老化油脫水實驗研究

張金鵬 趙立全 宮承君 趙磊

（1.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司；2.山東中世天然氣有限公司）

1 老化油性質

圖1所示的為綏中36-1平臺上的老化油油樣。觀察后發現，油樣中存在大量的游離水，游離水呈黑褐色并含有大量黑色雜質，油樣表面粗糙，是明顯的老化油形態。

圖1 實驗油樣

2 實驗設備

實驗設備主要由智能響應脫水電源控制柜、高頻變壓器、石油密閉脫水儀組成。

智能響應脫水電源的輸出電壓大小、頻率、脈沖寬度比都能連續可調，確保老化油的脫水參數最佳。與工頻脫水電源相比，智能響應脫水電源不僅脫水質量好，而且脫水速度快，節能效果明顯。其基本參數如下所述。

◇電源：電壓，AC 220V±0.2 V；頻率，50 Hz±0.1 Hz

◇高頻變壓器頻率范圍：300～9000 Hz

◇電源輸出脈沖寬度比：10%～86%

◇額定輸出功率：1500 W

◇高頻變壓器：變壓器輸入端電壓，5～90 V；頻率，300～9000 Hz；高壓輸出，800～9500 V

◇原油脫水反應釜:實驗時，將老化油樣品裝入脫水反應釜，在加熱溫度為100～150℃、壓力為0.4～0.8 MPa的條件下脫水。設置好控制溫度和控制壓力，自動控溫控壓加熱。釜體額定容量為4000 mL。

3 實驗原理

老化油是一種特定狀態的石油[1]，這種油受到污染或者因為氧化，或者因為存放時間太長，油品發生了物理和化學性能變化。常見的老化油是指油井管外漏油、原油儲罐罐底油、運輸船只的艙底油、污水事故池和污水處理裝置回收的乳化油、原油處理裝置排出的乳化液，以及油井各種作業后排出的污油等。老化油是一種嚴重乳化液，含有多種礦物質、雜質，老化油中的水具有很強導電性[2]。原油電脫水是在電脫設備中安裝電極，在電極上施加高電壓，形成一定強度的電場，原油乳化液置于電場中。在高壓電場的作用下，原油中的小水珠發生極化，小水珠相互吸引，這樣就使相鄰的水珠發生吸引而聚集成較大的水滴（圖2）。水滴形成后在重力的作用下下降至底部而原油上浮，這樣就達到了老化油油水分離目的；同時溶于水的雜質和礦物質隨著水一起沉降到反應釜底部，將老化油脫水后的水分離后，老化油中的雜質和礦物質將大大減少，對裝置的腐蝕危害也隨之減小。

圖2 原油電脫水過程示意圖

4 實驗參數優選

在含水率不同的老化油、脫水溫度、電壓脈沖寬度、頻率、電場強度、脫水時間等條件下對老化油進行正交靜態分離實驗。

由原油電脫水的原理可知，不同的溫度、電場、頻率、時間等對原油的油水分離效果起主要作用，為了獲取最佳脫水參數[3]，該實驗采用控制變量法，利用靜態脫水裝置進行實驗研究。

1）溫度。根據溫度對原油黏度的影響，原油黏度隨著溫度的升高而降低，流動性則隨著黏度的降低而提高，確定實驗研究分別在溫度60℃、70℃、80℃、90℃的條件下進行（表1）。

表1 電脫設備運行數據

取約3000 mL油樣在表1所示的數據下進行靜態實驗。由圖3可知，在相同電參數條件下，隨著溫度的升高，脫出水含量逐漸增多，脫出游離水中的雜質越少，油水界面越平整。

圖3 不同溫度時電脫后的油樣

采用蒸餾法測試各溫度下電脫處理后老化油的含水率。具體測試結果如表2所示。

表2 老化油在不同溫度下電脫后的含水率

當溫度升高時，電脫處理后老化油的含水率降低；當溫度達到70℃后，含水率急劇下降至小于4%，且脫出水清澈透明。

2）脫水時間。實驗時保持電參數不變，只改變電脫時間。具體實驗數據如表3所示。

表3 靜態電脫設備運行數據

隨著脫水時間的變長，脫水電流的最小值不斷減小。根據電流與電阻之間的關系可知：當電壓值保持不變時，脫水電流與原油電阻之間成反比關系；因此，可以推斷出原油的電阻值隨時間的變長而增大。原油由油相和水相組成，其中油相為不導電的絕緣相，水相為導電相；因此，脫水時間越長，脫出水量越多，原油電阻越大，上層原油含水率越低。不同電脫時間后的油樣見圖4。

