靜電聚結(jié)分離器電場(chǎng)分布數(shù)值模擬與分析

宋奕夫 張明 尚超

摘? 要：原油脫水是應(yīng)用物理或化學(xué)方法將以游離狀態(tài)或乳化液狀態(tài)伴隨在原油中的水分除去，在石油生產(chǎn)過程中是一道重要工序。海上石油生產(chǎn)與陸上不同，海上平臺(tái)空間受限，不能像陸上原油脫水一樣設(shè)置大型的沉降罐進(jìn)行多級(jí)沉降，既耗時(shí)又占地。靜電聚結(jié)分離器很好的解決了這個(gè)問題。靜電聚結(jié)分離器具有占地小、效率高、安全性和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)海上石油生產(chǎn)具有重要研究意義，并擁有廣泛的發(fā)展前景。本文對(duì)靜電聚結(jié)分離器進(jìn)行橫切面的二維建模，通過COMSOL Multiphysics軟件進(jìn)行仿真模擬，通過單一變量模擬，研究影響電場(chǎng)強(qiáng)度的因素，并開展電場(chǎng)強(qiáng)度需求的評(píng)估分析，最后依據(jù)仿真模擬的結(jié)果對(duì)靜電聚結(jié)分離器的設(shè)計(jì)提出建議與優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：靜電聚結(jié)脫水;仿真模擬;COMSOL Multiphysics

一、引言

近年來，隨著一些海洋石油區(qū)塊進(jìn)入生產(chǎn)的中后期，采出液含水率過高的問題也受到越來越多的關(guān)注，如流花11-1等油田含水率甚至高達(dá)98%。同時(shí)，開采后期階段，原油重質(zhì)化、劣質(zhì)化也越來越明顯，流程中化學(xué)藥劑不得不大量使用，導(dǎo)致很多油田采出液油水乳化嚴(yán)重，這給常規(guī)油水分離帶來很多問題：（1）分離設(shè)備占地過大。海上石油平臺(tái)可以說是寸土寸金，體型大、重量高的沉降罐在平臺(tái)上占用了過多空間，也對(duì)平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)的重控提出了更多挑戰(zhàn);（2）電脫水器運(yùn)行不穩(wěn)。由于采出液含水高、性質(zhì)差和乳化嚴(yán)重，常規(guī)油水分離后可能含水偏高，進(jìn)入電脫水設(shè)備會(huì)導(dǎo)致電流升高、甚至跳閘，對(duì)電脫水設(shè)備的安全運(yùn)行有很大的負(fù)面影響;（3）經(jīng)濟(jì)性差。多級(jí)沉降罐沉降、電脫水器跳電等都會(huì)使生產(chǎn)周期拉長(zhǎng)，影響海上石油平臺(tái)生產(chǎn)效率，同時(shí)增加運(yùn)行及維護(hù)費(fèi)用，對(duì)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性有負(fù)面影響。

1.1研究背景及意義

隨著大部分陸上和海上油田進(jìn)入開采后期，采出液含水急劇升高，面臨適應(yīng)性增產(chǎn)改造;另一方面，針對(duì)世界范圍內(nèi)高含水油田、邊際油田、深水油田和綠色油田開發(fā)的新形勢(shì)，提高現(xiàn)有原油電脫水設(shè)備的處理效率、減小設(shè)備體積、減少化學(xué)破乳劑對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響成為一種迫切需求。

電脫水技術(shù)是油水乳化液非常有效的分離技術(shù)，在油水分離領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但傳統(tǒng)電脫水技術(shù)均采用金屬裸電極，只能在含水量比較低的原油中才能建立穩(wěn)定的電場(chǎng)，含水量一旦上升，很容易就會(huì)“跳電”，影響生產(chǎn)效率，已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前海上油田原油含水量、原油性質(zhì)和生產(chǎn)效率的變化需求。開發(fā)新型靜電聚結(jié)脫水技術(shù)主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)

（1）能夠適應(yīng)高含水量要求，提高設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性。新型靜電聚結(jié)脫水技術(shù)采用絕緣電極用于靜電聚結(jié)過程，這類絕緣材料具有較高的相對(duì)介電常數(shù)，包覆在金屬電極表面，可以處理高含水原油乳化液，避免電極棒間電流增大發(fā)生短路;

（2）實(shí)現(xiàn)高效分離。由于采用絕緣材料可以直接用于高含水工況，因此可以將常規(guī)三相分離與靜電聚結(jié)技術(shù)有機(jī)整合，通過電場(chǎng)合理布置，減少設(shè)備級(jí)數(shù)和設(shè)備個(gè)數(shù)，降低占地面積和運(yùn)行維護(hù)成本并節(jié)省投資;

