內置式靜電聚結器分離性能影響因素及研究現狀

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(中國石油大學(華東) 儲運與建筑工程學院， 山東 青島 266580)

技術綜述

內置式靜電聚結器分離性能影響因素及研究現狀

寇杰，王德華

(中國石油大學(華東) 儲運與建筑工程學院， 山東 青島 266580)

為提高原油脫水率，改善傳統靜電聚結器所存在的弊端，介紹了國內外有關容器內置式靜電聚結器的最新研究進展。詳細闡述了內置式靜電聚結器聚結效果的影響因素，總結了各因素對脫水效果的影響：最優臨界電場強度為2 000～4 000 V/cm；延長電場作用時間可以提高原油脫水率，通過對比不同電場形式確定了其適用場合；提出了絕緣電極結構對材料介電常數和材質的要求；分析認為存在最優電場頻率，總結了溫度、壓力、流態和入口含水率對脫水效果的影響。研究結果表明，運用內置式靜電聚結器可有效提高原油脫水率，對今后原油脫水研究方向具有指導意義。

靜電聚結器； 分離性能； 原油乳化液； 絕緣電極； 影響因素

我國大部分油田已逐漸進入開采后期，采出液含水量升高，含水質量分數有的高達99%。開采后期原油重質化、劣質化嚴重，部分油田采出原油密度已經超過1.0 g/cm3。此外，深度開采過程中采油助劑的大量使用，導致很多油田采出液乳化嚴重，很難利用傳統的重力分離方式進行脫水處理[1]。靜電聚結技術是原油脫水過程中常用的方法之一，其基本原理是對乳狀液施加高強電場，促進乳化液中分散水滴的碰撞和聚結，使水滴粒徑尺寸增大，加速油水分離[2]。傳統的電脫水器大多數采用裸電極，原油入口含水量高于30%則可能引起電極間的電路短路[3]，即出現所謂的垮電場現象。傳統靜電脫水器存在體積過大、工況不穩定等弊端，因此有必要引入結構緊湊的內置式靜電聚結器(VIEC)[4]。文中對內置式靜電聚結器聚結效果影響因素進行分析，并對國內外有關容器內置式靜電聚結器的最新研究進展進行介紹。

1 內置式靜電聚結器分離性能影響因素

1.1電場強度

在電場力的作用下，存在兩種臨界電場強度，一種是使原本處于靜止狀態的液滴開始運動的臨界場強，稱為移動臨界場強；另一種是使液滴發生斷裂，產生電分散現象的臨界場強，稱為電分散臨界場強。適當地提高電場強度，聚結效果會有所增強，但是超過最優的場強范圍，可能會出現已聚結液滴發生電分散的現象，聚結效果反而下降，通常最優電場強度為2 000～4 000 V/cm[5]。

1.2電場作用時間

原油乳狀液在相同的電場強度作用下，電場作用時間越長，液滴就有足夠的時間進行碰撞，聚結效果隨時間的延長有顯著的提高。Harpur的實驗研究結果表明[6]，乳狀液在電場中的停留時間越長，液滴聚結越明顯，聚結效率越高。陳家慶等人也對電場作用時間進行了相關研究[7]，發現當電場作用時間大于兩液滴在電場作用下聚結所需要的時間時，兩液滴會進行聚結碰撞，尤其是在弱電場時，液滴碰撞所需時間較長，提高電場作用時間可明顯改善聚結效果。

1.3電場形式

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

Taylor認為直流電場適合處理低含水乳狀液，水滴在交流電場中主要發生振蕩聚結和偶極聚結，因此交流電場適合處理高含水乳狀液，并且交流脈沖電場有利于提高脫水效率。但是，直流電場容易腐蝕金屬設備，交流電場易出現水鏈，發生垮電場現象[8]。

Warren提出交流電場與直流電場相結合的雙電場理論[9]，并且在Natco公司的電脫水器上運行過，雙電場發揮了兩種電場的優勢，在脫水器入口處利用交流電場脫除大部分的水，然后用直流電場進行進一步的脫水處理，從而改善了原油的脫水效果。但當雙電場運行不穩定時，直流電場易失去進一步脫水的作用。

甘琴容等通過實驗發現，脈沖電場作用下的液滴變形程度和電壓的大小呈正相關，并且脈沖電場對乳化液中的液滴有振動作用和剪切作用[10]。金有海等人對脈沖頻率進行了相關實驗研究，發現隨著頻率的增大，脫水效果有所改善，當頻率超過某一值時，脈沖周期小于水滴極化響應時間，聚結效果有所下降。適宜的脈沖幅度、脈沖寬度和脈沖頻率會提高聚結效果，但當脈沖幅度和脈沖寬度增大到一定程度時，會發生電分散現象[11]。

1.4絕緣電極結構

原油乳化液的介電常數一般在2.0～2.7，因此絕緣電極材料的介電常數不能小于2.7，最好大于4，并且應該具有抗強電壓擊穿能力和低阻抗能力，可以是兩種或多種復合或層狀結構[12]。這樣的絕緣電極可以大幅度減小聚結器的泄漏電流，降低電損耗，避免電極間發生短路擊穿。在低電壓時絕緣層的厚度對聚結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定性，還可以提高脫水的效果。McCoy等研發的平行板式絕緣電極板見圖1[13]。其上面是涂有絕緣物質(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。

