场40中所受合力作用下以“球形-椭球形”往复振动中，当脉冲频率f与液滴自由振动频率f自由一致时，将产生共振使振幅最大，从而最大程度削弱油-水界面膜强度，于是，基于响应于最大振幅的液滴自由振动频率f自由即可表征脉冲频率f这一参数。
响应于最大振幅的液滴自由振动频率f自由为：
Figure BDA0002945497270000171
定义频率偏离因数ψ为：
Figure BDA0002945497270000172
则适合构建的脉冲电场40的脉冲频率f可表达为：
Figure BDA0002945497270000173
式中，σ为油-水界面张力，N/m；d为分散相液滴的直径，m；ρ为分散相液滴的密度，kg/m3。
在脉冲电场40中，足以使产生的电场力破坏油-水界面膜而实现分散相液滴39聚结的临界电场强度为：
Figure BDA0002945497270000174
在脉冲电场40中，产生的电场力使分散相液滴39发生“电分散”的临界电场强度为：
Figure BDA0002945497270000175
上式中，εr为相对介电常数；ε0为真空介电常数。
从而，适合构建的脉冲电场40的峰值电场强度E应满足：
E聚结≤E≤E分散
定义场频比
Figure BDA0002945497270000177
Figure BDA0002945497270000176
又有：
ε＝εrε0
式中，ε为绝对介电常数。
则有：
Figure BDA0002945497270000181
将上式中响应于脱水介质物性的参量整理提取有：
Figure BDA0002945497270000182
记作脱水介质物性因子c：
Figure BDA0002945497270000183
则适合构建的脉冲电场40的峰值电场强度E为：
Figure BDA0002945497270000184
在脉冲电场40中，由于电场具有高低电平的波形特性，实际响应于脱水介质的电场效应还与脉冲电场40的占空比D有关：
Figure BDA0002945497270000185
式中：E有效为有效响应于脱水介质的电场强度，V/m。
在E有效≥E聚结时，
Figure BDA0002945497270000186
而考虑原油乳状液具有电容性，实际响应的占空比应大于D，取1.25D，同时，考虑实际高频脉冲信号的占空比也达不到上限1，因此，适合构建的脉冲电场40的占空比D满足：
Figure BDA0002945497270000187
由此便完成了考虑脱水介质响应的脉冲电场参数表达。
重复该步骤，完成响应于另一性质原油乳状液介质脱水的脉冲电场参数表达。
(三)脉冲电场参数优化序列构建。考虑脉冲电场40的场频比
Figure BDA0002945497270000188
和占空比D均相关于频率偏离因数ψ，所以通过对频率偏离因数ψ进行离散获取频率偏离级数N：
N＝10·|1-ψ|
显然，当ψ为1，也就是分散相液滴39在脉冲电场40中产生共振时，频率偏离级数为0级，而以ψ从1上、下偏离0.1为例，频率偏离级数则相应增加一级，这样也就将ψ的连续区间转变为了离散节点。
于是，对于场频比ζ，取跃变节点数为M、等间距跃变长度为
Figure BDA0002945497270000191
而又由步骤(二)，对于考虑脱水介质响应而适合构建的脉冲电场40，其场频比满足
Figure BDA0002945497270000192
则建立连续步长关系：
Figure BDA0002945497270000193
得跃变系数k：
Figure BDA0002945497270000194
则在N级频率偏离级数、M阶跃变节点数下，第Z个场频比ζ对应的跃变节点ζN,M,Z为：
Figure BDA0002945497270000195
联立跃变系数k有：
Figure BDA0002945497270000196
式中，对于ψ＜1时，取“-”，对于ψ＞1时，取“+”。
根据步骤(二)中考虑脱水介质响应而适合构建的脉冲电场40场频比ζ与占空比D的表达，有：
0.4≤D≤0.9
同理，对于占空比D，取跃变节点数为M、等间距跃变长度为
Figure BDA0002945497270000197