（3）節(jié)能環(huán)保。對(duì)于重質(zhì)劣質(zhì)乳化液，常規(guī)電脫水罐內(nèi)乳化層厚，后排水含油高。采用新型靜電聚結(jié)技術(shù)可以有效降低乳化層高度，降低排水含油，減少污水處理費(fèi)用和環(huán)保壓力。

1.3本文的研究?jī)?nèi)容

本文針對(duì)靜電聚結(jié)技術(shù)開展研究，結(jié)合工程實(shí)例的絕緣電極棒和裸電極（接地極）排布方案，對(duì)靜電聚結(jié)分離器進(jìn)行橫截面的二維建模，并通過COMSOL Multiphysics軟件對(duì)分離器內(nèi)電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)分布進(jìn)行數(shù)值模擬研究。通過改變絕緣電極的電壓、絕緣電極絕緣層厚度、乳化液含水率和電極棒的間距四種單一條件，分析影響分離器內(nèi)乳化液電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，并開展靜電聚結(jié)分離器電極布置、電壓參數(shù)等優(yōu)化工作。

二、理論基礎(chǔ)

2.1靜電聚結(jié)脫水原理

靜電聚結(jié)脫水是利用電場(chǎng)作用破壞原油乳化液，使水滴互相吸引、聚結(jié)，并最終沉降，與原油徹底分離的過程。雖然靜電聚結(jié)過程涉及到物理學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)、化學(xué)及靜電等不同理論，但在其聚結(jié)方式、聚結(jié)過程和沉降分離方面已經(jīng)達(dá)成一定共識(shí)。

2.2沉降速度關(guān)鍵因素

根據(jù)斯托克斯定律F=6πηυR可知，水滴沉降速度與水滴直徑的平方呈正比，也就是說，水滴越大，沉降速度越快。因此自然沉降分離的效率取決于乳化液中大水滴所占比例，而乳化液中水滴分布取決于其進(jìn)分離器前的剪切混合狀況，很難控制。

引入外加電場(chǎng)可以很好的解決問題，乳化液中的水滴在外加電場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生極化、電泳作用，產(chǎn)生電泳聚結(jié)和偶極聚結(jié)，其中在交流電場(chǎng)中，偶極聚結(jié)是主導(dǎo)因素。乳化液中的水滴在交流中因感應(yīng)產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極子，順電場(chǎng)方向兩端帶相反電荷排列，相鄰的水滴極性相反，產(chǎn)生偶極聚結(jié)力，聚結(jié)成較大的水滴。

通過計(jì)算可知水滴半徑對(duì)聚結(jié)力影響最大，其次是水滴間距，即分散相水滴的濃度，最后是電場(chǎng)強(qiáng)度。可知如果水滴密度較大，水滴間接觸幾率高，上述靜電力能有效促使水滴變大聚結(jié)提高油水分離效率。

2.3最優(yōu)電場(chǎng)強(qiáng)度分析

通過查閱SY/T0045-2008原油電脫水器設(shè)計(jì)規(guī)范，其中第5.5小節(jié)明確了電脫水器內(nèi)強(qiáng)電場(chǎng)部分的電場(chǎng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值宜為0.8kV/cm-4kV/cm;弱電場(chǎng)部分的電場(chǎng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值宜為0.3kV/cm-0.5kV/cm。同時(shí)提供了五個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例于附表中，參見表2-1。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，結(jié)合電脫水器設(shè)計(jì)規(guī)范，我們將本次仿真模擬研究的強(qiáng)電場(chǎng)部分電場(chǎng)強(qiáng)度優(yōu)化目標(biāo)值設(shè)定為0.6-1.2kV/cm，弱電場(chǎng)部分電場(chǎng)強(qiáng)度優(yōu)化目標(biāo)值設(shè)定為0.3-0.5kV/cm。

三、靜電聚結(jié)分離器模型建立

3.1二維模型的建立

數(shù)值模型以潿洲油田靜電聚結(jié)改造項(xiàng)目，分離器內(nèi)部構(gòu)造為基礎(chǔ)開展建模，電極布置如圖3-1所示。絕緣電極棒和裸電極電極棒（接地極）均為14mm直徑的鋼管，分為四排交錯(cuò)排列。