圖1 平行板式絕緣電極板

1.5溫度和壓力

由于膨脹系數不同，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，加劇液滴布朗運動，增加液滴碰撞幾率。升高溫度還可增加膠質瀝青質的溶解度，促進液滴聚結，進而提高原油脫水效果[14]。

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

1.6入口含水率

汪忠寶和廖天昊等人通過實驗發現脫水效果和入口含水率有關，當入口含水率增大時，脫水率有明顯的提高，但當入口含水率超過某一數值時，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的幾率。脫水率下降是因為當入口含水量過大時，乳狀液的導電率增強，液滴的擴散系數減小，導致碰撞頻率與聚結速率降低。

1.7流態

何兆洋研究了原油流態的影響，認為層流時乳狀液的聚結效果最佳[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，促進水滴之間的碰撞，當湍流強度增加到一定程度時，會導致水滴二次剪切，液滴分散或破裂[19]。

1.8頻率

Bailes和Larkai研究了脈沖電場頻率對液滴靜電聚結的影響規律，結果表明存在最優頻率。當頻率低于最優電場頻率時，電場變化慢，會使形成的水鏈過長，出現垮電場現象；當頻率高于最優電場頻率時，液滴來不及響應，聚結效果不好[20，21]。田成坤和呂宇玲等人研究了低頻下交流電場頻率對液滴靜電聚結的影響規律，結果表明隨著電場頻率的增加，液滴平均粒徑呈增大趨勢，但當頻率繼續增大時，液滴粒徑變化不再明顯，且存在明顯的拐點，隨著含水率增大，拐點頻率減小[22]。

2 內置式靜電聚結器研究現狀

2.1國外

ABB研究中心與挪威科技大學(NTNU)、SINTEF等機構合作[23]，在深入研究靜電聚結過程所涉及的基本化學和物理問題的基礎上，研制了內置式靜電聚結器，其內部管式流道電極模塊組件見圖2。

圖2 管式流道VIEC電極模塊組件及結構示圖

在Norsk Hydro研究中心的多相流環道上，使用溫度為55 ℃、壓力為4.0 MPa、密度為881.6 kg/m3的原油進行試驗測試，結果表明，未使用VIEC技術時，當入口含水質量分數小于60%時，出口油含水質量分數幾乎保持不變；當使用VIEC技術處理原油時，出油口含水質量分數有了很大程度的下降，最低可達6%左右。可見VIEC技術在原油脫水處理方面發揮著重要作用。

在中海油與ConocoPhillips公司共同開發的江西油田，Aibel公司對VIEC電極模塊結構進行了改進，將單個流動通道由圓形變成了準矩形，見圖3[24]。通過使用改造以后的VIEC，完成了處理量為496.8 m3/h、含水質量分數為46%、入口溫度最低為86 ℃的高黏原油處理任務。

Morad Amarzguioui等人對VIEC結構進行了進一步改進。改進后的VIEC電極模塊是由單個VIEC元素組成，這些VIEC元素是由專門絕緣材料電極澆鑄而成，見圖4[25]。VIEC模塊墻被安裝在三相分離器內部上游側的整流段處(圖5)。

圖3 準矩形流道VIEC電極模塊組件及結構示圖

圖4 改進后的單個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

挪威實驗室采用密度為934 kg/m3、加熱溫度為60 ℃的原油進行實驗，在沒有采用VIEC處理時，原油脫水率為7.8%。當采用VIEC處理8 s時，原油脫水率達89.80%；處理時間為15 s時，脫水率高達98%，可見運用VIEC技術可在短時間內提高油水分離效率。此外，在中東地區和美國也進行了相關實驗，表明運用VIEC技術具有節約加熱能量、減少消耗洗滌水及優化分離器尺寸等優點。

2.2國內

北京石油化工學院與中國石油集團工程設計有限責任公司北京分公司合作研發了如圖6所示的具有自主知識產權的VIEC靜電聚結模塊，開展了室內實驗研究。在此基礎上設計制造了內置靜電聚結三相分離器中試裝置，并在中石油冀東油田高尚堡聯合站進行了現場試驗[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靜電聚結模塊結構示圖

高尚堡聯合站的進站原油密度為850 kg/m3，含水質量分數在7%～13%。傳統的分離方法需要加熱升溫并在分離器內停留1 h以上，出口油含水量才能降低到1%以下。運用VIEC技術后，在未加熱的情況下，施加高頻/高壓脈沖交流電場，可以使出口油含水率保持在約0.03%甚至更低。

3 結語

對內置式靜電聚結器分離性能影響因素進行了分析。在操作溫度下，容器內壓力小于溶解氣飽和蒸氣壓、適宜的電場強度有利于提高內置式靜電聚結器分離效果，增加電場作用時間對分離效果也有明顯的提高，此外，還要選擇合適的電場形式和絕緣電極結構。內置式靜電聚結器技術的發展和運用有效提高了油水分離效率、節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，國內研發的內置式靜電聚結器存在結構復雜、維修困難等弊端，需要進一步研制便于安裝和維修的內置式靜電聚結器，也有必要進一步研究流動狀態對乳狀液分離效果的影響，為現場的實際運行提供技術支撐。

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(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、油氣儲運系統安全工程以及油氣長距離管輸技術研究。