海上油田高頻電脫水電極實(shí)驗(yàn)研究

張金鵬 盧大艷 鄒萬(wàn)勤 梁海波 楊海

1中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司

2西南石油大學(xué)

海上開(kāi)采出的原油多以稠油為主，稠油中瀝青、膠質(zhì)含量高，原油黏度大，乳化現(xiàn)象嚴(yán)重[1]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家、學(xué)者對(duì)稠油的油水分離進(jìn)行了大量的研究，發(fā)現(xiàn)針對(duì)上述問(wèn)題最有效的方法就是采用高頻、高壓電脫水的方式實(shí)現(xiàn)油水的分離[2-3]。

目前，對(duì)于油水乳化液脫水可以通過(guò)多種物理、化學(xué)方法單獨(dú)或組合來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如過(guò)濾法、離心法、化學(xué)破乳法、熱沉降法、電脫水法等[4]。由于各種脫水方法的脫水原理與適應(yīng)性不同，被廣泛應(yīng)用于不同環(huán)境。

常規(guī)的電脫水工藝可對(duì)含水率在30%以下的低含水原油進(jìn)行高效脫水，但對(duì)于高含水原油電脫水處理效果較差。因此，急需一種新型工藝對(duì)高含水原油進(jìn)行高效的電脫水處理。本文所介紹的新型異徑圓柱體電極主要依靠不均勻的高頻電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)電脫水處理。通過(guò)對(duì)該種電極的靜態(tài)裝置進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證表明，裝置對(duì)高含水原油的處理具有較好的效果，這也為進(jìn)一步研制以此為基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)裝置提供了相關(guān)依據(jù)與參考。

1 高頻試驗(yàn)電脫水設(shè)備

高頻試驗(yàn)電脫水裝置所使用的電極多以圓柱電極為主，利用絕緣的圓柱電極與外部殼體間形成不均勻電場(chǎng)，使得帶電水滴在電場(chǎng)作用下進(jìn)行定向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)帶電水滴的聚結(jié)；當(dāng)小水滴聚結(jié)成為大水滴之后，大水滴在重力作用下發(fā)生自然沉降，從而完成電脫水過(guò)程[5]。

目前的電脫水技術(shù)與電脫水設(shè)備采用圓柱電極與環(huán)形負(fù)極板形成水平不均勻電場(chǎng)，適用于油水兩相均勻分布的乳化液。但是當(dāng)原油含水率超過(guò)30%時(shí)，一方面乳狀液中的水滴間形成液滴鏈，使得電場(chǎng)發(fā)生擊穿現(xiàn)象，破壞了電場(chǎng)的穩(wěn)定性[6]；另一方面，含水率過(guò)高，水滴會(huì)發(fā)生一定的沉降，使得油水分布不均勻。上述現(xiàn)象將導(dǎo)致電能泄漏，造成電能的浪費(fèi)，脫水效果也因此較差[7-8]。并且，也無(wú)法選擇出適宜的電場(chǎng)強(qiáng)度，同時(shí)滿(mǎn)足裝置上層與裝置下層的含水乳化液。

基于此，針對(duì)高含水原油特點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)在含水率超過(guò)30%時(shí)，其自身穩(wěn)定性就不強(qiáng)，易發(fā)生一定程度的自然沉降，總體呈現(xiàn)上層含水率較低、下層含水率較高的特點(diǎn)。對(duì)于含水率較低的上層，需要施加較強(qiáng)的高頻電場(chǎng)以實(shí)現(xiàn)油水分離；而對(duì)于含水率較高的下層，施加較強(qiáng)的高頻電場(chǎng)易發(fā)生電場(chǎng)擊穿現(xiàn)象。針對(duì)這一特點(diǎn)，構(gòu)造一種從上層到下層電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減弱的電場(chǎng)，以滿(mǎn)足針對(duì)高含水乳化液的電脫水需求[9]。