圖4 不同電脫時間后的油樣

電脫后老化油的含水率采用蒸餾法測試。具體的含水率如表4所示。

表4 老化油經過不同時間電脫處理的含水率

當脫水時間超過20 min后，含水率急劇下降，繼續增加脫水時間含水率下降變緩。

3）脈沖寬度。智能響應脫水電源輸出電壓為高頻脈沖，Uj為有效脫水電壓，通過調整電源的脈沖寬度，不僅能夠改變老化油的有效脫水時間，同時還能使脈沖寬度小于短路形成時間，避免形成短路現象[4]。智能響應脫水電源輸出電壓波形見圖5。

圖5 電源輸出電壓波形

根據上述實驗結果可知，T=70℃、t=30 min時的脫水效果最佳。實驗時保持電參數不變，只改變電源脈沖寬度。具體實驗數據如表5所示。

表5 靜態電脫設備運行數據

取約3000 mL油樣在表6所示的參數下進行靜態實驗。由圖6可知：隨著脈沖寬度的增加，脫水效果越好，脫出水的雜質含量也越少；當脈沖寬度增加至80.2%時，脈沖寬度繼續增加，老化油中的脫出水含量基本保持不變。

圖6 不同脈沖寬度時電脫后的油樣

電脫后老化油的含水率采用蒸餾法測試[5]。具體的含水率如表6所示。

隨著脈沖寬度的增加，含水率急劇下降，當脈沖寬度達到80.2%后，繼續增加脈沖寬度，含水率上升，因此最佳脈沖寬度為80.2%。

表6 老化油經過不同脈沖寬度電脫處理的含水率

4）脫水電場強度。實驗在溫度T=70℃、t=30 min、δ=80.2%條件下進行，只改變加在電極板上面的脫水電壓，即改變脫水的電場強度。具體實驗數據如表7所示。

表7 靜態電脫設備運行數據

取約3000 mL油樣在表7所示的參數下進行靜態實驗。不同電場強度時電脫后的油樣見圖7。

電脫后老化油的含水率采用蒸餾法測試。具體的含水率如表8所示。

表8 老化油經過不同電場強度電脫處理的含水率

隨著電場強度的增加，含水率急劇下降，當電場強度達到1.4 kV/cm后，繼續增加電場強度，含水率上升，因此最佳電場強度為1.4 kV/cm。

5）頻率。通過調整智能響應脫水電源的頻率，能改變老化油的振動聚結效率，還會影響老化油的有效脫水時間。結合上述實驗結果，實驗在T=70℃、t=30 min、δ=80.2%、E=1.4 kV/cm條件下進行。具體實驗數據如表9所示。

表9 靜態電脫設備運行數據

取約3000 mL油樣在表10所示的參數下進行靜態實驗。由圖8可知，隨著頻率的增加，老化油中的脫出水含量先增后減。

圖8 不同頻率時電脫后的油樣

電脫后老化油的含水率采用蒸餾法測試。具體的含水率如表10所示。

表10 老化油經過不同頻率電脫處理的含水率

隨著頻率的增加，含水率急劇下降，當頻率達到3.61 kHz后，繼續增加頻率，含水率上升，因此最佳頻率為3.61 kHz。

5 經濟效益分析

用智能響應脫水電源對老化油脫水，高頻電源在工頻的基礎上，頻率每提高1倍，變壓器的體積就減小1倍，變壓器的體積越小，能耗就越小。根據實驗得出的最佳頻率為3.61 kHz，是50 Hz的72.2倍，即該高頻變壓器的體積是工頻變壓器的體積的1/72，采用該高頻變壓器的熱損耗是原工頻變壓器的1/72。以SZ361-CEP-EDP電脫平臺為例，共有4臺原油電脫水器，每天處理液量為1600 m3，每個電脫罐的處理量為4000 m3/d[6]。A罐設計采用智能響應脫水電源，B/C/D三罐采用工頻電脫電源（表11）。

表11 SZ361-CEP 4臺原油電脫水電源運行功率（功率因數：0.8）

用智能響應脫水電源，每天節電3592 kWh，按工業三相電費用0.85元/kWh計算，每天節約電費3053元，每年可節約電費111.4萬元。

6 結論

用智能響應脫水電源對綏中361平臺的老化油進行一系列電脫水實驗，得出以下結論：

1）綏中361平臺的老化油受溫度影響較大，隨著溫度的升高脫水速度加快。

2）利用本實驗室研制的智能響應脫水電源設備完全可以實現對該老化油的處理，可以使其含水率達到4.0%以下，速度快、耗能少。

3）該老化油最佳脫水參數：電場強度為1.4kV/cm，頻率為3.61 kHz，脈沖寬度為80.2%，工作溫度為70℃，脫水時間為30 min。

4）節電效果顯著，采用高頻脫水電源所需功率不到工頻脫水電源的十分之一。