第一、三排為裸電極電極棒，第二、四排為絕緣電極棒。其中絕緣電極棒外層是絕緣層，厚度為1.4mm。

由切面圖可知，電極棒之間的距離為96mm，每層電極棒的間距為150mm。按照上述特征，在COMSOL Multiphysics軟件中建立潿洲項(xiàng)目靜電聚結(jié)分離器的橫切面二維模型。

3.2選取材料

在本次研究中，分離器中的乳化液被視為工業(yè)油，通過設(shè)定不同的相對(duì)介電常數(shù)，來近似代表分離器內(nèi)乳化液含水率的變化，課題組以往研究中在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)得不同含水率原油的相對(duì)介電常數(shù)如表3-1。

綜合考慮各種因素和初步試驗(yàn)后，本模擬最終采用的絕緣層材料為PTFE，在COMSOL Multiphysics軟件中選擇PTFE-Polytetrafluoroethylene，相對(duì)介電常數(shù)設(shè)定為2.55。電極棒材質(zhì)選為SteelAISI4340鋼材，相對(duì)介電常數(shù)設(shè)定為1。

四、改變單一參數(shù)模擬結(jié)果

4.1改變絕緣電極的電壓

對(duì)絕緣電極棒施加不同大小的電壓，分別得出模擬結(jié)果。除了改變了電極棒的電壓外，絕緣層厚度均為1.4mm，乳化液相對(duì)介電常數(shù)為11.5（含水率20%）。

可以發(fā)現(xiàn)改變絕緣電極棒的電壓，對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的影響較為明顯，隨著電壓的增加，電場(chǎng)強(qiáng)度也明顯增強(qiáng)。更高的電場(chǎng)強(qiáng)度可以獲得更好的脫水效果，但是也會(huì)對(duì)電極的可靠性和壽命產(chǎn)生影響，需要根據(jù)其他參數(shù)進(jìn)行綜合考慮來確定現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的電壓設(shè)定條件。

4.2改變絕緣電極絕緣層厚度

本節(jié)通過改變絕緣層厚度，來研究對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度和電場(chǎng)分布的影響。但是需要注意的是，電極棒上的絕緣層不宜過薄，零點(diǎn)幾毫米厚的絕緣層目前只能采用噴涂的工藝方式進(jìn)行加工，這將導(dǎo)致絕緣電極棒加工成本過高，而且在使用中絕緣涂層容易磨損，不易維護(hù)，不符合設(shè)計(jì)的初衷和海上石油行業(yè)的工作條件。在前期研究中，我們已經(jīng)選擇了相對(duì)介電常數(shù)為2.55的PTFE材料。絕緣層厚度選取1.4mm、1.6mm、1.8mm和2mm四種。在不改變其他條件的情況下（電壓8kV;乳化液含水率20%），得到的結(jié)果如下。

我們發(fā)現(xiàn)絕緣層越厚，電場(chǎng)強(qiáng)度衰減的越厲害，2mm厚度的絕緣層已經(jīng)對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度有一定的影響。為了提高電場(chǎng)強(qiáng)度從而保證靜電聚結(jié)脫水的效率，我們選擇1.4mm厚度的絕緣層。

4.3改變?nèi)榛汉?/p>

改變分離器中乳化液的含水率，就是改乳化液的相對(duì)介電常數(shù)，表4-2給出了在實(shí)驗(yàn)室測(cè)得不同含水率乳化液的相對(duì)介電常數(shù)。

實(shí)驗(yàn)?zāi)M了在6kV電壓且絕緣層厚度為1.4mm時(shí)，乳化液含水率分別為10%、20%、30%和40%的四種情況下靜電聚結(jié)分離器內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度。

得出結(jié)論，乳化液含水率越高，電場(chǎng)強(qiáng)度越低，乳化液含水主要取決于現(xiàn)場(chǎng)操作過程中來液含水的變化情況。在實(shí)際生產(chǎn)中，乳化液含水率是相對(duì)客觀的條件，在潿洲油田靜電聚結(jié)項(xiàng)目中，乳化液含水率大約為40%以上。本次模擬主要為了研究不同含水率對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的影響，對(duì)未來實(shí)際應(yīng)用和優(yōu)化提供參考。

