內(nèi)置式靜電聚結(jié)器分離性能影響因素及研究現(xiàn)狀

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(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院， 山東 青島 266580)

技術(shù)綜述

內(nèi)置式靜電聚結(jié)器分離性能影響因素及研究現(xiàn)狀

寇杰，王德華

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院， 山東 青島 266580)

為提高原油脫水率，改善傳統(tǒng)靜電聚結(jié)器所存在的弊端，介紹了國(guó)內(nèi)外有關(guān)容器內(nèi)置式靜電聚結(jié)器的最新研究進(jìn)展。詳細(xì)闡述了內(nèi)置式靜電聚結(jié)器聚結(jié)效果的影響因素，總結(jié)了各因素對(duì)脫水效果的影響：最優(yōu)臨界電場(chǎng)強(qiáng)度為2 000～4 000 V/cm；延長(zhǎng)電場(chǎng)作用時(shí)間可以提高原油脫水率，通過(guò)對(duì)比不同電場(chǎng)形式確定了其適用場(chǎng)合；提出了絕緣電極結(jié)構(gòu)對(duì)材料介電常數(shù)和材質(zhì)的要求；分析認(rèn)為存在最優(yōu)電場(chǎng)頻率，總結(jié)了溫度、壓力、流態(tài)和入口含水率對(duì)脫水效果的影響。研究結(jié)果表明，運(yùn)用內(nèi)置式靜電聚結(jié)器可有效提高原油脫水率，對(duì)今后原油脫水研究方向具有指導(dǎo)意義。

靜電聚結(jié)器； 分離性能； 原油乳化液； 絕緣電極； 影響因素

我國(guó)大部分油田已逐漸進(jìn)入開(kāi)采后期，采出液含水量升高，含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)有的高達(dá)99%。開(kāi)采后期原油重質(zhì)化、劣質(zhì)化嚴(yán)重，部分油田采出原油密度已經(jīng)超過(guò)1.0 g/cm3。此外，深度開(kāi)采過(guò)程中采油助劑的大量使用，導(dǎo)致很多油田采出液乳化嚴(yán)重，很難利用傳統(tǒng)的重力分離方式進(jìn)行脫水處理[1]。靜電聚結(jié)技術(shù)是原油脫水過(guò)程中常用的方法之一，其基本原理是對(duì)乳狀液施加高強(qiáng)電場(chǎng)，促進(jìn)乳化液中分散水滴的碰撞和聚結(jié)，使水滴粒徑尺寸增大，加速油水分離[2]。傳統(tǒng)的電脫水器大多數(shù)采用裸電極，原油入口含水量高于30%則可能引起電極間的電路短路[3]，即出現(xiàn)所謂的垮電場(chǎng)現(xiàn)象。傳統(tǒng)靜電脫水器存在體積過(guò)大、工況不穩(wěn)定等弊端，因此有必要引入結(jié)構(gòu)緊湊的內(nèi)置式靜電聚結(jié)器(VIEC)[4]。文中對(duì)內(nèi)置式靜電聚結(jié)器聚結(jié)效果影響因素進(jìn)行分析，并對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)容器內(nèi)置式靜電聚結(jié)器的最新研究進(jìn)展進(jìn)行介紹。

1 內(nèi)置式靜電聚結(jié)器分離性能影響因素

1.1電場(chǎng)強(qiáng)度

在電場(chǎng)力的作用下，存在兩種臨界電場(chǎng)強(qiáng)度，一種是使原本處于靜止?fàn)顟B(tài)的液滴開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的臨界場(chǎng)強(qiáng)，稱(chēng)為移動(dòng)臨界場(chǎng)強(qiáng)；另一種是使液滴發(fā)生斷裂，產(chǎn)生電分散現(xiàn)象的臨界場(chǎng)強(qiáng)，稱(chēng)為電分散臨界場(chǎng)強(qiáng)。適當(dāng)?shù)靥岣唠妶?chǎng)強(qiáng)度，聚結(jié)效果會(huì)有所增強(qiáng)，但是超過(guò)最優(yōu)的場(chǎng)強(qiáng)范圍，可能會(huì)出現(xiàn)已聚結(jié)液滴發(fā)生電分散的現(xiàn)象，聚結(jié)效果反而下降，通常最優(yōu)電場(chǎng)強(qiáng)度為2 000～4 000 V/cm[5]。

