電場強化型臥式油水分離器性能試驗研究

姜超 陳家慶 董建宇 石熠 安申法 欒智勇 黃松濤

摘要：基于自主搭建的電場破乳協同型油水分離器室內試驗樣機，針對由10號白油和超純水配制的W/O型模擬乳化液，開展高頻/高壓脈沖交流電場作用下的破乳脫水動態試驗研究。首先借助FBRM粒徑分析測量儀和乳化液穩定性分析儀進行模擬乳化液的穩定性評價，然后采用離心法和卡爾費休法進行油水分離器脫水性能評價，探究電場參數（電壓、頻率、占空比）和工況參數（電場作用時間、水力停留時間）等因素對乳化液電場破乳脫水效果的影響規律。試驗結果表明：2種評價方法都可用于乳化液含水體積分數測定，但是應用場合需要根據乳化液乳化程度而定；合適的電場參數和操作參數對保證電場破乳協同型臥式油水分離器的破乳脫水效果至關重要，對于所配制含水體積分數為20%的W/O型乳化液而言，最優電場參數為電壓峰-峰值2.7 kV、頻率4 kHz、占空比10%，水力停留時間為20 min，此時分離器油出口樣品的含水體積分數能夠降低至3.5%。研究結果可為電場破乳協同型三相分離器的工程放大設計及結構改進提供參考。

關鍵詞：油水分離器；油水乳化液；電場破乳；重力沉降；高頻交流電場

0 引 言

隨著我國大部分陸上油田及部分海上油田先后進入開采中后期，以及強化采油（EOR）技術的推廣應用，油井采出液含水體積分數升高、乳化程度嚴重，致使常規三相分離器預分水效果變差，油出口的含水體積分數升高。為使原油處理達標，常規做法是采取升高溫度、增加處理單元數等手段，但這些舉措既增加了工藝流程，又增加了運行成本，直接影響油田開發的降本提質增效效果［1］。為了提高常規臥式三相分離器的預分水效果，在其內部集成協同電場破乳作用的方法日益引起關注，其中技術含量最高、破乳作用原理最為清晰、適合新建和改建三相分離器的做法是：將電場破乳組件制作安放呈“懸空過流墻壁狀”，覆蓋分離器內油水混合液軸向流動斷面上的特定區域，同時施加高頻/高壓脈沖交流電場，使該區域油包水（W/O）型乳化液中的分散相水顆粒聚結長大，從而加速后續重力沉降的過程［2］。原ABB Offshore System公司推出的分離器內置式靜電聚結器（Vessel Internal Electrostatic Coalescer，VIEC）作為相應的代表性產品，自2003年6月首次在北海挪威海域Troll C采油平臺的第一級三相分離器中應用以來，雖然已應用超過30多個工程案例，但圍繞性能預測或測試評價方面的研究工作相對較少［3-5］；2005年，Aibel AS公司的D.J.WOOD等［6］通過對VIEC內部流道進行CFD建模，采用歐拉多相流模型計算，并以油為連續相、水為分散相的液滴生長聚結模型，分別對罐體內部有無VIEC電極組件的2種情況下的不同流場進行計算分析，但并未試驗驗證其模擬結果；2008年，挪威科技大學（NTNU） SJBLOM J教授團隊［7-8］對VIEC技術的電場破乳性能進行了室內測試評估，考察了不同剪切速率、含水體積分數、破乳劑用量以及是否施加電場等因素對破乳分離性能的影響，但并未探究電場參數及操作參數對破乳分離效果的影響。國內方面，中國石油大學（華東）何利民教授團隊［9-11］基于帶絕緣層平板電極的臥式電脫水設備進行室內試驗研究，分別針對電場參數（電場強度、電場頻率、占空比）和非電場參數（含水體積分數、流量、極板間距）對油包水（W/O）型乳化液電場破乳脫水過程的影響進行評價，采取等動量取樣并借助高速顯微攝像技術觀測電場作用下的液滴形變并計算其變形度，以此來評價電場破乳效果，但試驗中所用電場頻率屬于中低頻率范圍（50～1 000 Hz）。