而又由步骤(二)，对于考虑脱水介质响应而适合构建的脉冲电场40，则通过建立连续步长关系，获取在N级频率偏离级数、M阶跃变节点数下，第Z个占空比D对应的跃变节点DN,M,Z为：
Figure BDA0002945497270000201
由此便基于相关于频率偏离因数ψ的频率偏离级数N及跃变节点数M，建立M阶N级(M-N阶级)中第Z个场频比、占空比的序列关系：
Figure BDA0002945497270000202
联立该序列关系与步骤(二)建立的脉冲电场40峰值电场强度E及脉冲频率f表达，获得M-N阶级脉冲电场参数(f、E、D)优化序列：
Figure BDA0002945497270000203
其中，在ψ＜1时，取“-”；在ψ＞1时，取“+”；
Figure BDA0002945497270000204
将该M-N阶级脉冲电场参数优化序列的构建方法写入PLC程序控制器，由此便完成了脉冲电场参数优化序列构建。
重复该步骤，完成对另一性质原油乳状液介质脱水的脉冲电场参数优化序列构建。
(四)频率偏离级数的优化。从分散相液滴39在脉冲电场40中产生共振时的频率偏离级数N为0开始，至N为任一整数n时，由于频率偏离因数ψ的离散存在上、下偏离两种情况，所以对应频率偏离级数有2n+1个偏离点，即频率偏离级数的优化集为2n+1个偏离点。考虑对频率偏离级数优化中，首先应对频率偏离级数数量最小化，所以取最小跃变节点数，即M＝2，则结合步骤(三)，对于有2n+1个偏离点的优化集，有2n+1组2-N阶级脉冲电场参数优化序列：
Figure BDA0002945497270000211
对优化序列中的Z个场频比、占空比取平均值，则得到2n+1组2-N阶级脉冲电场参数优化序列为：
Figure BDA0002945497270000212
其中，
Figure BDA0002945497270000213
N＝0，1，...，n；对于ψ＜1时，取“-”；对于ψ＞1时，取“+”。
从而，基于获取的2n+1组2-N阶级脉冲电场参数优化序列，利用本发明解决其技术问题的脉冲电场原油脱水参数优化装置进行试验，其中，同步骤(三)，将该获取的优化序列写入装置的PLC程序控制器7。结合频率偏离级数的优化集，取2n+1组已知含水率的原油乳状液，按步骤(一)对每组试验确定相同的电场构建间距，并设定相同的锥形槽式铝浴加热控温体24温度、相同的破乳剂投加条件及相同的脉冲加电时间，从而得到各频率偏离级数N(N＝0，1，...，n)所对应峰值电场强度E、脉冲频率f及占空比D序列下的原油乳状液脱水效果，评价脉冲电场脱水效果，以净化油含水率指标、脱出水含油量指标均为最优，且脱水过程电流幅值最小、波动最为平稳时的脉冲电场参数序列对应的频率偏离级数作为优化的频率偏离级数，记作N*，获得相应的构建脉冲电场40的脉冲频率，并记作f*。
其中，考虑到试验中随着脱水过程的进行，水位位置41高度上升带来实际电场构建间距变化而影响电场强度的恒定性，进而给频率偏离级数优化带来不一致的脱水电场条件，对脱水时刻t时的加电电压放大倍数进行调节：
Figure BDA0002945497270000214
式中，βt为t时刻调节的放大倍数；EN,2为2-N阶级脉冲电场参数优化序列中的电场强度，V/m；H为电极片的位置，mm；ht为t时刻的水位位置高度，mm；U0为对应于EN,2经整流后的未放大电压，V。
脱水时刻t时水位位置41高度的确定由装置的光学传感器30和高亮LED29组合实现，光学传感器30吸收到高亮LED29透过分离水相的光，将光信号转化为接收到的水位位置41高度反馈给PLC程序控制器7。同时将这种对应于电场构建间距的加电电压放大倍数调节方法写入装置的PLC程序控制器7。
由此完成对频率偏离级数的优化，也便实现了对脉冲频率的优化。
重复该步骤，完成对另一性质原油乳状液介质脱水的频率偏离级数优化，获得构建脉冲电场的最优脉冲频率。
(五)电场强度与占空比的优化。频率偏离级数的优化获取使脉冲电场参数优化项得到有效减少，从而基于步骤(四)优化的频率偏离级数N*，可建立M阶N*级(M-N*阶级)中第Zi个场频比、第Zj个占空比的序列关系，并与步骤(二)建立的脉冲电场40峰值电场强度E及脉冲频率f的表达相联立，获得M-N*阶级脉冲电场参数(f、E、D)全优化序列：
Figure BDA0002945497270000221