2 高效電極設(shè)計(jì)與仿真

結(jié)合現(xiàn)有裝置，對(duì)圓柱電極與環(huán)形負(fù)極板電場(chǎng)進(jìn)行了電場(chǎng)仿真：①完成建模，對(duì)物理場(chǎng)進(jìn)行選擇；②完成圓柱型電極與環(huán)形負(fù)極板的構(gòu)建；③進(jìn)行材料選擇，電極與負(fù)極板分別選擇導(dǎo)電材料鋼鐵，中間環(huán)形區(qū)域設(shè)置為空氣；④在物理場(chǎng)內(nèi)，對(duì)電極設(shè)置為終端并施加電壓，對(duì)環(huán)形負(fù)極板設(shè)置為終端接地；⑤進(jìn)行網(wǎng)格劃分，完成模型建立；⑥進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算得到的水平方向的電場(chǎng)分布如圖1所示。

圖1 圓柱型電極電場(chǎng)分布Fig.1 Electric field distribution of cylindrical electrodes

如圖1所示，該電場(chǎng)呈放射狀向外，電場(chǎng)大小環(huán)形向外逐漸減小，水平方向上呈現(xiàn)出不均勻電場(chǎng)特點(diǎn)。水滴在不均勻電場(chǎng)內(nèi)被極化，然后從電場(chǎng)較弱區(qū)域向電場(chǎng)較強(qiáng)區(qū)域內(nèi)聚集。當(dāng)極化水滴聚并為大水滴后將發(fā)生重力沉降，完成電脫水過(guò)程。

根據(jù)圓柱狀電極與高含水原油特性分析可知，電場(chǎng)除了滿(mǎn)足水平方向的不均勻分布外，還要滿(mǎn)足豎直方向上的上強(qiáng)下弱。構(gòu)造一種從上層到下層電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減弱的電場(chǎng)，根據(jù)電場(chǎng)強(qiáng)度等于兩極板電壓與距離的比值這一特點(diǎn)，從電壓強(qiáng)度與極板間距兩方面考慮。由于供電電源對(duì)一塊極板進(jìn)行供電，無(wú)法實(shí)現(xiàn)同一極板上不同位置電壓值不同，因此從極板間距上進(jìn)行考慮。外部接地極板由容器的形狀進(jìn)行確定，因此不便對(duì)其進(jìn)行形狀上的改變，因此考慮設(shè)計(jì)新型電極以達(dá)到這一目的。

新型電極的形狀設(shè)計(jì)為上端半徑大、下端半徑小的異徑圓柱體[10]。上端半徑大，與極板間間距較小，電場(chǎng)強(qiáng)度較強(qiáng)；下端半徑小，與極板間間距大，電場(chǎng)強(qiáng)度較弱。該設(shè)計(jì)可以滿(mǎn)足從上層到下層電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減弱的電場(chǎng)構(gòu)建。

完成電極設(shè)計(jì)前，先對(duì)異徑圓柱電極進(jìn)行了相關(guān)有限元軟件仿真，仿真所得的剖面電場(chǎng)如圖2所示。從圖2中可以看出，異徑圓柱電極所構(gòu)成的電場(chǎng)沿電極的斜面形狀向外依次減小，同一豎直平面上，上端的電場(chǎng)強(qiáng)度高于下端的電場(chǎng)強(qiáng)度，滿(mǎn)足上端電場(chǎng)強(qiáng)度高、下端電場(chǎng)強(qiáng)度低的設(shè)計(jì)需求。

圖2 異徑圓柱電極電場(chǎng)截面分布Fig.2 Electric field section distribution of different diameter cylindrical electrodes

但在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，半徑比太大或太小均不利于實(shí)現(xiàn)高頻電脫水。因此共設(shè)計(jì)頂端與底端半徑比為1∶1、1∶1.5、1∶2、1∶2.5 的4 個(gè)異徑電極，并將所設(shè)計(jì)的四種半徑比電極投入到電脫水裝置內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，篩選出最佳電脫水效果的電極。設(shè)計(jì)出的4 種異徑圓柱體電極加工實(shí)物如圖3所示。

