老化油脫水實(shí)驗(yàn)研究

張金鵬 趙立全 宮承君 趙磊

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司；2.山東中世天然氣有限公司）

1 老化油性質(zhì)

圖1所示的為綏中36-1平臺(tái)上的老化油油樣。觀察后發(fā)現(xiàn)，油樣中存在大量的游離水，游離水呈黑褐色并含有大量黑色雜質(zhì)，油樣表面粗糙，是明顯的老化油形態(tài)。

圖1 實(shí)驗(yàn)油樣

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要由智能響應(yīng)脫水電源控制柜、高頻變壓器、石油密閉脫水儀組成。

智能響應(yīng)脫水電源的輸出電壓大小、頻率、脈沖寬度比都能連續(xù)可調(diào)，確保老化油的脫水參數(shù)最佳。與工頻脫水電源相比，智能響應(yīng)脫水電源不僅脫水質(zhì)量好，而且脫水速度快，節(jié)能效果明顯。其基本參數(shù)如下所述。

◇電源：電壓，AC 220V±0.2 V；頻率，50 Hz±0.1 Hz

◇高頻變壓器頻率范圍：300～9000 Hz

◇電源輸出脈沖寬度比：10%～86%

◇額定輸出功率：1500 W

◇高頻變壓器：變壓器輸入端電壓，5～90 V；頻率，300～9000 Hz；高壓輸出，800～9500 V

◇原油脫水反應(yīng)釜:實(shí)驗(yàn)時(shí)，將老化油樣品裝入脫水反應(yīng)釜，在加熱溫度為100～150℃、壓力為0.4～0.8 MPa的條件下脫水。設(shè)置好控制溫度和控制壓力，自動(dòng)控溫控壓加熱。釜體額定容量為4000 mL。

3 實(shí)驗(yàn)原理

老化油是一種特定狀態(tài)的石油[1]，這種油受到污染或者因?yàn)檠趸蛘咭驗(yàn)榇娣艜r(shí)間太長(zhǎng)，油品發(fā)生了物理和化學(xué)性能變化。常見的老化油是指油井管外漏油、原油儲(chǔ)罐罐底油、運(yùn)輸船只的艙底油、污水事故池和污水處理裝置回收的乳化油、原油處理裝置排出的乳化液，以及油井各種作業(yè)后排出的污油等。老化油是一種嚴(yán)重乳化液，含有多種礦物質(zhì)、雜質(zhì)，老化油中的水具有很強(qiáng)導(dǎo)電性[2]。原油電脫水是在電脫設(shè)備中安裝電極，在電極上施加高電壓，形成一定強(qiáng)度的電場(chǎng)，原油乳化液置于電場(chǎng)中。在高壓電場(chǎng)的作用下，原油中的小水珠發(fā)生極化，小水珠相互吸引，這樣就使相鄰的水珠發(fā)生吸引而聚集成較大的水滴（圖2）。水滴形成后在重力的作用下下降至底部而原油上浮，這樣就達(dá)到了老化油油水分離目的；同時(shí)溶于水的雜質(zhì)和礦物質(zhì)隨著水一起沉降到反應(yīng)釜底部，將老化油脫水后的水分離后，老化油中的雜質(zhì)和礦物質(zhì)將大大減少，對(duì)裝置的腐蝕危害也隨之減小。

圖2 原油電脫水過程示意圖

4 實(shí)驗(yàn)參數(shù)優(yōu)選

在含水率不同的老化油、脫水溫度、電壓脈沖寬度、頻率、電場(chǎng)強(qiáng)度、脫水時(shí)間等條件下對(duì)老化油進(jìn)行正交靜態(tài)分離實(shí)驗(yàn)。