其中，在ψ＜1时，取“-”；在ψ＞1时，取“+”；
Figure BDA0002945497270000222
显然，全优化序列中成为了峰值电场强度E、占空比D两因素、M水平的简单优化问题。
相同于步骤(四)，按照峰值电场强度、占空比两因素、M水平的正交组合，利用本发明解决其技术问题的脉冲电场原油脱水参数优化装置进行试验，并同样如步骤(三)，将该全优化序列写入装置的PLC程序控制器7。试验得到各峰值电场强度、占空比正交组合所对应脉冲电场参数全优化序列下的原油乳状液脱水效果，评价脉冲电场脱水效果，以净化油含水率指标和脱出水含油量指标均为最优，且脱水过程电流幅值最小、波动最为平稳时全优化序列中的峰值电场强度和占空比作为优化的电场强度和占空比，分别记作E*和D*。
由此便完成对电场强度与占空比的优化。
重复该步骤，完成对另一性质原油乳状液介质脱水的电场强度和占空比优化。
此发明解决其技术问题的脉冲电场原油脱水参数优化方法主要分为五步法，通过利用本发明解决其技术问题的脉冲电场原油脱水参数优化装置，首先进行电场构建间距确定，其次考虑脱水介质的响应，建立脉冲电场参数表达，然后针对多项电场参数及其调优范围宽的问题，构建脉冲电场参数优化序列，从而以这些步骤为基础，依次进行频率偏离级数优化、电场强度与占空比优化，实现从缩小参数调优范围到获取脉冲电场参数的优化值，为任一性质致密原油乳状液高效脱水工艺方法的选取及其运行参数设计提供了可靠的手段与科学方法，对于促进以化学复合驱为代表的多元化采油方式推广应用、破解制约采出液达标提效处理的难题具有积极作用，也对智能化油田建设中地面工程技术系列的形成与其精细化低碳运行具有驱动作用。

Claims (9)

1.一种优化脉冲电场原油脱水参数的方法，其特征在于：这种优化脉冲电场原油脱水参数的方法利用脉冲电场原油脱水试验装置进行，通过以下步骤完成：
(一)电场构建间距确定：通过松紧绝缘棒(22)螺丝，调节同轴电极(16)的电极片(21)位置H来反映并确定电场构建间距，电极片(21)的位置H以其下端相对于锥形脱水试样瓶瓶底所处的高度表示，且由待脱水原油乳状液原始含水率来标定，对于体积为100mL、原始含水率为η的原油乳状液，其实现油水完全分离时，在锥形脱水试样瓶(25)中分离出水位位置的高度为：
Figure FDA0002945497260000011
式中，H1为油水完全分离时分离出水位位置的高度，mm；η为原始含水率，％；α为锥形脱水试样瓶锥形顶角，rad；
考虑到构建电场后潜在的击穿效应，另取10mm的盈余，电极片(21)的位置即在
Figure FDA0002945497260000012
高度处，于是获得电场构建间距；
将这种利用电极片(21)位置反映并确定电场构建间距的方法写入PLC程序控制器(7)，完成对电场构建间距的确定；
(二)考虑脱水介质响应的脉冲电场参数表达：脉冲频率f、电场强度E和占空比D是脉冲电场的主要参数，对于原油乳状液中的球形分散相液滴，其在脉冲电场中所受合力作用下以“球形-椭球形”往复振动中，当脉冲频率f与液滴自由振动频率f自由一致时，将产生共振使振幅最大，从而最大程度削弱油-水界面膜强度，于是，基于响应于最大振幅的液滴自由振动频率f自由即可表征脉冲频率f；
响应于最大振幅的液滴自由振动频率f自由为：
Figure FDA0002945497260000013
定义频率偏离因数ψ为：
Figure FDA0002945497260000021
则适合构建的脉冲电场的脉冲频率f可表达为：
Figure FDA0002945497260000022
式中，σ为油-水界面张力，N/m；d为分散相液滴的直径，m；ρ为分散相液滴的密度，kg/m3；
在脉冲电场(40)中，使产生的电场力破坏油-水界面膜而实现分散相聚结的临界电场强度为：
Figure FDA0002945497260000023
在脉冲电场(40)中，产生的电场力使分散相发生“电分散”的临界电场强度为：
Figure FDA0002945497260000024
式中，εr为相对介电常数；ε0为真空介电常数；
适合构建的脉冲电场的峰值电场强度E应满足：
E聚结≤E≤E分散
定义场频比ζ：
Figure FDA0002945497260000025
又有：
ε＝εrε0
式中，ε为绝对介电常数；
则有：