為此，筆者擬聚焦VIEC類電場破乳協同型三相分離器中的油水分離區，設計搭建電場破乳協同型油水分離器室內試驗樣機，然后結合高頻/高壓脈沖交流電源和所配制的油包水（W/O）型模擬乳化液，開展破乳脫水性能的動態評價試驗研究，考察不同電場參數和操作參數對電場破乳協同型油水分離器破乳分離性能的影響規律，以便在一定程度上彌補現有研究工作的缺失，促進VIEC技術早日實現推廣應用。

1 電場破乳協同型油水分離器

電場破乳協同型油水分離器用于實施油水乳化液電場破乳和沉降分離，其結構如圖1a所示。由圖1a可知，該分離器主要由殼體、入口布液管、隔油堰板、多孔均流板、上下兩層對齊排列的金屬平板電極組件等組成。分離器的容積為2 L，采用透明有機玻璃材質制作，以使得破乳脫水過程可視化。采用4根螺柱將油水乳化液的多孔均流板和金屬電極組件安裝固定為一個整體，并置于容器內合適位置；當對電極組件進行改裝和拆卸時，只需打開分離器端蓋，即可將其整體取出，再將安裝于電極板固定塊凹槽中的金屬電極板取下。

工作過程中，通過蠕動泵將油水乳化液以一定速度輸送至分離器入口，隨后通過多孔均流板上豎向均勻分布的等徑小孔進入電場作用區域;乳化液從板式金屬電極組件相鄰極板之間形成的流道中通過時，在均勻電場作用下發生破乳聚結，水顆粒分散相聚結長大并在重力作用下沉降至罐底，最后經水出口排入廢液罐；油相則需經隔油堰板上部流入油腔，從油出口排入廢液罐，最終實現油水分離的目的。

當入口流量保持為100 mL/min時，設計的分離器水力停留時間為20 min。油水分離器內部電極組件中的極板接線方式如圖1b所示，每層金屬平板電極組件由3塊電極板組成，極板間距為24 mm，中間電極板通過高壓電線與高頻/高壓脈沖交流電源相連，兩側的2塊電極板接地；前端輸入電壓經變壓器整流放大后輸出至金屬電極組件。

為了考察極板間的電場強度，采用COMSOL Multiphysics軟件對其進行數值模擬計算。以含水體積分數為20%的白油乳化液為例，其相對介電常數為11.5。模擬結果顯示，施加電壓后極板間形成勻強電場，當對高壓電極板施加電壓為2 kV時，極板間的電場強度為0.8 kV/cm，其他輸入電壓、輸出電壓和電場強度之間的對應數值如表1所示。

必須指出的是，對于結構尺寸固定的電場破乳協同型油水分離器而言，除電場參數（電壓、頻率、占空比）和乳化液物性參數（密度、黏度、含水體積分數、剪切作用時間、乳化劑用量等）會影響分離器的工作性能外，電場作用時間以及分離器水出口和入口流量的百分比（簡稱為分流比）也會直接影響分離效果。

2 試驗系統和試驗測試方法

2.1 試驗系統組成

油水沉降分離區往往占據常規三相分離器內的大部分空間，電場破乳協同型三相分離器的設計研發初衷則是在保持常規三相分離器相關功能的前提下，設法對油水乳化層實施電場破乳，然后在重力場作用下使更多油相上浮至油層、更多水相沉降至水層。為聚焦VIEC類電場破乳協同型三相分離器內的油水兩相分離過程，自主搭建了電場破乳協同型油水分離器工作性能動態評價室內試驗樣機，以便重點考察電場參數及工況參數對油水分離性能的影響規律。電場破乳協同型油水分離器工作性能動態評價試驗工藝流程如圖2所示。

