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(中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院， 山东 青岛 266580)

技术综述

内置式静电聚结器分离性能影响因素及研究现状

寇杰，王德华

(中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院， 山东 青岛 266580)

为提高原油脱水率，改善传统静电聚结器所存在的弊端，介绍了国内外有关容器内置式静电聚结器的最新研究进展。详细阐述了内置式静电聚结器聚结效果的影响因素，总结了各因素对脱水效果的影响：最优临界电场强度为2 000～4 000 V/cm；延长电场作用时间可以提高原油脱水率，通过对比不同电场形式确定了其适用场合；提出了绝缘电极结构对材料介电常数和材质的要求；分析认为存在最优电场频率，总结了温度、压力、流态和入口含水率对脱水效果的影响。研究结果表明，运用内置式静电聚结器可有效提高原油脱水率，对今后原油脱水研究方向具有指导意义。

静电聚结器； 分离性能； 原油乳化液； 绝缘电极； 影响因素

我国大部分油田已逐渐进入开采后期，采出液含水量升高，含水质量分数有的高达99%。开采后期原油重质化、劣质化严重，部分油田采出原油密度已经超过1.0 g/cm3。此外，深度开采过程中采油助剂的大量使用，导致很多油田采出液乳化严重，很难利用传统的重力分离方式进行脱水处理[1]。静电聚结技术是原油脱水过程中常用的方法之一，其基本原理是对乳状液施加高强电场，促进乳化液中分散水滴的碰撞和聚结，使水滴粒径尺寸增大，加速油水分离[2]。传统的电脱水器大多数采用裸电极，原油入口含水量高于30%则可能引起电极间的电路短路[3]，即出现所谓的垮电场现象。传统静电脱水器存在体积过大、工况不稳定等弊端，因此有必要引入结构紧凑的内置式静电聚结器(VIEC)[4]。文中对内置式静电聚结器聚结效果影响因素进行分析，并对国内外有关容器内置式静电聚结器的最新研究进展进行介绍。

1 内置式静电聚结器分离性能影响因素

1.1电场强度

在电场力的作用下，存在两种临界电场强度，一种是使原本处于静止状态的液滴开始运动的临界场强，称为移动临界场强；另一种是使液滴发生断裂，产生电分散现象的临界场强，称为电分散临界场强。适当地提高电场强度，聚结效果会有所增强，但是超过最优的场强范围，可能会出现已聚结液滴发生电分散的现象，聚结效果反而下降，通常最优电场强度为2 000～4 000 V/cm[5]。

1.2电场作用时间

原油乳状液在相同的电场强度作用下，电场作用时间越长，液滴就有足够的时间进行碰撞，聚结效果随时间的延长有显著的提高。Harpur的实验研究结果表明[6]，乳状液在电场中的停留时间越长，液滴聚结越明显，聚结效率越高。陈家庆等人也对电场作用时间进行了相关研究[7]，发现当电场作用时间大于两液滴在电场作用下聚结所需要的时间时，两液滴会进行聚结碰撞，尤其是在弱电场时，液滴碰撞所需时间较长，提高电场作用时间可明显改善聚结效果。

1.3电场形式

在利用静电聚结原理处理原油时，主要有交流电场、直流电场、交/直流双电场和脉冲电场4种不同的电场形式。

Taylor认为直流电场适合处理低含水乳状液，水滴在交流电场中主要发生振荡聚结和偶极聚结，因此交流电场适合处理高含水乳状液，并且交流脉冲电场有利于提高脱水效率。但是，直流电场容易腐蚀金属设备，交流电场易出现水链，发生垮电场现象[8]。

Warren提出交流电场与直流电场相结合的双电场理论[9]，并且在Natco公司的电脱水器上运行过，双电场发挥了两种电场的优势，在脱水器入口处利用交流电场脱除大部分的水，然后用直流电场进行进一步的脱水处理，从而改善了原油的脱水效果。但当双电场运行不稳定时，直流电场易失去进一步脱水的作用。

甘琴容等通过实验发现，脉冲电场作用下的液滴变形程度和电压的大小呈正相关，并且脉冲电场对乳化液中的液滴有振动作用和剪切作用[10]。金有海等人对脉冲频率进行了相关实验研究，发现随着频率的增大，脱水效果有所改善，当频率超过某一值时，脉冲周期小于水滴极化响应时间，聚结效果有所下降。适宜的脉冲幅度、脉冲宽度和脉冲频率会提高聚结效果，但当脉冲幅度和脉冲宽度增大到一定程度时，会发生电分散现象[11]。