Figure FDA0002945497260000026
将上式中响应于脱水介质物性的参量整理提取有：
Figure FDA0002945497260000031
记作脱水介质物性因子c：
Figure FDA0002945497260000032
则适合构建的脉冲电场的峰值电场强度E为：
Figure FDA0002945497260000033
在脉冲电场(40)中，由于电场具有高低电平的波形特性，实际响应于脱水介质的电场效应还与脉冲电场的占空比D有关：
Figure FDA0002945497260000034
式中：E有效为有效响应于脱水介质的电场强度，V/m；
在E有效≥E聚结时，
Figure FDA0002945497260000035
考虑原油乳状液具有电容性，实际响应的占空比应大于D，取1.25D，同时，考虑实际高频脉冲信号的占空比也达不到上限1，因此，适合构建的脉冲电场的占空比D满足：
Figure FDA0002945497260000036
完成考虑脱水介质响应的脉冲电场参数表达；
(三)脉冲电场参数优化序列构建：考虑脉冲电场的场频比ζ和占空比D均相关于频率偏离因数ψ，所以通过对频率偏离因数ψ进行离散获取频率偏离级数N：
N＝10·|1-ψ|
显然，当ψ为1，也就是分散相液滴(39)在脉冲电场(40)中产生共振时，频率偏离级数为0级，而以ψ从1上、下偏离0.1为例，频率偏离级数则相应增加一级，这样也就将ψ的连续区间转变为了离散节点；
于是，对于场频比ζ，取跃变节点数为M、等间距跃变长度为
Figure FDA0002945497260000037
而又由步骤(二)，对于考虑脱水介质响应而适合构建的脉冲电场，其场频比满足
Figure FDA0002945497260000041
则建立连续步长关系：
Figure FDA0002945497260000042
得跃变系数k：
Figure FDA0002945497260000043
则在N级频率偏离级数、M阶跃变节点数下，第Z个场频比ζ对应的跃变节点ζN,M,Z为：
Figure FDA0002945497260000044
联立跃变系数k有：
Figure FDA0002945497260000045
式中，对于ψ＜1时，取“-”，对于ψ＞1时，取“+”；
根据步骤(二)中考虑脱水介质响应而适合构建的脉冲电场场频比ζ与占空比D的表达，有：
0.4≤D≤0.9
同理，对于占空比D，取跃变节点数为M、等间距跃变长度为
Figure FDA0002945497260000046
而又由步骤(二)，对于考虑脱水介质响应而适合构建的脉冲电场(40)，则通过建立连续步长关系，获取在N级频率偏离级数、M阶跃变节点数下，第Z个占空比D对应的跃变节点DN,M,Z为：
Figure FDA0002945497260000047
由此便基于相关于频率偏离因数ψ的频率偏离级数N及跃变节点数M，建立M阶N级(M-N阶级)中第Z个场频比、占空比的序列关系：
Figure FDA0002945497260000051
联立该序列关系与步骤(二)建立的脉冲电场峰值电场强度E及脉冲频率f表达，获得M-N阶级脉冲电场参数(f、E、D)优化序列：
Figure FDA0002945497260000052
其中，在ψ＜1时，取“-”；在ψ＞1时，取“+”；
Figure FDA0002945497260000053
将该M-N阶级脉冲电场参数优化序列的构建方法写入PLC程序控制器，完成脉冲电场参数优化序列构建；
(四)频率偏离级数的优化：从分散相液滴(39)在脉冲电场(40)中产生共振时的频率偏离级数N为0开始，至N为任一整数n时，由于频率偏离因数ψ的离散存在上、下偏离两种情况，所以对应频率偏离级数有2n+1个偏离点，即频率偏离级数的优化集为2n+1个偏离点；考虑对频率偏离级数优化中，首先应对频率偏离级数数量最小化，所以取最小跃变节点数，即M＝2，则结合步骤(三)，对于有2n+1个偏离点的优化集，有2n+1组2-N阶级脉冲电场参数优化序列：
Figure FDA0002945497260000054
对优化序列中的Z个场频比、占空比取平均值，则得到2n+1组2-N阶级脉冲电场参数优化序列为：
Figure FDA0002945497260000055
