老化油脱水实验研究

2018-12-13张金鹏赵立全宫承君赵磊

石油石化节能 2018年10期

关键词：油样电场老化

张金鹏赵立全宫承君赵磊

（1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司；2.山东中世天然气有限公司）

1 老化油性质

图1所示的为绥中36-1平台上的老化油油样。观察后发现，油样中存在大量的游离水，游离水呈黑褐色并含有大量黑色杂质，油样表面粗糙，是明显的老化油形态。

图1 实验油样

2 实验设备

实验设备主要由智能响应脱水电源控制柜、高频变压器、石油密闭脱水仪组成。

智能响应脱水电源的输出电压大小、频率、脉冲宽度比都能连续可调，确保老化油的脱水参数最佳。与工频脱水电源相比，智能响应脱水电源不仅脱水质量好，而且脱水速度快，节能效果明显。其基本参数如下所述。

◇电源：电压，AC 220V±0.2 V；频率，50 Hz±0.1 Hz

◇高频变压器频率范围：300～9000 Hz

◇电源输出脉冲宽度比：10%～86%

◇额定输出功率：1500 W

◇高频变压器：变压器输入端电压，5～90 V；频率，300～9000 Hz；高压输出，800～9500 V

◇原油脱水反应釜:实验时，将老化油样品装入脱水反应釜，在加热温度为100～150℃、压力为0.4～0.8 MPa的条件下脱水。设置好控制温度和控制压力，自动控温控压加热。釜体额定容量为4000 mL。

3 实验原理

老化油是一种特定状态的石油[1]，这种油受到污染或者因为氧化，或者因为存放时间太长，油品发生了物理和化学性能变化。常见的老化油是指油井管外漏油、原油储罐罐底油、运输船只的舱底油、污水事故池和污水处理装置回收的乳化油、原油处理装置排出的乳化液，以及油井各种作业后排出的污油等。老化油是一种严重乳化液，含有多种矿物质、杂质，老化油中的水具有很强导电性[2]。原油电脱水是在电脱设备中安装电极，在电极上施加高电压，形成一定强度的电场，原油乳化液置于电场中。在高压电场的作用下，原油中的小水珠发生极化，小水珠相互吸引，这样就使相邻的水珠发生吸引而聚集成较大的水滴（图2）。水滴形成后在重力的作用下下降至底部而原油上浮，这样就达到了老化油油水分离目的；同时溶于水的杂质和矿物质随着水一起沉降到反应釜底部，将老化油脱水后的水分离后，老化油中的杂质和矿物质将大大减少，对装置的腐蚀危害也随之减小。

图2 原油电脱水过程示意图

4 实验参数优选

在含水率不同的老化油、脱水温度、电压脉冲宽度、频率、电场强度、脱水时间等条件下对老化油进行正交静态分离实验。

由原油电脱水的原理可知，不同的温度、电场、频率、时间等对原油的油水分离效果起主要作用，为了获取最佳脱水参数[3]，该实验采用控制变量法，利用静态脱水装置进行实验研究。

1）温度。根据温度对原油黏度的影响，原油黏度随着温度的升高而降低，流动性则随着黏度的降低而提高，确定实验研究分别在温度60℃、70℃、80℃、90℃的条件下进行（表1）。

表1 电脱设备运行数据

取约3000 mL油样在表1所示的数据下进行静态实验。由图3可知，在相同电参数条件下，随着温度的升高，脱出水含量逐渐增多，脱出游离水中的杂质越少，油水界面越平整。

图3 不同温度时电脱后的油样

采用蒸馏法测试各温度下电脱处理后老化油的含水率。具体测试结果如表2所示。

表2 老化油在不同温度下电脱后的含水率

当温度升高时，电脱处理后老化油的含水率降低；当温度达到70℃后，含水率急剧下降至小于4%，且脱出水清澈透明。

2）脱水时间。实验时保持电参数不变，只改变电脱时间。具体实验数据如表3所示。

表3 静态电脱设备运行数据

随着脱水时间的变长，脱水电流的最小值不断减小。根据电流与电阻之间的关系可知：当电压值保持不变时，脱水电流与原油电阻之间成反比关系；因此，可以推断出原油的电阻值随时间的变长而增大。原油由油相和水相组成，其中油相为不导电的绝缘相，水相为导电相；因此，脱水时间越长，脱出水量越多，原油电阻越大，上层原油含水率越低。不同电脱时间后的油样见图4。

