原油脱水用管式静电聚结技术研究概况

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传统的原油脱水通常采用三相分离器电脱水器”的处理工艺，整个流程 占地面积大，脱水效率低，耗能高，工作不稳定，含水量高时容易发生垮电场现象。为此，国外研究人员提出先对油水乳化液进行静电聚结使油中水颗粒变大，然后再进行重力沉降的原油脱水，并根据这种原理研制生产了多种静电聚结设备，典型的产 品有 电脉 冲 感 应 聚 结 器 (Electro-PulseInductive Coalescer，EPIC)、紧凑 型静 电聚结器(Compact Electrostatic Coalescer，CEC)、在线静电聚结器 (Inline Electrostatic Coalescer，IEC)等第-代设备，以及改进后的新-代在线静电聚 结器 IEC 和紧凑 型 静 电 聚结 分离 器(Compact Electrostatic Separation，CES)等设备l1 ]，这些静电聚结设备都采用管式结构和高压绝缘电极，克服了传统工艺的缺点，具有紧凑、高效、破乳剂使用量少的优点，即使在高含水的条件下也不发生短路和垮 电场现象 ，因此在海洋石油 、陆上高含水油 田和绿 色油 田开发中得到越来越多的应用l 。

收稿日期：2O12-12-25基 金 项 目：北 京 市 教 委 科 技 计 划 面 上 项 目(KM201 310017008)；北京市属市管高等学校人才强教计划资助项 目(PHR200906214)作者简介：张宝生(1971-)，男，硕士，副教授，研究方向为石油机械 ，zhangbaosheng###bipt.edu.cn。

1 第- 代 管 式 静 电聚 结 技 术 与设备2O世纪 8O年代 初期 ，为 了突破常规 电脱水技术难以处理较高含水率 w/o型乳化液的限制 ，英国 Bradford大学的 Philip.J.Bailes教授开发出了-种静电破乳器 ，可以在含水质量分数高达 65 以上时正常工作，其主要特点是对高压电极进行了绝缘涂层处理，并使用高压脉冲 DC电场来克服高压 DC电场下绝缘涂层对 电场强度的急剧衰减效应。这项研究为后来- 系 列 紧 凑 型 静 电 聚 结 器 的 诞 生 奠 定 了基础 。

1991年前后 ，美 国 Natco集 团研发出单流道电脉冲感应聚结器 EPIC，如 图 1(a)所示，该聚结器为管式结构 ，立式放置 ，在-个带有绝缘涂层的中心电极和接地容器壳体之间施加高压脉冲 DC电场 ，原油乳化 液通过切 向入 口进入聚结器，在 电场力和离心力的双重作用下 ，分散相水颗粒聚结长大 ，之后进入下游的常规重力沉降罐完成分离。但 Natco集团后来研究发现，同频率下高压 AC电场比高压 DC电场在提高聚结能力上更为有效，于是停止了对EPIC的继续研发。

1998年 6月，KPS公司申请了以高压 Ac38 北京石油化工学院学报 2013年第 21卷次破坏 ，从而提高了后续沉降过程中的分离效率8]。但是该装置采用-级聚结方式，仅仅让乳化液短时间通过高压电极 ，因而乳化液 中水颗粒聚结 长大 的 时间不 够充分 ，影响 了分 离效果 。

NATCO(已被 CAMERON 公司收购)公司于 2008年前后推 出了能处理 高含水原油的Y型和 H型紧凑型静 电聚结分离器 CES，其特点是将原来 EPIC单纯的静电预聚结功能扩展，增加了重力分离过程，两者的结合使这种静电聚结分离器能独立进行原油乳化液的脱水 ，特别对高含水原油 的处理 更具优势 。H 型紧凑型静 电分离器 CES的原理图如 图 3所示 ，其采用双级串联处理模式 ，每级静电聚结分离器的结构与 EPIC或 CEC类似，都采用管式结构，内置圆柱型高压绝缘电极 ，外 管接地 ，中间形成的高压电场对流过管道的原油乳化液进行静电聚结处理 ，与 EPIC和 CEC的立式布置不同 ，其管道采用倾斜布置 ，这样分散水颗粒在管道 中被静 电聚结增大后 能沉降到管道下壁上 。

由于沉降距离短 ，水颗粒能够 比较迅速沉降分离 ，在管道的下部留有较长的空间和出水口，使分离出的水能够在此汇集排出，也能使水中的油充分分离 出来。实际测试表明 ，该分离器在入 口 31.5%的含水率条件下 ，油 出口含水率仅有 3.4 ，水出口含油率小于 100 g/g；即使在含水率高达 76 的条件下，油出口含水率也能降低到4 以下，而分离水中的含油率可降低到 200 gg/g以下 ]。但是该装置存在I临界处理量的问题 ，如图 4所示 ，-旦处理量超过临界值 ，油水分离过程就会失效。这是因为流量超过-定值时，向上流动的液体流速会大于油中较大水颗粒的沉降速度，这些水颗粒会被带走而难以沉降，造成油出口含水率急剧升高，处理效果大大降低 ，因此该装置的处理量要严格限油混图 3 H型静电聚结分离器 CES示意图制在临界处理量内。