1.2電場(chǎng)作用時(shí)間

原油乳狀液在相同的電場(chǎng)強(qiáng)度作用下，電場(chǎng)作用時(shí)間越長(zhǎng)，液滴就有足夠的時(shí)間進(jìn)行碰撞，聚結(jié)效果隨時(shí)間的延長(zhǎng)有顯著的提高。Harpur的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明[6]，乳狀液在電場(chǎng)中的停留時(shí)間越長(zhǎng)，液滴聚結(jié)越明顯，聚結(jié)效率越高。陳家慶等人也對(duì)電場(chǎng)作用時(shí)間進(jìn)行了相關(guān)研究[7]，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電場(chǎng)作用時(shí)間大于兩液滴在電場(chǎng)作用下聚結(jié)所需要的時(shí)間時(shí)，兩液滴會(huì)進(jìn)行聚結(jié)碰撞，尤其是在弱電場(chǎng)時(shí)，液滴碰撞所需時(shí)間較長(zhǎng)，提高電場(chǎng)作用時(shí)間可明顯改善聚結(jié)效果。

1.3電場(chǎng)形式

在利用靜電聚結(jié)原理處理原油時(shí)，主要有交流電場(chǎng)、直流電場(chǎng)、交/直流雙電場(chǎng)和脈沖電場(chǎng)4種不同的電場(chǎng)形式。

Taylor認(rèn)為直流電場(chǎng)適合處理低含水乳狀液，水滴在交流電場(chǎng)中主要發(fā)生振蕩聚結(jié)和偶極聚結(jié)，因此交流電場(chǎng)適合處理高含水乳狀液，并且交流脈沖電場(chǎng)有利于提高脫水效率。但是，直流電場(chǎng)容易腐蝕金屬設(shè)備，交流電場(chǎng)易出現(xiàn)水鏈，發(fā)生垮電場(chǎng)現(xiàn)象[8]。

Warren提出交流電場(chǎng)與直流電場(chǎng)相結(jié)合的雙電場(chǎng)理論[9]，并且在Natco公司的電脫水器上運(yùn)行過(guò)，雙電場(chǎng)發(fā)揮了兩種電場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)，在脫水器入口處利用交流電場(chǎng)脫除大部分的水，然后用直流電場(chǎng)進(jìn)行進(jìn)一步的脫水處理，從而改善了原油的脫水效果。但當(dāng)雙電場(chǎng)運(yùn)行不穩(wěn)定時(shí)，直流電場(chǎng)易失去進(jìn)一步脫水的作用。

甘琴容等通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，脈沖電場(chǎng)作用下的液滴變形程度和電壓的大小呈正相關(guān)，并且脈沖電場(chǎng)對(duì)乳化液中的液滴有振動(dòng)作用和剪切作用[10]。金有海等人對(duì)脈沖頻率進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)隨著頻率的增大，脫水效果有所改善，當(dāng)頻率超過(guò)某一值時(shí)，脈沖周期小于水滴極化響應(yīng)時(shí)間，聚結(jié)效果有所下降。適宜的脈沖幅度、脈沖寬度和脈沖頻率會(huì)提高聚結(jié)效果，但當(dāng)脈沖幅度和脈沖寬度增大到一定程度時(shí)，會(huì)發(fā)生電分散現(xiàn)象[11]。

1.4絕緣電極結(jié)構(gòu)

原油乳化液的介電常數(shù)一般在2.0～2.7，因此絕緣電極材料的介電常數(shù)不能小于2.7，最好大于4，并且應(yīng)該具有抗強(qiáng)電壓擊穿能力和低阻抗能力，可以是兩種或多種復(fù)合或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)[12]。這樣的絕緣電極可以大幅度減小聚結(jié)器的泄漏電流，降低電損耗，避免電極間發(fā)生短路擊穿。在低電壓時(shí)絕緣層的厚度對(duì)聚結(jié)效果的影響比較明顯，選擇合適的絕緣層厚度，不僅能提高電極的穩(wěn)定性，還可以提高脫水的效果。McCoy等研發(fā)的平行板式絕緣電極板見(jiàn)圖1[13]。其上面是涂有絕緣物質(zhì)(聚四氟乙烯)的電極，下面是表面覆蓋一層親水涂層的裸電極，這種平行板絕緣電極裝置可以避免由電弧造成的爆炸和能源浪費(fèi)。

圖1 平行板式絕緣電極板

1.5溫度和壓力

由于膨脹系數(shù)不同，加熱后原油和水的密度差變大，提高原油溫度可降低原油乳狀液的黏度，油水界面張力減小，使液滴沉降速度增大，加劇液滴布朗運(yùn)動(dòng)，增加液滴碰撞幾率。升高溫度還可增加膠質(zhì)瀝青質(zhì)的溶解度，促進(jìn)液滴聚結(jié)，進(jìn)而提高原油脫水效果[14]。

Eddy等人指出，在操作溫度下，當(dāng)容器內(nèi)部壓力小于溶解氣的飽和蒸氣壓時(shí)，原油乳狀液進(jìn)入電脫水器后會(huì)有氣體析出，伴隨著氣體的析出，乳狀液中的液滴擾動(dòng)會(huì)加劇，從而提升液滴間的碰撞聚結(jié)。此外，在低壓環(huán)境下，由于膨脹系數(shù)不同，油水的密度差增大，同樣會(huì)提高油水分離效果[15]。