图4 不同电脱时间后的油样

电脱后老化油的含水率采用蒸馏法测试。具体的含水率如表4所示。

表4 老化油经过不同时间电脱处理的含水率

当脱水时间超过20 min后，含水率急剧下降，继续增加脱水时间含水率下降变缓。

3）脉冲宽度。智能响应脱水电源输出电压为高频脉冲，Uj为有效脱水电压，通过调整电源的脉冲宽度，不仅能够改变老化油的有效脱水时间，同时还能使脉冲宽度小于短路形成时间，避免形成短路现象[4]。智能响应脱水电源输出电压波形见图5。

图5 电源输出电压波形

根据上述实验结果可知，T=70℃、t=30 min时的脱水效果最佳。实验时保持电参数不变，只改变电源脉冲宽度。具体实验数据如表5所示。

表5 静态电脱设备运行数据

取约3000 mL油样在表6所示的参数下进行静态实验。由图6可知：随着脉冲宽度的增加，脱水效果越好，脱出水的杂质含量也越少；当脉冲宽度增加至80.2%时，脉冲宽度继续增加，老化油中的脱出水含量基本保持不变。

图6 不同脉冲宽度时电脱后的油样

电脱后老化油的含水率采用蒸馏法测试[5]。具体的含水率如表6所示。

随着脉冲宽度的增加，含水率急剧下降，当脉冲宽度达到80.2%后，继续增加脉冲宽度，含水率上升，因此最佳脉冲宽度为80.2%。

表6 老化油经过不同脉冲宽度电脱处理的含水率

4）脱水电场强度。实验在温度T=70℃、t=30 min、δ=80.2%条件下进行，只改变加在电极板上面的脱水电压，即改变脱水的电场强度。具体实验数据如表7所示。

表7 静态电脱设备运行数据

取约3000 mL油样在表7所示的参数下进行静态实验。不同电场强度时电脱后的油样见图7。

电脱后老化油的含水率采用蒸馏法测试。具体的含水率如表8所示。

表8 老化油经过不同电场强度电脱处理的含水率

随着电场强度的增加，含水率急剧下降，当电场强度达到1.4 kV/cm后，继续增加电场强度，含水率上升，因此最佳电场强度为1.4 kV/cm。

5）频率。通过调整智能响应脱水电源的频率，能改变老化油的振动聚结效率，还会影响老化油的有效脱水时间。结合上述实验结果，实验在T=70℃、t=30 min、δ=80.2%、E=1.4 kV/cm条件下进行。具体实验数据如表9所示。

表9 静态电脱设备运行数据

取约3000 mL油样在表10所示的参数下进行静态实验。由图8可知，随着频率的增加，老化油中的脱出水含量先增后减。

图8 不同频率时电脱后的油样

电脱后老化油的含水率采用蒸馏法测试。具体的含水率如表10所示。

表10 老化油经过不同频率电脱处理的含水率

随着频率的增加，含水率急剧下降，当频率达到3.61 kHz后，继续增加频率，含水率上升，因此最佳频率为3.61 kHz。

5 经济效益分析

用智能响应脱水电源对老化油脱水，高频电源在工频的基础上，频率每提高1倍，变压器的体积就减小1倍，变压器的体积越小，能耗就越小。根据实验得出的最佳频率为3.61 kHz，是50 Hz的72.2倍，即该高频变压器的体积是工频变压器的体积的1/72，采用该高频变压器的热损耗是原工频变压器的1/72。以SZ361-CEP-EDP电脱平台为例，共有4台原油电脱水器，每天处理液量为1600 m3，每个电脱罐的处理量为4000 m3/d[6]。A罐设计采用智能响应脱水电源，B/C/D三罐采用工频电脱电源（表11）。