圖3 異徑圓柱電極Fig.3 Different cylindrical electrode

試驗(yàn)驗(yàn)證裝置由環(huán)形負(fù)極板、燒杯、電極、燒杯蓋板等組成（圖4）。其中環(huán)形負(fù)極板為鐵質(zhì)圓環(huán)，由于該板接地，因此對(duì)導(dǎo)電性等材質(zhì)要求不高。燒杯為玻璃材質(zhì)，上部的燒杯蓋板為有機(jī)玻璃，具有較好的絕緣性。異徑圓柱電極由鋁制金屬棍加工得到。鋁制電極具有導(dǎo)電性好、材質(zhì)輕、易加工等優(yōu)點(diǎn)，用于試驗(yàn)設(shè)備制作具有顯著的優(yōu)勢(shì)。試驗(yàn)時(shí)，將電極放入燒杯中，再將燒杯蓋板通過(guò)蓋板中心圓孔穿過(guò)電極，最終放在燒杯上面，燒杯托住蓋板，實(shí)現(xiàn)裝置的穩(wěn)定。最后將穩(wěn)定的裝置放入到環(huán)形負(fù)極板內(nèi)，整個(gè)裝置搭建完成。為實(shí)現(xiàn)裝置的恒溫電脫水，再將整個(gè)試驗(yàn)裝置放入到恒溫油浴鍋內(nèi)，保持裝置內(nèi)溫度的穩(wěn)定。

圖4 試驗(yàn)驗(yàn)證裝置Fig.4 Experimental verification device

試驗(yàn)裝置的框圖如圖5 所示，除圖4 所示裝置外，還有電源、變壓器為整個(gè)裝置供電，恒溫油浴鍋對(duì)整個(gè)試驗(yàn)裝置進(jìn)行恒溫。電源信號(hào)經(jīng)變壓器變壓后引出兩路，正極施加在異徑電極上，充當(dāng)電場(chǎng)正極；負(fù)極施加在環(huán)狀負(fù)極上，充當(dāng)電場(chǎng)負(fù)極。整個(gè)電脫水裝置放于恒溫油浴鍋內(nèi)進(jìn)行電脫水過(guò)程中的恒溫。

圖5 試驗(yàn)裝置框圖Fig.5 Block diagram of test device

3 不同電極棒在不同電壓下電脫水試驗(yàn)

為驗(yàn)證該類(lèi)型電極棒的電脫水效果，尋找最優(yōu)半徑比實(shí)現(xiàn)最高效的高含水原油電脫水處理。針對(duì)不同半徑比的電極棒分別進(jìn)行30 min、45 min的電脫水處理，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比得到在30 min、45 min下的最佳半徑比電極[11]。

3.1 電脫水30 min

對(duì)已有原油進(jìn)行配比、乳化，使其含水率達(dá)到50%左右，分4 組分別加入到4 種不同半徑比的新型電極試驗(yàn)裝置之中，通過(guò)對(duì)電壓參數(shù)進(jìn)行不同設(shè)置后，對(duì)其進(jìn)行電脫水。由于適當(dāng)升溫有利于降低稠油黏度，增加高含水原油內(nèi)水滴的流動(dòng)性[12]，整個(gè)過(guò)程中，將裝置放置于恒溫油浴鍋內(nèi)，裝置溫度恒定在70 ℃左右。在電脫水處理30 min 后對(duì)其進(jìn)行取樣，取樣量約為100 mL，再對(duì)取樣的油品進(jìn)行蒸餾，測(cè)試其含水率。為了降低試驗(yàn)誤差，每一組試驗(yàn)分別進(jìn)行3次，得到不同電壓下、不同半徑比的電極在電脫水處理30 min后的平均含水率結(jié)果（表1）。

表1 中含水率1 至含水率4 依次為高含水原油在1∶1等徑電極、1∶1.5電極、1∶2電極、1∶2.5電極電脫處理30 min后的原油含水率。由表1相關(guān)數(shù)據(jù)整理可得到圖6所示的不同半徑比異徑圓柱電極電脫水30 min 含水率趨勢(shì)圖。從圖6 中可以看出，在電脫水30 min時(shí)，半徑比為1∶1.5的電極電脫水效果最佳。各電極均呈現(xiàn)出隨著電壓增加，電脫水后原油含水率先降低后上升的趨勢(shì)。