4.4改變電極棒的間距和排布

通過上面三組單一變量模擬實(shí)驗(yàn)，可以看出增加電壓，減小絕緣層厚度和降低乳化液含水率對(duì)于提高電場(chǎng)強(qiáng)度有積極影響。但是在具體應(yīng)用過程中，需要綜合經(jīng)濟(jì)性、安全性和脫水效率來確定工作電壓。通過模擬結(jié)果分析，6kV的電壓能夠產(chǎn)生較好的電場(chǎng)分布。絕緣層厚度變薄了雖然能提高電場(chǎng)強(qiáng)度，但是過薄的絕緣層在加工上存在困難，只能采用噴涂的方式，生產(chǎn)成本高而且耐用性較差，同時(shí)過薄的絕緣層有被電流擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。我們選擇了1.4mm的PTFE材料絕緣層，可以采用熱縮的方式加工，同時(shí)耐用性大大提高。最后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，乳化液含水率設(shè)定為40%。

基于以上設(shè)定條件，開展了改變電極棒間距對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的影響研究，將水平方向電極間距96mm修改為70mm，模擬結(jié)果如下圖4-13所示。

可以發(fā)現(xiàn)，縮短了橫向間距后，橫向電極棒間的電場(chǎng)提升非常明顯，但是，在上下兩層電極棒之間的電場(chǎng)強(qiáng)度大部分都處于0.3-0.5kV/cm這個(gè)區(qū)間，電場(chǎng)強(qiáng)度略小。我們?cè)诳s小電極棒水平方向間距的基礎(chǔ)上，也縮短了垂直方向的間距，垂直方向間距從240mm降低為160mm，同時(shí)增加一行絕緣電極棒和一行裸電極棒，結(jié)構(gòu)如圖4-14所示。通過模擬，結(jié)果如圖4-15所示。

五、結(jié)果分析及結(jié)論

5.1結(jié)果分析

在COMSOL Multiphysics軟件中添加一維繪圖組，并設(shè)定線圖，分別做三條平行于分離器橫軸的線段讀取數(shù)據(jù)，線段位置如圖5-1所示。

我們可以得到這三條線段的電場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線圖，得到的電場(chǎng)強(qiáng)度曲線圖如圖5-1所示。

可以發(fā)現(xiàn)電極分布大部分區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度在0.6-1.4kV/cm的范圍內(nèi)，其中0.7-1.2kV/cm范圍內(nèi)的部區(qū)域較多，滿足靜電聚結(jié)脫水的要求。由于矩陣電極分布排列，電場(chǎng)強(qiáng)度呈現(xiàn)不規(guī)律分布，當(dāng)含水原油流動(dòng)經(jīng)過相關(guān)區(qū)域的過程會(huì)經(jīng)歷不同電場(chǎng)強(qiáng)度的電場(chǎng)作用，這樣也更利于液滴的運(yùn)動(dòng)和碰撞，有效提高脫水效率。

5.2總結(jié)

本文對(duì)靜電聚結(jié)分離器內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行了較為詳細(xì)的仿真模擬，根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，得到主要結(jié)論如下：

（1）在靜電聚結(jié)分離器中，通過增加絕緣電極棒電壓，減小絕緣層厚度和降低乳化液含水率對(duì)于提高電場(chǎng)強(qiáng)度有積極影響。

（2）現(xiàn)場(chǎng)操作電壓、絕緣層厚度等參數(shù)需要考慮電極壽命、裝置可靠性等綜合因素的影響。

（3）靜電聚結(jié)分離器設(shè)計(jì)中，強(qiáng)電場(chǎng)部分電場(chǎng)強(qiáng)度優(yōu)化目標(biāo)值設(shè)定為0.6-1.2kV/cm，弱電場(chǎng)部分電場(chǎng)強(qiáng)度優(yōu)化目標(biāo)值設(shè)定為0.3-0.5kV/cm。

（4）改變電極矩陣排列間距，可以很好的優(yōu)化電場(chǎng)強(qiáng)度分布，又必要根據(jù)具體項(xiàng)目，開展電場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值模擬，優(yōu)化電極間距等參數(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1]徐閩，張志平，郝寶齊，沈彬，呂真真.新型靜電聚結(jié)脫水技術(shù)在分離器中的應(yīng)用[J].中國(guó)海洋平臺(tái)，2020，35（06）：84-89.

[2]崔新安，彭松梓，申明周，王春升.靜電聚結(jié)原油脫水技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[J].石油化工腐蝕與防護(hù)，2013，30（03）：44-47.

[3]《海洋石油工程設(shè)計(jì)指南》編委會(huì). 海洋石油工程設(shè)計(jì)概論與工藝設(shè)計(jì)（海洋石油工程設(shè)計(jì)指南第1冊(cè)）. 石油工業(yè)出版社. 2007

[4]丁藝，陳家慶，尚超，張寶生.W/O型乳化液在矩形流道中的靜電聚結(jié)破乳研究[J].石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào)，2010，23（03）：11-16.