除了必要的管線、閥門外，試驗樣機主要包括乳化液原料罐、乳化液廢液罐、蠕動泵、在線剪切機、G600型聚焦光束反射測量儀（FBRM）、電場破乳協同型臥式油水分離器、高頻/高壓脈沖交流電源、示波器等。其中高頻/高壓脈沖交流電源為團隊自主設計研發的BIPTHFE-Ⅲ型高頻/高壓脈沖交流電源，采用全數字化控制，僅需通過操作面板即可完成所有電場參數設置，前級調壓采用非隔離型DC/DC降壓方式，采用三相AC 380 V交流輸入，輸出電壓調節范圍為0～20 kV，輸出頻率調節范圍為500～5 000 Hz，輸出電流調節范圍為0～5 A，電能轉換效率可達94%以上。

2.2 試驗步驟

2.2.1 W/O型乳化液配制

為排除試驗無關的陽離子對試驗結果的干擾，以及室內試驗設備極板間距小、容易造成導電通路等因素的影響，選用超純水作為分散相，10號白油作為連續相，2種液體按一定的比例配制成W/O型乳化液。為了保證所配制乳化液能夠滿足試驗的穩定性要求，添加了Span80（失水山梨糖醇脂肪酸酯）乳化劑；為了盡量保證測試結果的準確性和可靠性，研究過程中每改變任何一個試驗參數都重新配制乳化液，且容量均為10 L。

結合圖2來描述配制W/O型模擬乳化液的大體過程：①先量取一定體積的白油和超純水放入原料罐，并加入一定劑量的Span80乳化劑；②啟動蠕動泵，使油水混合液在系統管路中循環流動；③開啟T50型均質乳化機至特定檔位，持續剪切油水混合物一定時間；④剪切過程中通過聚焦光束反射測量儀（FBRM）在線檢測乳化液中分散相水顆粒粒徑分布，待粒徑范圍不再發生大幅度變化時，在分離器油出口進行取樣，并采用法國Formulaction公司Turbiscan LAB穩定性分析儀測量該樣品的動力學穩定系數（TSI），判斷乳化液是否達到穩定狀態；⑤通過改變Span80乳化劑添加量和調整剪切機檔位（速度），優選乳化液配制參數。以配制含水體積分數20%的W/O型模擬乳化液為例，當10號白油總量為8 000 mL、超純水總量為2 000 mL、乳化劑加量為4 g/L時，將均質乳化機轉速調為第4檔（6 000 r/mIn）、剪切時間設置為20 min，可配置出滿足試驗所需穩定性的乳化液。

乳化液穩定性判斷標準為：①均質乳化機停轉后FBRM測得分散相粒徑數不再變化且TSI<5；②將乳化液靜置20 min后，再次使用Turbiscan LAB穩定性分析儀測量TSI值，其值仍未發生變化。這也從另一角度說明，所配制的乳化液僅憑重力沉降方式難以實現油水兩相破乳分離。

2.2.2 電場動態破乳及測試評價方法

配制好乳化液后，啟動分離器入口的蠕動泵，使乳化液充滿分離器。所用電場破乳協同型油水分離器的設計停留時間為20 min，設計處理量為100 L/min。以分流比30%為例，設置入口流量為100 mL/min，水出口流量為30 mL/min，同時開啟設備入口和水出口蠕動泵，隨后啟動高頻/高壓脈沖交流電源并開始計時，待采集電流和電壓峰-峰值穩定后再記錄電場參數。通電20 min后，在分離器的油出口進行取樣，分別采用離心法和卡爾費休法測定樣品的含水體積分數作為分離性能的評價指標，并將測定結果互相對比驗證。

在采用離心法測定油出口樣品的含水體積分數時，每次取樣量為100 mL。在樣品中加入2滴破乳劑和2滴紅墨水，混合均勻后倒入離心瓶，放入Digtor-21c型離心機中，設置離心機啟-停時長為8 min、穩定階段的離心轉速為1 800 r/min、離心腔室內的環境溫度為50 ℃。待離心完成后，觀察并記錄離心瓶底部紅色區域的體積。由于紅墨水具有親水性，因此底部紅色區域即為明水區域。在采用卡爾費休法測定油出口樣品的含水體積分數時，每次取樣量約5 mL，然后用一次性移液管取2～3滴待測樣品滴入KFO-30型全自動焦油水分測定儀并稱重。待樣品在儀器內反應完成后，通過儀器操作面板輸入反應所消耗的樣品質量，即可直接顯示該工況下樣品的含水體積分數。

