降低原油沉降脫水熱能消耗的研究

郭長會，何利民，劉會友

(1.中國石油大學(華東)，山東 青島 266555;2.勝利石油管理局，山東 東營 257026)

0 引言

提高沉降脫水溫度，可以加快原油沉降脫水速度，縮短流程;延長脫水流程，利用長時間的沉降，也可以達到原油脫水的目的。提高脫水溫度，加熱能耗增加;長時間沉降中熱量散失，也增加加熱能耗。目前，在設(shè)計和運行中還缺少對脫水溫度和沉降時間的優(yōu)化研究[1－9]。

本文通過室內(nèi)原油沉降試驗研究，對常規(guī)原油沉降脫水數(shù)據(jù)進行分析，得到了脫水效果相同的沉降時間與沉降溫度間的等效關(guān)系。利用該等效關(guān)系，提出了原油沉降脫水熱能消耗的計算方法，并且對加熱量、散熱量和總的熱量消耗進行了計算，結(jié)果表明延長脫水的時間，降低脫水溫度，有利于降低脫水熱能消耗。

1 實驗

(1)實驗儀器

恒溫水浴、100 mL具塞比色管、旋轉(zhuǎn)粘度計。

(2)實驗方法

執(zhí)行SY/T 5281－2000標準，利用室內(nèi)瓶試的方法進行評價。取100 mL新鮮原油倒入100 mL具塞比色管中，加入質(zhì)量分數(shù)為0.1%的破乳劑，在試驗溫度下恒溫15 min后，左右手各搖100次，恒溫靜置于水浴中，記錄不同沉降時間的出水量，觀察油水界面、脫出水色和粘壁等狀況。

(3)原油性質(zhì)

用勝利油田東一聯(lián)進站井排原油作為試驗油品。原油物性數(shù)據(jù)見表1，原油粘度與溫度的關(guān)系見圖1，可以看出原油為重質(zhì)稠油。由于沉降脫水原油為三相分離器后綜合含水80%，乳化油含水63.4%的原油，所以按照現(xiàn)場情況配制乳化液進行室內(nèi)沉降試驗研究。

表1 原油物性分析Table 1 The properties of the oil

圖1 原油粘度與溫度關(guān)系曲線(剪切速率:11.49 s－1)Figure 1 The relationship between viscosity and temperature of the oil

2 實驗結(jié)果分析

在 40℃、55℃、70℃、85℃下，投加270 mg/L(按純油量計)現(xiàn)場在用SH型破乳劑，進行沉降模擬脫水實驗，試驗結(jié)果如表2、圖2所示。

圖2 原油沉降曲線Figure2 The crude oil water cut curve

表2 東一聯(lián)原油沉降脫水試驗結(jié)果Table 2 The data of the thermal chemistry precipitation dewatering experiment

由于原油屬于重質(zhì)稠油，以含水率2%作為脫水目標。表2中帶*號的為脫水達到要求部分，可以看出溫度升高、時間延長有利于達到脫水目標。

將達到2%含水率的時間與溫度，在以溫度為橫軸、沉降時間為縱軸的坐標系中連接成線如圖3所示。該線為加藥量為270 mg/L時，沉降溫度與沉降時間的等效關(guān)系曲線。在線上各點的溫度和沉降時間條件下，沉降含水都可以達到2%。在這一曲線上，溫度和時間是等效的，降低溫度、延長時間或者提高溫度、縮短時間都可達到相同的原油脫水效果。溫度、時間等效線右上方為原油沉降含水率低于等效線含水率的區(qū)域。溫度、時間等效線左下方為原油沉降含水率高于等效線含水率的區(qū)域。

圖3 原油脫水的溫度、時間等效曲線Figure3 The equivalence curve between temperature and time

式中t——沉降時間/h;

T——沉降溫度/℃;

a——系數(shù)，a=55.6;

b——系數(shù)，b= －0.49。

式(1)說明加藥量為270 mg/L的條件下，達到2%脫水效果的溫度、時間之間為線性比例關(guān)系。

3 熱量消耗分析

式中Qo——原油處理量/kg·h－1;

ω——原油含水率/[%]。

原油攜帶的水量為

所以，單位原油的沉降加熱能耗為[9－10]

式中T0——原油加熱前溫度/℃;

T——沉降分離溫度/℃;

Co——原油的比熱容/kJ·kg－1·℃－1，C0=2.1 kJ/(kg ·℃);

Cw——水的比熱容/kJ·kg－1·℃－1，Cw=4.2 kJ/(kg·℃)。

如果沉降時間和沉降罐確定，那么處理液量

式中V——沉降罐有效容積/m3;

η——沉降罐的容積利用率，無量綱;

t——沉降時間/h。

將式(2)代入式(5)得到沉降時間和沉降罐確定情況下的處理油量

容積為V的油罐散熱量為[7－8]

原油和水的總液量為

式中K——沉降罐傳熱系數(shù)/W·m－2·℃－1;

A——沉降罐散熱面積/m2;

Th——環(huán)境溫度/℃。

那么單位原油的散熱量為

即

將式(1)、式(6)代入上式得

總的單位原油熱量消耗是

東一聯(lián)來液經(jīng)三相分離器后原油含水率為80%左右，溫度為40℃。沉降罐容積按照5 000 m3考慮，有效容積為 4 959.79 m3，罐的表面積為1 961.14 m2，平均傳熱系數(shù)為 0.93 W/(m2·℃)，假定沉降罐的容積利用率為80%。不同環(huán)境溫度下，單位原油沉降脫水的熱量消耗情況如圖4所示。

圖4 單位原油脫水所需熱量曲線Figure4 The heat of unit oil in thermal chemistry precipitation dewatering

由停留時間產(chǎn)生的散熱損失與沉降溫度和環(huán)境溫度的差值成正比，與沉降罐的散熱系數(shù)、散熱面積和沉降時間成正比，散熱量可以作為停留時間的成本(為了保證效果需要加熱或者提高進罐溫度，以保證沉降溫度)。

為提高來液溫度而產(chǎn)生的加熱量與脫水溫度和來液溫度的差值成正比。脫水溫度升高，加熱升溫過程能耗增加。

根據(jù)原油脫水的溫度、時間等效關(guān)系，可以對不同沉降溫度和沉降時間條件下的能耗進行綜合分析對比。從圖4可以看出，由于溫度升高，脫水速度增加，散熱量降低;加熱量隨脫水溫度升高而增加。散熱與加熱的總能耗隨脫水溫度的升高單調(diào)增加，因此在滿足脫水要求的前提下，延長脫水的時間，降低脫水溫度，有利于節(jié)能降耗。

從式(10)可以看出隨著原油含水率的升高，原油的熱量消耗增加。因此，提高原油預(yù)分水設(shè)備的效率，降低原油沉降脫水時的含水率，可以降低脫水熱能消耗。

4 結(jié)論

(1)實驗結(jié)果表明，原油脫水的沉降溫度、沉降時間等效曲線為直線，達到2%脫水效果的溫度和時間之間為線性比例關(guān)系。

(2)根據(jù)沉降溫度、沉降時間的等效關(guān)系可以獲得不同沉降溫度下的加熱和散熱能耗。

(3)在滿足脫水要求的前提下，延長脫水時間，降低脫水溫度，有利于節(jié)能降耗。

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