其中，
Figure FDA0002945497260000063
对于ψ＜1时，取“-”；对于ψ＞1时，取“+”；
从而，基于获取的2n+1组2-N阶级脉冲电场参数优化序列，利用脉冲电场原油脱水装置进行试验，其中，同步骤(三)，将该获取的优化序列写入PLC程序控制器(7)；结合频率偏离级数的优化集，取2n+1组已知含水率的原油乳状液，按步骤(一)对每组试验确定相同的电场构建间距，并设定相同的锥形槽式铝浴加热控温体温度、相同的破乳剂投加条件及相同的脉冲加电时间，从而得到各频率偏离级数N(N＝0，1，...，n)所对应峰值电场强度E、脉冲频率f及占空比D序列下的原油乳状液脱水效果，评价脉冲电场脱水效果，以净化油含水率指标、脱出水含油量指标均为最优，且脱水过程电流幅值最小、波动最为平稳时的脉冲电场参数序列对应的频率偏离级数作为优化的频率偏离级数，记作N*，获得相应的构建脉冲电场的脉冲频率，并记作f*；
其中，考虑到试验中随着脱水过程的进行，水位位置(41)高度上升带来实际电场构建间距变化而影响电场强度的恒定性，进而给频率偏离级数优化带来不一致的脱水电场条件，对脱水时刻t时的加电电压放大倍数进行调节：
Figure FDA0002945497260000062
式中，βt为t时刻调节的放大倍数；EN,2为2-N阶级脉冲电场参数优化序列中的电场强度，V/m；H为电极片的位置，mm；ht为t时刻的水位位置高度，mm；U0为对应于EN,2经整流后的未放大电压，V；
脱水时刻t时水位位置高度的确定由装置的光学传感器(30)和高亮LED(29)组合实现，光学传感器(30)吸收到高亮LED(29)透过分离水相的光，将光信号转化为接收到的水位位置高度反馈给PLC程序控制器(7)；同时将这种对应于电场构建间距的加电电压放大倍数调节方法写入PLC程序控制器(7)；
完成对频率偏离级数的优化，实现了对脉冲频率的优化；
(五)电场强度与占空比的优化：频率偏离级数的优化获取使脉冲电场参数优化项得到有效减少，从而基于步骤(四)优化的频率偏离级数N*，建立M阶N*级(M-N*阶级)中第Zi个场频比、第Zj个占空比的序列关系，并与步骤(二)建立的脉冲电场峰值电场强度E及脉冲频率f的表达相联立，获得M-N*阶级脉冲电场参数(f、E、D)全优化序列：
Figure FDA0002945497260000071
其中，在ψ＜1时，取“-”；在ψ＞1时，取“+”；
Figure FDA0002945497260000072
全优化序列中成为了峰值电场强度E、占空比D两因素、M水平的简单优化问题；
相同于步骤(四)，按照峰值电场强度、占空比两因素、M水平的正交组合，利用脉冲电场原油脱水装置进行试验，并同样如步骤(三)，将该全优化序列写入PLC程序控制器(7)；试验得到各峰值电场强度、占空比正交组合所对应脉冲电场参数全优化序列下的原油乳状液脱水效果，评价脉冲电场脱水效果，以净化油含水率指标和脱出水含油量指标均为最优，且脱水过程电流幅值最小、波动最为平稳时全优化序列中的峰值电场强度和占空比作为优化的电场强度和占空比，分别记作E*和D*；
完成对电场强度与占空比的优化；
完成对脉冲电场原油脱水参数的优化，获取脉冲电场参数(f*、E*、D*)的优化设计值；
所述脉冲电场原油脱水试验装置包括控制箱(1)、加热箱(2)、电极箱(3)，控制箱(1)内的控制电路调节模块(4)、电极箱(3)内的电场构建模块(5)、加热箱(2)内的振荡控温及水位监测模块(6)构成脉冲电源供电系统，控制电路调节模块(4)从PLC程序控制器(7)分别引出电场控制电路(8)、加热控制电路(9)和振荡控制电路(10)，其中，电场控制电路(8)包括整流单元(13)、频率脉宽调制板(14)和多级耦合放大电路(15)，加热控制电路(9)通过加热单元(23)连接至锥形槽式铝浴加热控温体(24)，振荡控制电路(10) 直接连接减速电机(26)，减速电机(26)驱动往复式连杆机构实现锥形槽式铝浴加热控温体(24)的混匀振荡；