2.2.3 破乳效果及測試評價方法有效性驗證

采用含水體積分數為20%的白油乳化液來驗證測試評價方法的有效性。在電壓為1.5 kV、頻率為4 000 Hz、占空比為10%的電場參數組合下，分別對比分離器入口、分離器油出口（不通電）、分離器油出口（通電）3個取樣位置的分離效果，如圖3所示。由圖3可知，分離器入口樣品與不通電狀態下油出口樣品均無明水析出，不通電動態運行10 min后分離器油出口100 mL樣品中清油約為30 mL，其余全部為乳化狀態，說明在此工況下幾乎沒有明顯破乳效果；相比之下，持續通電動態運行10 min后分離器油出口100 mL樣品中的乳化層厚度僅為6 mL，析出明水量為4 mL，計算得到綜合含水體積分數約為10%；使用焦油水分測定儀對3者進行含水體積分數測定，分離器入口乳化液樣品的含水體積分數為20.30%，不通電動態運行10 min后分離器油出口樣品的含水體積分數為18.59%，持續通電動態運行10 min后分離器油出口樣品的含水體積分數為11.53%（非最優電場參數下）。上述數據表明：①對于電場破乳后的乳化液，離心法得到的含水體積分數與卡爾費休法測量得到的結果相近；②不通電狀態下，僅靠重力沉降作用難以實現乳化液的破乳分離，而施加高頻/高壓脈沖交流電場則效果顯著，充分證明了電場破乳的有效性。

3 試驗結果分析討論

3.1 電場參數對油水分離性能的影響

3.1.1 通電電壓

保持模擬乳化液的含水體積分數為20%、電場頻率為4 kHz、占空比為10%、分流比為30%，水力停留時間為20 min不變；依次改變電壓峰-峰值為1.5、2.1、2.7、3.3、3.9和4.5 kV，以考察不同通電電壓對油水分離性能的影響。由于通電動態運行一段時間后，電場作用區域內乳化液的含水體積分數基本保持穩定，可認為極板間液體的相對介電常數基本保持一致，可以采用電壓峰-峰值等效表征極板間的電場強度。圖4為不同電壓峰-峰值下油水分離器油出口樣品含水體積分數的變化曲線。從圖4可以看出，隨著電壓峰-峰值的升高，油出口樣品含水體積分數都呈現先降低后升高的趨勢：①當電壓峰-峰值在1.5～2.7 kV內，隨著電壓峰-峰值的升高電場破乳脫水效率也明顯升高；②當電壓峰-峰值在2.7～3.9 kV之間時，油出口樣品含水體積分數基本維持不變；③當電壓峰-峰值大于3.9 kV時，電場作用效果表現為抑制作用，電場破乳脫水效率降低。分析其原因為W/O型模擬乳化液中分散相水顆粒在電場中發生極化，在電場力作用下提高了碰撞聚結的可能性，且在一定范圍內聚結破乳效果隨著電場強度的增大而明顯增強［12］；但當電場強度有效值超過某一臨界值時，反而會引起較大粒徑的水顆粒發生破碎，從而導致油水分離效率降低［13］。綜合衡量以上試驗與分析，此工況下的最優電壓峰-峰值為2.7 kV。

3.1.2 電場頻率

保持模擬乳化液的含水體積分數為20%、電壓峰-峰值為2.7 kV、占空比為10%、分流比為30%、設備停留時間為20 min不變；依次改變電場頻率為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5和5.0 kHz，以考察不同電場頻率對分離器分離效果的影響。圖5為不同電場頻率下分離器油出口樣品含水體積分數的變化情況。