由原油電脫水的原理可知，不同的溫度、電場(chǎng)、頻率、時(shí)間等對(duì)原油的油水分離效果起主要作用，為了獲取最佳脫水參數(shù)[3]，該實(shí)驗(yàn)采用控制變量法，利用靜態(tài)脫水裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1）溫度。根據(jù)溫度對(duì)原油黏度的影響，原油黏度隨著溫度的升高而降低，流動(dòng)性則隨著黏度的降低而提高，確定實(shí)驗(yàn)研究分別在溫度60℃、70℃、80℃、90℃的條件下進(jìn)行（表1）。

表1 電脫設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)

取約3000 mL油樣在表1所示的數(shù)據(jù)下進(jìn)行靜態(tài)實(shí)驗(yàn)。由圖3可知，在相同電參數(shù)條件下，隨著溫度的升高，脫出水含量逐漸增多，脫出游離水中的雜質(zhì)越少，油水界面越平整。

圖3 不同溫度時(shí)電脫后的油樣

采用蒸餾法測(cè)試各溫度下電脫處理后老化油的含水率。具體測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 老化油在不同溫度下電脫后的含水率

當(dāng)溫度升高時(shí)，電脫處理后老化油的含水率降低；當(dāng)溫度達(dá)到70℃后，含水率急劇下降至小于4%，且脫出水清澈透明。

2）脫水時(shí)間。實(shí)驗(yàn)時(shí)保持電參數(shù)不變，只改變電脫時(shí)間。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 靜態(tài)電脫設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)

隨著脫水時(shí)間的變長(zhǎng)，脫水電流的最小值不斷減小。根據(jù)電流與電阻之間的關(guān)系可知：當(dāng)電壓值保持不變時(shí)，脫水電流與原油電阻之間成反比關(guān)系；因此，可以推斷出原油的電阻值隨時(shí)間的變長(zhǎng)而增大。原油由油相和水相組成，其中油相為不導(dǎo)電的絕緣相，水相為導(dǎo)電相；因此，脫水時(shí)間越長(zhǎng)，脫出水量越多，原油電阻越大，上層原油含水率越低。不同電脫時(shí)間后的油樣見圖4。

圖4 不同電脫時(shí)間后的油樣

電脫后老化油的含水率采用蒸餾法測(cè)試。具體的含水率如表4所示。

表4 老化油經(jīng)過不同時(shí)間電脫處理的含水率

當(dāng)脫水時(shí)間超過20 min后，含水率急劇下降，繼續(xù)增加脫水時(shí)間含水率下降變緩。

3）脈沖寬度。智能響應(yīng)脫水電源輸出電壓為高頻脈沖，Uj為有效脫水電壓，通過調(diào)整電源的脈沖寬度，不僅能夠改變老化油的有效脫水時(shí)間，同時(shí)還能使脈沖寬度小于短路形成時(shí)間，避免形成短路現(xiàn)象[4]。智能響應(yīng)脫水電源輸出電壓波形見圖5。

圖5 電源輸出電壓波形

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，T=70℃、t=30 min時(shí)的脫水效果最佳。實(shí)驗(yàn)時(shí)保持電參數(shù)不變，只改變電源脈沖寬度。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 靜態(tài)電脫設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)

取約3000 mL油樣在表6所示的參數(shù)下進(jìn)行靜態(tài)實(shí)驗(yàn)。由圖6可知：隨著脈沖寬度的增加，脫水效果越好，脫出水的雜質(zhì)含量也越少；當(dāng)脈沖寬度增加至80.2%時(shí)，脈沖寬度繼續(xù)增加，老化油中的脫出水含量基本保持不變。

圖6 不同脈沖寬度時(shí)電脫后的油樣

電脫后老化油的含水率采用蒸餾法測(cè)試[5]。具體的含水率如表6所示。

隨著脈沖寬度的增加，含水率急劇下降，當(dāng)脈沖寬度達(dá)到80.2%后，繼續(xù)增加脈沖寬度，含水率上升，因此最佳脈沖寬度為80.2%。

表6 老化油經(jīng)過不同脈沖寬度電脫處理的含水率

4）脫水電場(chǎng)強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)在溫度T=70℃、t=30 min、δ=80.2%條件下進(jìn)行，只改變加在電極板上面的脫水電壓，即改變脫水的電場(chǎng)強(qiáng)度。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 靜態(tài)電脫設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)