电场构建模块(5)设置同轴电极(16)、弹性触极和锥形脱水试样瓶(25)，电极箱(3)自下向上分为同轴电极区和供电区(19)，弹性内触极(17)、弹性外触极(18)位于供电区(19)并通过电极箱(3)箱顶设置，电极箱(3)设置于加热箱(2)上方，加热箱(2)内设置锥形槽式铝浴加热控温体(24)，锥形脱水试样瓶(25)设置于锥形槽式铝浴加热控温体(24)的锥形槽中，同轴电极(16)与锥形脱水试样瓶(25)的上端口螺纹连接，同轴电极(16)的电极帽（ 20） 依靠内电极接触点、外电极接触点分别触发弹性内触极(17)、弹性外触极(18)，同轴电极(16)的电极片(21)和绝缘棒(22)位于锥形脱水试样瓶(25)内，电极片(21)通过与绝缘棒(22)采用螺丝松紧实现其上下调节，绝缘棒(22)距离锥形脱水试样瓶锥尖5mm，实现脱水过程脉冲电场的施加；供电区(19)通过绝缘导线外引连接至控制箱内电场控制电路(8)的高压信号输出端(12)，电极箱(3)与加热箱(2)之间通过将同轴电极(16)旋入锥形脱水试样瓶(25)与锥形槽式铝浴加热控温体(24)进行互补配对连接；弹性内触极(17)处于矩形对角线中心交点，弹性外触极(18)分布在以弹性内触极为圆心、以10mm为半径的圆周上；
在锥形槽式铝浴加热控温体(24)的锥形槽内壁铣出两条平行于锥形槽母线的条形槽，两条条形槽分别安放高亮LED(29)和光学传感器(30)，两条条形槽所成平面重合于锥形槽的轴线，光学传感器(30)和高亮LED(29)位于锥形脱水试样瓶(25)外侧，光学传感器(30)和高亮LED(29)实现脱水过程的可视化监测，同时，光学传感器(30)和高亮LED(29)组合实现对脱水过程中水位位置(41)高度的确定，光学传感器(30)吸收到高亮LED(29)透过分离水相的光，将光信号转化为接收到的水位位置(41)高度，反馈给PLC程序控制器(7)。
2.根据权利要求1所述的优化脉冲电场原油脱水参数的方法，其特征在于：所述的振荡控温及水位监测模块包括所述锥形槽式铝浴加热控温体(24)、加热单元(23)、所述减速电机(26)、所述高亮LED(29)和所述光学传感器(30)；加热箱(2)自下而上分别为电机室、摇杆振荡区、加热室，加热箱(2)和加热室金属外壳之间采用可摆动的中空滚动轴承连接，加热室中心为锥形槽式铝浴加热控温体，加热室与锥形槽式铝浴加热控温体之间填充玻璃纤维保温材料(33)，锥形槽式铝浴加热控温体利用红外电阻丝和温度传感器作为加热单元连接至加热控制电路(9)；摇杆振荡区的一根摇杆上端连接加热室，下端连接固定在减速电机传动轴(27)的曲柄卡槽(28)。
3.根据权利要求2所述的优化脉冲电场原油脱水参数的方法，其特征在于：所述的高亮LED(29)和光学传感器(30)均与锥形脱水试样瓶瓶壁相距5mm，并且高亮LED(29)的安装高度低于光学传感器(30)部位5mm，光学传感器(30)利用耐高温环氧树脂胶胶合黏结，高亮LED(29)通过可拆卸式螺丝固定。
4.根据权利要求3所述的优化脉冲电场原油脱水参数的方法，其特征在于：所述的黏结光学传感器(30)的条形槽壁下部直角边被做成30°的斜面，保证发出垂直于锥形母线方向的平行光最低点能反馈于光学传感器(30)上，实现可视化监测中对低水位高度的监测，保证水位位置高度读取的完整性；在锥形槽底部锥尖处，利用月牙形挡板(36)将高亮LED(29)和光学传感器(30)间隔于两侧，避免从锥形槽底部缝隙产生漏光。
5.根据权利要求4所述的优化脉冲电场原油脱水参数的方法，其特征在于：所述的加热室与摇杆连接点距离加热箱室外壳左侧及底部边缘均为10cm。
6.根据权利要求5所述的优化脉冲电场原油脱水参数的方法，其特征在于：所述的电极帽(20)的内电极接触点、外电极接触点之间用四氟绝缘层相隔开。
7.根据权利要求6所述的优化脉冲电场原油脱水参数的方法，其特征在于：所述的弹性内触极(17)、弹性外触极(18)的直径均为4mm，通过将锥形槽式铝浴加热控温体凸起6mm来定位，使弹性内触极(17)、弹性外触极(18)与同轴电极(16)的电极帽(20)内电极接触点、外电极接触点相对应。
8.根据权利要求7所述的优化脉冲电场原油脱水参数的方法，其特征在于：所述的同轴电极(16)的绝缘棒(22)距离锥形脱水试样瓶锥尖5mm。
9.根据权利要求8所述的优化脉冲电场原油脱水参数的方法，其特征在于：所述的加热室前后两矩形直角面为斜面，金属外壳与加热箱体前后壁面成60°，并在之间余出10mm间隙。
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