場強(qiáng)值對高頻電磁場脫水效果的仿真研究

魏愛軍，蔣華義，何 鵬，張書勤

(1. 陜西省油氣田特種增產(chǎn)技術(shù)實驗室，陜西 西安 710065；2. 延長石油集團(tuán)研究院，陜西 西安 710075)

當(dāng)前我國大多數(shù)的油田一進(jìn)入高含水期，含水率高達(dá) 90%以上。在原油的儲運過程中，增加了運行成本，降低了經(jīng)濟(jì)效率。同時，由于地層中的水有一定的礦化度，會在管道和設(shè)備的內(nèi)壁結(jié)垢，堵塞管道，而高礦化度也增加了腐蝕，損壞設(shè)備穿孔與金屬管道；若輸送到煉廠的原油含水，會使塔內(nèi)氣流線速度增加，甚至出現(xiàn)沖塔現(xiàn)象，影響一次加工產(chǎn)品質(zhì)量等。以此，為了確保油田的開發(fā)和煉油廠安全正常運行，必須對原油進(jìn)行脫水處理。目前，原油脫水傳統(tǒng)成熟方法主要包括：重力沉降脫水、旋流分離脫水、熱化學(xué)脫水、電脫水等[1-2]。國內(nèi)外使用的脫水裝置主要包括：交直流電脫水[3-9]、脈沖電脫水技術(shù)[10]、高速電脫水、超聲波強(qiáng)化電脫水[11-14]。

就高頻電磁場(HPEMF)脫水而言，以往著重從輻射時間、功率、含水率等宏觀物理量研究其量變關(guān)系，而從微觀的角度研究其變化機(jī)理尚鮮見。電場強(qiáng)度應(yīng)該是影響HPEMF脫水中起主要作用，應(yīng)重點研究次物理參量。任何測量場強(qiáng)引入的探針都會引起場強(qiáng)的畸變，可以說場強(qiáng)是無法直接測量的。鑒于此，尋求通過數(shù)值計算和仿真研究電氣工程中電場的分布和數(shù)值預(yù)測受到研究者的關(guān)注[15-16]。本文擬通過用Comsol軟件仿真進(jìn)行模擬，來探究場強(qiáng)與脫水率之間的關(guān)系，為HPEMF脫水得到一些的理論性引導(dǎo)，加速這一技術(shù)的實用化。

1 模型建立

平板電容器間的電場是理想均勻場，在忽略邊緣效應(yīng)的情況下，可根據(jù)板間電壓、電容器幾何尺寸及填充介質(zhì)計算出場強(qiáng)。由于該研究中的介質(zhì)為含水原油，為非均勻介質(zhì)，各相中的場強(qiáng)不同。在低含水率情況下，乳狀液為油包水型，油為連續(xù)相，水為內(nèi)相。因此本文通過數(shù)值計算，建立仿真模型，來計算板間油水乳狀液中內(nèi)相的場強(qiáng)值，來分析乳狀液中場強(qiáng)值對脫水效果的影響。

板間乳狀液中場強(qiáng)分布宏觀模型的幾何示意圖以及網(wǎng)格剖分圖如下所示。

圖1 幾何模型圖

圖2 網(wǎng)格剖分圖

建模時，先建連續(xù)油相模型，然后，將建立好的內(nèi)相水滴模型置入油相中。

水滴理性模型通常為圓球形，半徑r分布在5×10-7～5×10-5m，取球形水滴半徑r=5×10-5，水滴在電場中由于極化作用下形變。在研究中假設(shè)：乳狀液中的水滴是不可壓縮；在極化作用下，水滴呈繞長軸旋轉(zhuǎn)的橢球體，如圖3所示。既然假設(shè)水滴不可壓縮，那么水滴僅出現(xiàn)體積恒定的變形。設(shè)定水滴在場方向產(chǎn)生δx變形量，從變形的軸對稱性可知，在另外兩個方向上的變形量均為-kδx，則按照式(1)

(1)

由于水滴變形量一般小于其本身大小，即δx

(2)

取δx=0.02，當(dāng)r=0.05 mm時，由式(2)可得k=1/2，則水滴的變形量a=0.04 mm，b=0.04 mm，c=0.07 mm。a，b，c分別為橢球型水滴的旋轉(zhuǎn)半徑(a=b)和旋轉(zhuǎn)軸半徑。