取約3000 mL油樣在表7所示的參數(shù)下進(jìn)行靜態(tài)實(shí)驗(yàn)。不同電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)電脫后的油樣見圖7。

電脫后老化油的含水率采用蒸餾法測(cè)試。具體的含水率如表8所示。

表8 老化油經(jīng)過不同電場(chǎng)強(qiáng)度電脫處理的含水率

隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，含水率急劇下降，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到1.4 kV/cm后，繼續(xù)增加電場(chǎng)強(qiáng)度，含水率上升，因此最佳電場(chǎng)強(qiáng)度為1.4 kV/cm。

5）頻率。通過調(diào)整智能響應(yīng)脫水電源的頻率，能改變老化油的振動(dòng)聚結(jié)效率，還會(huì)影響老化油的有效脫水時(shí)間。結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)在T=70℃、t=30 min、δ=80.2%、E=1.4 kV/cm條件下進(jìn)行。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表9所示。

表9 靜態(tài)電脫設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)

取約3000 mL油樣在表10所示的參數(shù)下進(jìn)行靜態(tài)實(shí)驗(yàn)。由圖8可知，隨著頻率的增加，老化油中的脫出水含量先增后減。

圖8 不同頻率時(shí)電脫后的油樣

電脫后老化油的含水率采用蒸餾法測(cè)試。具體的含水率如表10所示。

表10 老化油經(jīng)過不同頻率電脫處理的含水率

隨著頻率的增加，含水率急劇下降，當(dāng)頻率達(dá)到3.61 kHz后，繼續(xù)增加頻率，含水率上升，因此最佳頻率為3.61 kHz。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

用智能響應(yīng)脫水電源對(duì)老化油脫水，高頻電源在工頻的基礎(chǔ)上，頻率每提高1倍，變壓器的體積就減小1倍，變壓器的體積越小，能耗就越小。根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出的最佳頻率為3.61 kHz，是50 Hz的72.2倍，即該高頻變壓器的體積是工頻變壓器的體積的1/72，采用該高頻變壓器的熱損耗是原工頻變壓器的1/72。以SZ361-CEP-EDP電脫平臺(tái)為例，共有4臺(tái)原油電脫水器，每天處理液量為1600 m3，每個(gè)電脫罐的處理量為4000 m3/d[6]。A罐設(shè)計(jì)采用智能響應(yīng)脫水電源，B/C/D三罐采用工頻電脫電源（表11）。

表11 SZ361-CEP 4臺(tái)原油電脫水電源運(yùn)行功率（功率因數(shù)：0.8）

用智能響應(yīng)脫水電源，每天節(jié)電3592 kWh，按工業(yè)三相電費(fèi)用0.85元/kWh計(jì)算，每天節(jié)約電費(fèi)3053元，每年可節(jié)約電費(fèi)111.4萬(wàn)元。

6 結(jié)論

用智能響應(yīng)脫水電源對(duì)綏中361平臺(tái)的老化油進(jìn)行一系列電脫水實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1）綏中361平臺(tái)的老化油受溫度影響較大，隨著溫度的升高脫水速度加快。

2）利用本實(shí)驗(yàn)室研制的智能響應(yīng)脫水電源設(shè)備完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)該老化油的處理，可以使其含水率達(dá)到4.0%以下，速度快、耗能少。

3）該老化油最佳脫水參數(shù)：電場(chǎng)強(qiáng)度為1.4kV/cm，頻率為3.61 kHz，脈沖寬度為80.2%，工作溫度為70℃，脫水時(shí)間為30 min。

4）節(jié)電效果顯著，采用高頻脫水電源所需功率不到工頻脫水電源的十分之一。