圖6 不同半徑比異徑圓柱電極電脫水30 min趨勢(shì)圖Fig.6 Trend diagram of different diameter cylindrical electrode with different radius ratio for 30 minutes

3.2 電脫水45 min

根據(jù)中海油高頻電脫工藝標(biāo)準(zhǔn)，電脫水時(shí)間在45 min之內(nèi)均滿(mǎn)足工藝要求。因此，本文也對(duì)電脫水處理時(shí)間延長(zhǎng)進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)對(duì)比。

試驗(yàn)流程大致為：與電脫水30 min 試驗(yàn)類(lèi)似，先對(duì)已有原油進(jìn)行配比、乳化、分組，之后進(jìn)行電壓參數(shù)設(shè)置，再進(jìn)行電脫水處理。整個(gè)過(guò)程中，溫度恒定在70 ℃左右。在電脫水處理45 min 后對(duì)其進(jìn)行取樣，測(cè)試其含水率。反復(fù)進(jìn)行3次測(cè)量，得到高含水原油在不同電壓下、不同半徑比電極電脫水處理后的平均原油含水率結(jié)果（表2）。

表2 中含水率1 至含水率4 依次為高含水原油在1∶1等徑電極、1∶1.5電極、1∶2電極、1∶2.5電極裝置經(jīng)過(guò)45 min 電脫水處理后的原油含水率。由表2相關(guān)數(shù)據(jù)整理可得到不同半徑比異徑圓柱電極電脫水45 min 趨勢(shì)圖（圖7）。從圖7 中可以看出，在電脫水45 min后，半徑比不同的電極最優(yōu)電壓出現(xiàn)點(diǎn)存在差異，電脫水后原油含水率最低值是通過(guò)半徑比為1∶1.5的電極電脫水后產(chǎn)生的。各電極也呈現(xiàn)出隨著電壓增加，電脫水后原油含水率先降低后上升的趨勢(shì)。同時(shí)，通過(guò)與圖6 對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，電脫水45 min原油的含水率比電脫水30 min原油含水率有明顯的降低，且半徑比為1∶1.5的電極電脫水效果明顯優(yōu)于其他三種半徑比的電極。

圖7 不同半徑比異徑圓柱電極電脫水45 min趨勢(shì)圖Fig.7 Trend diagram of different diameter cylindrical electrode with different radius ratio for 30 minutes

表1 不同半徑比異徑圓柱電極電脫水30 min后的含水率Tab.1 Water content ratio of different diameter cylindrical electrode with different radius ratio after 30 min of electric dehydration

表2 不同半徑比異徑圓柱電極電脫水45 min后的含水率Tab.2 Water content ratio of different diameter cylindrical electrode with different radius ratio after 40 min of eletric dehydration

4 最優(yōu)電極棒在不同參數(shù)的電脫水試驗(yàn)

通過(guò)前文所述已發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)過(guò)程中，半徑比為1∶1.5的電極電脫水效果最佳。因此，選用半徑比為1∶1.5的電極進(jìn)行不同頻率、不同占空比的試驗(yàn)驗(yàn)證，以確定該電極實(shí)現(xiàn)最佳電脫水效果的電場(chǎng)最佳參數(shù)。

4.1 不同頻率電脫水效果

在充分考慮電極外部形狀特征的基礎(chǔ)上，本裝置還需要選擇最優(yōu)電源特性參數(shù)，以達(dá)到新型高頻電脫水裝置的高效運(yùn)行。在選擇電源最佳頻率參數(shù)時(shí)，將電壓的占空比等特性參數(shù)保持不變。首先將原油進(jìn)行配比、乳化，使其達(dá)到高含水標(biāo)準(zhǔn)；再將乳化后的原油倒入燒杯中，將裝置進(jìn)行組裝后，調(diào)置好電源參數(shù)后進(jìn)行電脫水。電脫水過(guò)程中，裝置置于恒溫油浴鍋內(nèi)，溫度恒定在70 ℃左右。在電脫水30 min、45 min 時(shí)對(duì)其進(jìn)行2 次取樣，每次取樣約100 mL，再對(duì)取樣的油品進(jìn)行蒸餾，測(cè)試其含水率。反復(fù)進(jìn)行3次測(cè)量，得到電脫水后的原油含水率結(jié)果如表3所示。