1.6入口含水率

汪忠寶和廖天昊等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)脫水效果和入口含水率有關(guān)，當(dāng)入口含水率增大時(shí)，脫水率有明顯的提高，但當(dāng)入口含水率超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，脫水率反而有所下降[16，17]。其原因是隨著含水率的增加，原油乳狀液分散相水滴之間的距離變小，增加了水滴之間相互碰撞聚結(jié)的幾率。脫水率下降是因?yàn)楫?dāng)入口含水量過(guò)大時(shí)，乳狀液的導(dǎo)電率增強(qiáng)，液滴的擴(kuò)散系數(shù)減小，導(dǎo)致碰撞頻率與聚結(jié)速率降低。

1.7流態(tài)

何兆洋研究了原油流態(tài)的影響，認(rèn)為層流時(shí)乳狀液的聚結(jié)效果最佳[18]。Christine D等人指出湍流可以破壞電極間分散相液滴所形成的水滴鏈，促進(jìn)水滴之間的碰撞，當(dāng)湍流強(qiáng)度增加到一定程度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致水滴二次剪切，液滴分散或破裂[19]。

1.8頻率

Bailes和Larkai研究了脈沖電場(chǎng)頻率對(duì)液滴靜電聚結(jié)的影響規(guī)律，結(jié)果表明存在最優(yōu)頻率。當(dāng)頻率低于最優(yōu)電場(chǎng)頻率時(shí)，電場(chǎng)變化慢，會(huì)使形成的水鏈過(guò)長(zhǎng)，出現(xiàn)垮電場(chǎng)現(xiàn)象；當(dāng)頻率高于最優(yōu)電場(chǎng)頻率時(shí)，液滴來(lái)不及響應(yīng)，聚結(jié)效果不好[20，21]。田成坤和呂宇玲等人研究了低頻下交流電場(chǎng)頻率對(duì)液滴靜電聚結(jié)的影響規(guī)律，結(jié)果表明隨著電場(chǎng)頻率的增加，液滴平均粒徑呈增大趨勢(shì)，但當(dāng)頻率繼續(xù)增大時(shí)，液滴粒徑變化不再明顯，且存在明顯的拐點(diǎn)，隨著含水率增大，拐點(diǎn)頻率減小[22]。

2 內(nèi)置式靜電聚結(jié)器研究現(xiàn)狀

2.1國(guó)外

ABB研究中心與挪威科技大學(xué)(NTNU)、SINTEF等機(jī)構(gòu)合作[23]，在深入研究靜電聚結(jié)過(guò)程所涉及的基本化學(xué)和物理問(wèn)題的基礎(chǔ)上，研制了內(nèi)置式靜電聚結(jié)器，其內(nèi)部管式流道電極模塊組件見(jiàn)圖2。

圖2 管式流道VIEC電極模塊組件及結(jié)構(gòu)示圖

在Norsk Hydro研究中心的多相流環(huán)道上，使用溫度為55 ℃、壓力為4.0 MPa、密度為881.6 kg/m3的原油進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明，未使用VIEC技術(shù)時(shí)，當(dāng)入口含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于60%時(shí)，出口油含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)幾乎保持不變；當(dāng)使用VIEC技術(shù)處理原油時(shí)，出油口含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)有了很大程度的下降，最低可達(dá)6%左右?？梢?jiàn)VIEC技術(shù)在原油脫水處理方面發(fā)揮著重要作用。

在中海油與ConocoPhillips公司共同開(kāi)發(fā)的江西油田，Aibel公司對(duì)VIEC電極模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，將單個(gè)流動(dòng)通道由圓形變成了準(zhǔn)矩形，見(jiàn)圖3[24]。通過(guò)使用改造以后的VIEC，完成了處理量為496.8 m3/h、含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46%、入口溫度最低為86 ℃的高黏原油處理任務(wù)。

Morad Amarzguioui等人對(duì)VIEC結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)。改進(jìn)后的VIEC電極模塊是由單個(gè)VIEC元素組成，這些VIEC元素是由專(zhuān)門(mén)絕緣材料電極澆鑄而成，見(jiàn)圖4[25]。VIEC模塊墻被安裝在三相分離器內(nèi)部上游側(cè)的整流段處(圖5)。