從圖5可以看出，隨著電場頻率的增大，油出口含水體積分數總體呈現先降低后升高的趨勢：①當電場頻率低于1.5 kHz時，單脈沖通電時間較長，大量聚結后的水顆粒在電極板之間排列成水鏈。由于該分離器采用金屬板式裸電極，此時極板間較易形成導電通路，即導致所能施加的有效電壓值較小，且電流值較大而不穩定，所以電場破乳效果差，油出口樣品含水體積分數總體較高。②當電場頻率在1.5～4.0 kHz之間時，隨著電場頻率的增大，油出口樣品含水體積分數呈降低趨勢，且在4.0 kHz時油出口樣品含水體積分數到達最低點。這是因為繼續增大電場頻率時不再出現極板導通情況，相同輸入電壓下所施加的輸出電壓值顯著增加，電流趨于穩定，所以電場破乳脫水過程趨于穩定且破乳脫水效率較高。③當電場頻率大于4.0 kHz時，隨著電場頻率的繼續增大，油出口樣品含水體積分數反而升高。分析其原因為乳化液中分散相水顆粒在交流電場中發生振蕩變形，當外加電場頻率與水顆粒固有頻率接近時發生共振現象，水顆粒振蕩幅度最大，相應變形程度也最大，此時油水界面膜處于極不穩定狀態，界面膜極易破碎而使水顆粒發生聚結，相應的破乳分離效果最好，對應的電場頻率即為該乳化液破乳分離的最優電場頻率［14］；當外加電場頻率高于或低于水顆粒固有頻率時，都會使共振現象減弱，從而導致聚結效果減弱［15］。綜合以上試驗與分析，考慮到避免出現極板導通情況并使破乳分離效果達到最優，建議當前工況條件下的電場頻率保持在1.5 kHz以上，最優電場頻率為4.0 kHz。

3.1.3 占空比

保持模擬乳化液的含水體積分數為20%、電壓峰-峰值為2.7 kV、電場頻率為4.0 kHz、分流比為30%、設備停留時間為20 min不變；依次改變占空比為5%、10%、15%、20%、25%和30%，以考察不同占空比對分離效果的影響。圖6為不同占空比下，分離器油出口樣品含水體積分數的變化情況圖。從圖6可以看出，隨著占空比的增大，分離器油出口含水體積分數降低，且占空比對破乳效果的影響較電場強度和電場頻率小。具體表現在：①當占空比為5%時，破乳效果較差，油出口樣品的含水體積分數較高；②當占空比大于10%時，隨著占空比的增大，油出口含水體積分數逐漸降低，但變化較為緩慢。分析其原因為占空比是一個電壓波形周期內所輸出有效電壓時間與周期的比值，不僅對電場作用下單液滴極化變形和多液滴形成水鏈等過程具有重要影響，同時也是影響電源能耗的主要因素之一［16］。當占空比為5%時，電源有效電壓作用時間過短，電壓有效值極不穩定，從而使破乳效率降低；當占空比在10%～30%之間時，占空比對破乳效率影響較小，且過高占空比導致分離器內油水混合液溫度急劇升高。為了保證試驗結果的有效性，選用10%占空比為最優占空比。

3.2 操作參數對油水分離性能的影響

3.2.1 電場作用時間

電場作用時間表示電極模塊通電運行時間，該參數可作為設備的水力停留時間選取的重要參考。保持模擬乳化液的含水體積分數為20%、電壓峰-峰值為2.7 kV、電場頻率為4 kHz、占空比為10%、分流比為30%、乳化液動態循環入口流量為100 mL/min不變；分別保持電極組件通電時間為2、5、8、11、14、17、20和23 min，然后對分離器油出口進行依次取樣。圖7為不同通電時長下油水分離器油出口樣品含水體積分數的變化情況。