表3 不同頻率電場(chǎng)電脫水后含水率Tab.3 Water content after electric dehydration with different frequency fields

通過(guò)表3 數(shù)據(jù)可以看出，無(wú)論電場(chǎng)頻率高低，電脫水后原油含水率均隨著時(shí)間的增加而呈現(xiàn)出降低的規(guī)律。隨著高頻電場(chǎng)頻率的增加，高含水原油在半徑比為1∶1.5的電極裝置中，電脫水后原油含水率呈現(xiàn)出先降低后增加的規(guī)律。在電源頻率為3.6 kHz 左右時(shí)，高含水原油經(jīng)過(guò)該裝置時(shí)電脫水效果最佳。

4.2 不同占空比電脫水效果

由上述試驗(yàn)可知，最優(yōu)電極為半徑比為1∶1.5的鋁質(zhì)電極，電源最佳電壓參數(shù)為5 kV，頻率參數(shù)為3.6 kHz。本裝置對(duì)電場(chǎng)的要求為高頻電場(chǎng)。除上述特征外，還需對(duì)電源的占空比參數(shù)進(jìn)行選擇。同理，首先完成高含水原油乳化液的配置，然后配置完的高含水原油乳化液倒入到燒杯中，完成裝置的組裝，再將整個(gè)裝置進(jìn)行恒溫處理。為得到最佳占空比，需將電源裝置的電壓、頻率參數(shù)設(shè)置相同，再分別設(shè)置占空比為40%、60%、70%、80%、90%，進(jìn)行5組實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

表4 不同占空比電脫后含水率Tab.4 Water content after electric dehydration with different duty cycles

表4中含水率是在半徑比為1∶1.5的電極所構(gòu)成的電脫水裝置中，分別進(jìn)行電脫水30 min和電脫水45 min 后的原油含水率。通過(guò)表4 數(shù)據(jù)可以看出，在占空比不同的情況下，電脫水后原油含水率均隨著電脫水時(shí)間的增加，含水率呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。在不同占空比下，隨著占空比的增加，含水率呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。電脫水30 min時(shí)，占空比80%與90%電脫水效果相近，但隨著時(shí)間的增加，在占空比為80%時(shí)，電脫水效果明顯優(yōu)于占空比為90%的脫水效果。因此，在占空比為80%左右時(shí)電脫水效果最佳。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)高含水原油電脫水的理論進(jìn)行分析后，對(duì)電脫水裝置電極進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì)，使其符合高含水原油水滴分布的特點(diǎn)。最終選擇了異徑圓柱電極與環(huán)形負(fù)極的方式進(jìn)行了試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)，并通過(guò)試驗(yàn)選擇最佳半徑比的電極。根據(jù)選擇出的最佳半徑比電極進(jìn)行了最佳電場(chǎng)參數(shù)的選擇。在原油含水率為50%、電脫水溫度為70 ℃左右時(shí)，得出以下結(jié)論：

（1）異徑圓柱電極半徑比為1∶1.5的電極設(shè)計(jì)最合理，電脫效果最佳。

（2）半徑比為1∶1.5的電極最佳電脫水電壓為5 kV。

（3）隨著電場(chǎng)頻率的增加，脫水效率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，最佳電脫電場(chǎng)頻率為3.6 kHz左右。

（4）隨著電場(chǎng)的占空比的增加，脫水效率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，最佳電脫電場(chǎng)占空比為80%左右。

（5）電脫水45 min效果比電脫30 min電脫效果更好。