組合電極變頻脈沖脫水器在北二聯合站原油處理中的應用

許傳迅（大慶油田有限責任公司第一采油廠）

1 北二聯合站脫水器現狀

北二聯合站目前負責5座水驅轉油站、2座聚驅轉油站、2座三元轉油站來液的脫水任務，采用兩段脫水工藝，水、聚驅一段分、二段合，三元驅獨立處理。目前有脫水器6臺，其中4臺為?4×16的組合電極變頻脈沖脫水器，單臺處理能力為1 032 t/d，實際處理量為595 t/d，負荷率達57.7%。組合電極變頻脈沖脫水器在運行過程中，存在絕緣棒大量燒毀、電場不穩定、電場倒塌現象頻繁發生等問題，導致脫后含水率為0.37%，無法達標。

2 交直流電場與變頻脈沖電場的對比

交流電場中破乳以偶極聚結和振蕩聚結為主。交流電場由于電場強度隨時間而變，促使水滴振蕩變形，振蕩力較大，更容易與油破乳分離，脫出的水較為清澈；因為不能維持穩定的電場強度，所以對粒徑小、含水率低的乳狀液的脫水效果較差，即凈化油的含水率較高，放水含油較低[1]。

直流電場中破乳以電泳聚結為主，偶極聚結為輔。直流電場穩定因而脫水效果優于交流電場，但因為電場內一部分水滴只是聚結，沒有真正破乳，水滴表面的油膜會聚集沉降，脫出的水含油較高；因為能夠保持穩定而較高的電場強度，所以對粒徑小、含水率低的乳狀液的脫水效果較好，即凈化油的含水率較低，放水含油較高[2]。

根據交直流電場破乳作用的特性，脫水器在原油含水率較高的脫水器中下部建立交流電場，在原油含水率較低的脫水器中上部建立直流電場，這種復合結構不僅能適應高含水原油的沖擊，而且保證了凈化油的含水，并降低了污水含油量[3]。

脈沖電場可以分解為直流電壓和交流電壓的疊加，脈沖電場的破乳兼顧電泳聚結、偶極聚結和振蕩聚結[4-5]。根據介質高壓電擊穿原理，擊穿電壓和作用時間有關，作用時間越短，擊穿電壓越高[6]，由于脈沖電場的頻率最高可達2 000 Hz，施加的電場強度變化快，水滴在脈沖電場中震蕩變形比交流電更劇烈，碰撞和破乳的概率更大，脫后含水和放水含油都會降低。當外加電場頻率接近液滴界面膜諧振頻率時，破乳聚結效果最高，脫后含水和放水含油最低[7-8]。

3 存在問題及原因分析

3.1 絕緣棒損壞

2018年，對組合電極變頻脈沖脫水器進行清淤作業時，發現大量絕緣棒燒毀，4臺脫水器共燒穿58個絕緣棒。

損壞的都是下層平掛柱狀電極的絕緣棒，平掛電極易淤積附作物，擊穿絕緣棒后會發生無效放電，導致電場強度轉弱。經過拆解發現，絕緣棒結構存在缺陷。絕緣棒下部在固定螺絲上安裝了一個銷子，這個銷子本意是為了提高絕緣棒承受重力的強度，然而絕緣棒直徑只有6 cm，銷子長度卻有5.6 cm，安裝完銷子后使得絕緣厚度最薄處只有0.2 cm。當這層薄薄的絕緣材料被電場放電燒穿時，絕緣棒內的銷子作為導體就會從絕緣棒內部放電，對絕緣棒造成極大的破壞，大大減少絕緣棒的使用壽命。

3.2 電場不穩定

4臺組合電極變頻脈沖脫水器由平掛交直流電脫水器改造而成，改造后電場不穩的情況明顯增多，嚴重的會發生電場倒塌，平均每月7次。進入容器內部發現，組合電極變頻脈沖脫水器相對于平掛交直流電脫水器，下層平掛柱狀電極距罐底低，平掛交直流電脫水器最下層極板高度為250 cm，組合電極變頻脈沖脫水器下層極板高度為210 cm，底部高含水油沖擊電極的概率變大，使脫水器電場穩定性下降。

3.3 含水率偏高

組合電極變頻脈沖脫水器在投產后，平均脫后含水率為0.37%，雖然比交直流電脫水器的脫水效果好，但依然無法達到脫后含水率小于0.3%的指標。

組合電極變頻脈沖脫水器的優勢在于可通過改變頻率提升脫水效果。當脈沖電場頻率與水滴固有振蕩頻率相接近時，易產生諧振，提高乳化微小液滴聚合能力，加快脫水進程，有利于提升脫水質量。由于每臺脫水器都沒有找出適合的頻率設定，導致脫水效果不佳[9-10]。

4 相應對策

4.1 改變絕緣棒結構

將絕緣棒銷子長度5.6 cm縮短為4 cm，安裝完銷子后絕緣棒最薄處增加到1 cm，絕緣棒有效絕緣厚度比原來的設計增加0.8 cm，減少了絕緣棒被電場燒穿的概率，增加了絕緣棒的使用壽命。同時，在固定螺絲上再鉆孔安裝一個同樣長度的銷子，使兩個銷子成十字花分布，保證了絕緣棒的整體強度，改進的絕緣棒銷子見圖1。

圖1 改進的絕緣棒銷子Fig.1 Improved insulation rod dowel

2018年9月，對所有脫水器的絕緣棒進行了改造。2019—2021年，絕緣棒合計損壞9個，減少了絕緣棒的損耗，增加了絕緣棒的使用壽命。絕緣棒單價為72元，平均年節約資金0.4萬元。

4.2 提升平掛極板高度

上層豎掛極板上沿距罐頂160 cm，與設計人員結合后，確定罐頂間距可以適當縮短。2021年12月，通過調整罐頂連接螺栓長度，將極板的高度整體提升40 cm，下層平掛極板高度由210 cm增加到250 cm。改造后電場穩定，電流由33 A下降到16 A，下降幅度明顯。對比2021年，2022年每月平均電場倒塌次數由7次減少到2次，年耗電量減少10.95×104k Wh，年節約電費7萬元。

4.3 調整脫水器頻率

通過不斷微調脫水器頻率，同時化驗脫后含水，找出脫水器脫水效果最好的頻率。

1#電脫水器最佳頻率為1 000 Hz，2#脫水器最佳頻率為900 Hz，3#脫水器最佳頻率為800 Hz，4#脫水器最佳頻率為800 Hz，調整后總出口含水率由0.37%下降到0.19%，滿足外輸油含水指標，脫水器不同頻率下的含水率見圖2。

圖2 脫水器不同頻率下的含水率Fig.2 Water content of electric dehydrator at different frequencies

5 結論

針對組合電極變頻脈沖脫水器在使用過程中出現的問題，對其進行了調整和改造。通過改變絕緣棒結構解決絕緣棒大量燒毀的問題，年節約材料費0.4萬元；通過調整電脫水器布局解決電場不穩的問題，年節約電量10.95×104kWh，年節約電費7萬元；通過調整輸出頻率解決脫后含水偏高的問題，使得脫后含水率從0.37%下降到0.19%。采取行之有效的對策，可有效保障系統的穩定運行、生產達標和提質增效。