從圖7可以看出：①隨著設備電極模塊通電時間的延長，油水分離器油出口樣品的含水體積分數呈下降趨勢，但在達到設計停留時間（20 min）之后趨于穩定；②在電極模塊通電時間小于10 min的情況下，隨著電極模塊通電時間的延長，油出口樣品的含水體積分數急劇下降；③當電極模塊通電時間在10～20 min之間時，隨著電極模塊通電時間的增長，油出口樣品的含水體積分數下降速度放緩；④當電極模塊通電時間超過設計停留時間（20 min）后，隨著通電運行時間的持續延長，油出口樣品的含水體積分數基本不變，達到一種動態平衡。分析其原因為，電場破乳協同型油水分離器內油水乳化液在電場作用下的破乳脫水過程可分為破乳期、沉降分離期和動態平衡期。乳化液由分離器入口進入，并流經均流板后到達電場作用區域，在高頻/高壓電場作用下分散相水顆粒開始聚結，該時期即為破乳階段；聚結長大的水顆粒在重力作用下向分離器底部沉降匯集，然后經由水出口排出，輕質油相上浮后經隔油堰板從油出口排出，該時期為沉降分離階段；經過一定時間后（設計停留時間20 min），水出口的分流流量與沉降至分離器底部的水量大致相等，給定分流比下油出口樣品的含水體積分數也不再變化，最終達到該工況下的動態平衡。

3.2.2 水力停留時間

保持模擬乳化液的含水體積分數為20%、電壓峰-峰值為2.7 kV、電場頻率為4 kHz、占空比為10%、分流比為30%不變；通過改變分離器的入口流量，使得分離器內油水混合物的水力停留時間分別為5、10、15、20、25和30 min，進而考察不同水力停留時間對油水分離器破乳分離效果的影響。圖8為不同水力停留時間下，分離器油出口樣品含水體積分數的變化情況。從圖8可以看出，油出口樣品含水體積分數總體上隨水力停留時間的延長而逐漸降低。當水力停留時間小于20 min時，油出口樣品含水體積分數隨著水力停留時間延長而下降較快；當水力停留時間大于20 min時，油出口樣品含水體積分數的下降幅度變緩。分析其原因為入口流量不僅直接影響乳化液在分離器內的水力停留時間，同時影響乳化液的流動狀態。當入口流量較大時，流體處于強湍流狀態，使電場作用下聚結形成的大液滴再次破碎成小液滴，導致破乳分離效果不明顯，從而使油出口樣品的含水體積分數較高；當入口流量較小時，水力停留時間延長，有利于電場作用下聚結形成的大液滴充分進行重力沉降分離，從而使油出口含水體積分數降低；而當繼續減小入口流量時，乳化液的分離效果不會因為水力停留時間的延長而進一步提升，反而導致電能消耗增加［17］。綜合上述試驗與分析，最優停留時間可取20 min。

4 結 論

（1）離心法操作簡單但誤差相對較大，卡爾費休法對操作技術要求較高但結果精確；同一工況下，采用離心法和卡爾費休法對油的含水體積分數測試分析結果的差別都在可接受誤差范圍內，得到分離器油出口樣品含水體積分數的變化趨勢也較為一致，表明這2種方法均可作為電場破乳協同型臥式油水分離器分離性能的有效評價手段，可根據待測定乳化液含水體積分數的范圍或儀器設備操作使用的便捷性，選取更為合適的分離性能評價方法。

（2）W/O型乳化液在均勻電場作用下，電場參數（電場強度、電場頻率、占空比）對破乳脫水效果影響較大，其優選對于提高金屬極板電場破乳協同型臥式油水分離器的破乳脫水效果具有重要意義。本次試驗中，含水體積分數為20%的W/O型油水乳化液對應的最優電場參數分別為：電場強度1.08 kV/cm（電壓為2.7 kV）、電場頻率4 kHz、占空比10%，在該參數組合下穩定運行，可將金屬極板電場破乳協同型臥式油水分離器油出口含水體積分數降低至3.5%。

（3）入口流速直接決定油水混合物在分離器內部的湍流程度和設備的水力停留時間，而在適當的湍流程度條件下水力停留時間是判斷“電場破乳+沉降脫水”過程充分與否的重要因素。水力停留時間過短，乳化液中分散相水顆粒未完全聚結就已流出電場作用區域，導致破乳聚結效果不充分；而水力停留時間過長，則會導致設備處理效率低下。在相同電場參數下，可通過電場作用時間（電極模塊的通電時間）推算出設備最佳水力停留時間。對于該試驗設備，最佳水力停留時間為20 min。

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