把橢球型水滴模型置在極板中心軸線中點處；激勵電壓加在兩級板之上：上極板與高頻功率源輸出端內(nèi)導(dǎo)體相連接，下極板與高頻功率源輸出端外導(dǎo)體相連接并接地。然后，對兩極板間的油水乳狀液及兩級極板區(qū)域進(jìn)行剖分，剖分單元最大為2 mm，最小為0.000 1 mm；水滴采用定制剖分：最大為0.01 mm，最小為0.001 mm。其余網(wǎng)格采用四面體自由剖分，最大單元尺寸20 mm，網(wǎng)格剖分如圖3所示。選用頻域穩(wěn)態(tài)求解，頻率f=27.12 MHz。

圖3 橢圓形水滴剖分示意圖

2 模型求解

通過模型的仿真與計算，得到在含水率為參變量時，油水乳狀液在不同極板電壓下的場強(qiáng)值，結(jié)果如表1所示。在極板電壓為600 V時，水滴中的場強(qiáng)值分布如圖4和圖5所示。

表1 橢圓形水滴在中點處體平均場強(qiáng)值

圖4 600 V橢圓形水滴場強(qiáng)值多切面示意

圖5 600 V場強(qiáng)值在高度(Z)方向分布

計算結(jié)果表明，水滴的場強(qiáng)值隨極板間電壓的增大而增大。

3 理論分析

水滴在外加電場作用下極化變形，更主要的是，水滴中的場強(qiáng)是外電場與油水界面的束縛電荷產(chǎn)生的極化電場的疊加。在高頻電場作用下，水滴中的極性分子會隨電場矢量的交變而取向，由于極性分子之間的固有隨機(jī)取向以及他們之間的分子力和偶極子靜電力，使得極性分子在隨外電場交變?nèi)∠驎r會“遲滯”，即產(chǎn)生弛豫效應(yīng)。弛豫效應(yīng)就會耗散能量，并一熱的形式表現(xiàn)出來，即高頻介質(zhì)加熱，這也是高頻脫水主要機(jī)理所在。水滴耗散的高頻能量可用式(3)計算

(3)

表2 不同電壓(場強(qiáng)值)下加熱τ=15 min后，乳化水滴與油相的溫度分布

由表2可以看出，計算水滴的溫度達(dá)到了105.6 ℃和123.7 ℃，這顯然是不可能的，這是因為在計算中沒有考慮水的汽化蒸發(fā)的相變，當(dāng)然也沒有考慮油中輕質(zhì)的氣化。如果考慮高頻作用過程中相變，該介質(zhì)體系，就會出現(xiàn)從油水的兩相體系變?yōu)橛?水-氣的三相體系，計算太復(fù)雜，難以完成。從表中也可以看出，水滴中場強(qiáng)值隨外加電場的增加而增加，但脫水效果并非越來越好，這是因為場強(qiáng)過大，水水滴的極化變形會“撕裂”水滴，這便是在電脫水中出現(xiàn)電分散，惡化脫水效果。

4 實驗驗證

圖6 高頻功率源

圖6和圖7所示為本研究所用的高頻功率源的高頻脫水實驗系統(tǒng)。平板電容器為圓盤型，極板為H86銅材。乳狀液用延長油田原油和模擬礦化水配制。實驗結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)所反映的變化趨勢大致相同。在實驗過程中，當(dāng)出現(xiàn)板間電壓過高時，乳狀液中有強(qiáng)烈的蒸汽冒出現(xiàn)象，這與表2中水滴的溫度超過100 ℃大致“契合”。

圖7 平板電容器脫水實驗

5 結(jié)束語

通過用Comsol對高頻電磁場脫水仿真，并且結(jié)合室內(nèi)實驗，得出以下結(jié)論與認(rèn)識：(1)乳狀液中水滴的場強(qiáng)值隨極板間電壓的增大而增大；(2)高頻電磁場作用下，乳狀液脫水存在場強(qiáng)值峰值，當(dāng)場強(qiáng)值低于該值時，脫水率隨場強(qiáng)值的增大而提高，但當(dāng)高于該值時，反而不利于乳狀液脫水。這是因為這時電分散現(xiàn)象，水滴并聚被破壞；(3)結(jié)合仿真與實驗，得出場強(qiáng)值對脫水效果影響是通過改變?nèi)闋钜簻囟葓龆w現(xiàn)的。