鋈糌抽 Ⅱ丑 曩液体流速图 4 H 型静电聚结分离器临界流速示意图与此同时，国外对静电聚结高压电场的研究也在不断深入 。ABB研究中心对 8 kV不同频率 (0，50，100，200，400，600，800，1 000 Hz)高压下的静 电聚结前后水颗粒的粒径进行了对比分析 ，发现高频条件下较 常规工频下 的颗粒粒径 增 大 4倍 左 右口 。2006年，挪 威 的Chiesa.M 在研究 中发现采用高频方波交流电厨行静电聚结效果更好，这为高频电场的研究开辟了新途径。其主要优点为：①高频方波交流 电压实际作用在乳化液间的电场电压与直流、直流脉冲和工频交流相比大幅提高 ；②方波交流电场所有作用时间内，电场电压均在乳化液聚结 I临界电压之上 ；③与同峰值 的正弦波交流相比，聚结电压 作用效果约提高 40 ；④高频方波交流可克服乳化液时间常数，并有效 防止带净电荷的分散水颗粒发生剧烈震荡而影响聚结效果l1 。

3 结论在我国的油气集输工程领域 ，围绕 油水分离开展的研究工作主要是地面常规重力分离技术，相比国外研究机构和公 司所做的大量基础研究工作和不断推出的新产品 ，我国在此领域的研究和应用才刚刚起步 ，目前还仅停 留在对CEC等第-代管式静 电聚结技术进行研究和初步应用的阶段，对新-代管式静电聚结技术IEC和 CES技 术还 未开 展研 究 和应用[1 ]。

为研发具有 自主知识产权 的管式静电聚结技术，填补国内在该领域的研究空白，缩型国外的差距 ，需要在 以下方 向上开展管式静电聚结应用基础研究 ：3.1 高频电驰结特性研究为提高处理效果 ，新型静电聚结器通 常采用高频/高压电场，这与传统电脱水器采用的工频电场不同。相 比 DC或工频 AC电场下液滴第 3期 张宝生等 .原油脱水用管式静电聚结技术研究概况 39的静电聚结过程，高频/高压电场作用下液滴的变形、碰撞、聚结、分散等行为更为复杂和剧烈，加上紊流的作用，因而采用高频 AC电场时，聚结效果与乳化液的性质密切相关口 。 ，所 以需要研究针对不同类型的乳化液调节电场的参数，优化电压幅值和频率，从而有效地提高脱水效率，降低电能的消耗，避免电击穿现象的发生，达到最佳脱水效果。

3.2 高压绝缘电极研究绝缘电极是管式聚结器的关键部件，不但要产生静 电聚结所需要 的电场 ，而且能够在分离器内高温、高腐蚀、高含水的环境下承受高压电而不被击穿，同时要保证与外部环境之间的可靠绝缘和密封，这对电极提出了苛刻的要求，因此需要对高压电极的结构和绝缘材料进行研究，如采用合理的密封方式，保证管内流体不会从钢管顶部与高压电极之间缝隙漏出；根据电极在高压下的静电聚结工作特性，选择合适厚度的绝缘材料等。

3.3 管式静电聚结器结构研究虽然新-代 IEC和 H型静电聚结器将静电聚结和重力分离 2个过程比较紧密结合起来 ，克服了以往静电聚结器 的缺点 ，但是 目前还处于研究开发阶段，未进人大规模产品应用阶段，实际效果还有待观察。在结构设计和性能上依然有局限性 ，比如 H型静电聚结器在处理量上还受到限制 ；IEC还没有充分发挥管式聚结器的优势，只有-级处理器等。为进-步发挥管式聚结器的优势，还需要在结构设计上进行改进和完善 。

3.4 静电聚结器的工程放大技术研究从国外对静电聚结研究的过程来看，其基础研究与实 际应用结合的非臭密 ，产 品的开发总是以应用基础研究为先导，基础研究 的成果又为开发产品提供有力的支持，并引导产品开发的方向，产品在实际应用中经过检验，发现其优缺点，然后再通过新的研究来解决问题，并不断的将研究 引向深入 。因此 ，在进行 静电聚结应用基础研究 的同时，要研究工程化放大和产品设计的问题，对实验室样机上取得的数据和经验如何进行工程应用进行研究，以眷使基础研究成果转化为实际产品。