圖3 準(zhǔn)矩形流道VIEC電極模塊組件及結(jié)構(gòu)示圖

圖4 改進(jìn)后的單個(gè)VIEC電極元素和VIEC電極模塊

圖5 VIEC模塊在三相分離器中安裝位置

挪威實(shí)驗(yàn)室采用密度為934 kg/m3、加熱溫度為60 ℃的原油進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在沒(méi)有采用VIEC處理時(shí)，原油脫水率為7.8%。當(dāng)采用VIEC處理8 s時(shí)，原油脫水率達(dá)89.80%；處理時(shí)間為15 s時(shí)，脫水率高達(dá)98%，可見(jiàn)運(yùn)用VIEC技術(shù)可在短時(shí)間內(nèi)提高油水分離效率。此外，在中東地區(qū)和美國(guó)也進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，表明運(yùn)用VIEC技術(shù)具有節(jié)約加熱能量、減少消耗洗滌水及優(yōu)化分離器尺寸等優(yōu)點(diǎn)。

2.2國(guó)內(nèi)

北京石油化工學(xué)院與中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司北京分公司合作研發(fā)了如圖6所示的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的VIEC靜電聚結(jié)模塊，開(kāi)展了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)制造了內(nèi)置靜電聚結(jié)三相分離器中試裝置，并在中石油冀東油田高尚堡聯(lián)合站進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[26]。

1.不銹鋼外殼 2.矩形流道 3.金屬電極 4.絕緣電極板 5.法蘭接口 6.接入電源線圖6 VIEC靜電聚結(jié)模塊結(jié)構(gòu)示圖

高尚堡聯(lián)合站的進(jìn)站原油密度為850 kg/m3，含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)在7%～13%。傳統(tǒng)的分離方法需要加熱升溫并在分離器內(nèi)停留1 h以上，出口油含水量才能降低到1%以下。運(yùn)用VIEC技術(shù)后，在未加熱的情況下，施加高頻/高壓脈沖交流電場(chǎng)，可以使出口油含水率保持在約0.03%甚至更低。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)內(nèi)置式靜電聚結(jié)器分離性能影響因素進(jìn)行了分析。在操作溫度下，容器內(nèi)壓力小于溶解氣飽和蒸氣壓、適宜的電場(chǎng)強(qiáng)度有利于提高內(nèi)置式靜電聚結(jié)器分離效果，增加電場(chǎng)作用時(shí)間對(duì)分離效果也有明顯的提高，此外，還要選擇合適的電場(chǎng)形式和絕緣電極結(jié)構(gòu)。內(nèi)置式靜電聚結(jié)器技術(shù)的發(fā)展和運(yùn)用有效提高了油水分離效率、節(jié)省了加熱消耗的能量、減少了破乳劑的使用量，使得分離裝置變得更加緊湊。

目前，國(guó)內(nèi)研發(fā)的內(nèi)置式靜電聚結(jié)器存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修困難等弊端，需要進(jìn)一步研制便于安裝和維修的內(nèi)置式靜電聚結(jié)器，也有必要進(jìn)一步研究流動(dòng)狀態(tài)對(duì)乳狀液分離效果的影響，為現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

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[26] 熊豪，張寶生，陳家慶，等.三相分離器內(nèi)置靜電聚結(jié)原油脫水技術(shù)研究[J].石油機(jī)械，2016，44(8)：108-112.

(XIONG Hao，ZHANG Bao-sheng，CHEN Jia-qing，et al. Crude Oil Dehydration Technology by Vessel Internal Electrostatic Coalescer in Three-phase Separator[J].China Petroleum Machinery，2016，44(8)：108-112.)

(張編)

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InfluencingFactorsandResearchStatusofSeparationPerformanceofBuilt-inElectrostaticCoalescer

KOUJie，WANGDe-hua

(College of Pipeline and Civil Engineering，China University of Petroleum(East China)，Qingdao 266580，China)

In order to improve the dehydration rate of crude oil and improve the disadvantages of traditional static coalescer，the latest research progress of built-in electrostatic coalescer at home and abroad is introduced. The influence factors of coalescing effect of built-in electrostatic coalescer are expounded in detail，and the effect on the dehydration effect is summarized and the following conclusion is deduced. The optimum critical electric field intensity is 2 000～4 000 V/cm；The dewatering rate can be improved by prolonging the time of the electric field；The different electric field forms are compared to determine the suitable application；The dielectric constant and material requirement of the insulating electrode structure are put forward,and the effects of temperature，pressure，flow regime and inlet moisture content on the dehydration effect were summarized. The results show that the built-in electrostatic coalescer can effectively improve the dehydration rate of crude oil and make a significant contribution to the future research direction of crude oil dehydration.

electrostatic coalescer； separation performance； crude oil emulsion； insulated electrode； influence factor

TQ051.8

A

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.05.009

1000-7466(2017)05-0045-06

2017-04-03

寇 杰(1969-)，男，江蘇贛榆人，教授，博士，主要從事多相管流及油氣田集輸技術(shù)、油氣儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)安全工程以及油氣長(zhǎng)距離管輸技術(shù)研究。