1.4绝缘电极结构

原油乳化液的介电常数一般在2.0～2.7，因此绝缘电极材料的介电常数不能小于2.7，最好大于4，并且应该具有抗强电压击穿能力和低阻抗能力，可以是两种或多种复合或层状结构[12]。这样的绝缘电极可以大幅度减小聚结器的泄漏电流，降低电损耗，避免电极间发生短路击穿。在低电压时绝缘层的厚度对聚结效果的影响比较明显，选择合适的绝缘层厚度，不仅能提高电极的稳定性，还可以提高脱水的效果。McCoy等研发的平行板式绝缘电极板见图1[13]。其上面是涂有绝缘物质(聚四氟乙烯)的电极，下面是表面覆盖一层亲水涂层的裸电极，这种平行板绝缘电极装置可以避免由电弧造成的爆炸和能源浪费。

图1 平行板式绝缘电极板

1.5温度和压力

由于膨胀系数不同，加热后原油和水的密度差变大，提高原油温度可降低原油乳状液的黏度，油水界面张力减小，使液滴沉降速度增大，加剧液滴布朗运动，增加液滴碰撞几率。升高温度还可增加胶质沥青质的溶解度，促进液滴聚结，进而提高原油脱水效果[14]。

Eddy等人指出，在操作温度下，当容器内部压力小于溶解气的饱和蒸气压时，原油乳状液进入电脱水器后会有气体析出，伴随着气体的析出，乳状液中的液滴扰动会加剧，从而提升液滴间的碰撞聚结。此外，在低压环境下，由于膨胀系数不同，油水的密度差增大，同样会提高油水分离效果[15]。

1.6入口含水率

汪忠宝和廖天昊等人通过实验发现脱水效果和入口含水率有关，当入口含水率增大时，脱水率有明显的提高，但当入口含水率超过某一数值时，脱水率反而有所下降[16，17]。其原因是随着含水率的增加，原油乳状液分散相水滴之间的距离变小，增加了水滴之间相互碰撞聚结的几率。脱水率下降是因为当入口含水量过大时，乳状液的导电率增强，液滴的扩散系数减小，导致碰撞频率与聚结速率降低。

1.7流态

何兆洋研究了原油流态的影响，认为层流时乳状液的聚结效果最佳[18]。Christine D等人指出湍流可以破坏电极间分散相液滴所形成的水滴链，促进水滴之间的碰撞，当湍流强度增加到一定程度时，会导致水滴二次剪切，液滴分散或破裂[19]。

1.8频率

Bailes和Larkai研究了脉冲电场频率对液滴静电聚结的影响规律，结果表明存在最优频率。当频率低于最优电场频率时，电场变化慢，会使形成的水链过长，出现垮电场现象；当频率高于最优电场频率时，液滴来不及响应，聚结效果不好[20，21]。田成坤和吕宇玲等人研究了低频下交流电场频率对液滴静电聚结的影响规律，结果表明随着电场频率的增加，液滴平均粒径呈增大趋势，但当频率继续增大时，液滴粒径变化不再明显，且存在明显的拐点，随着含水率增大，拐点频率减小[22]。

2 内置式静电聚结器研究现状

2.1国外

ABB研究中心与挪威科技大学(NTNU)、SINTEF等机构合作[23]，在深入研究静电聚结过程所涉及的基本化学和物理问题的基础上，研制了内置式静电聚结器，其内部管式流道电极模块组件见图2。

图2 管式流道VIEC电极模块组件及结构示图

在Norsk Hydro研究中心的多相流环道上，使用温度为55 ℃、压力为4.0 MPa、密度为881.6 kg/m3的原油进行试验测试，结果表明，未使用VIEC技术时，当入口含水质量分数小于60%时，出口油含水质量分数几乎保持不变；当使用VIEC技术处理原油时，出油口含水质量分数有了很大程度的下降，最低可达6%左右。可见VIEC技术在原油脱水处理方面发挥着重要作用。

在中海油与ConocoPhillips公司共同开发的江西油田，Aibel公司对VIEC电极模块结构进行了改进，将单个流动通道由圆形变成了准矩形，见图3[24]。通过使用改造以后的VIEC，完成了处理量为496.8 m3/h、含水质量分数为46%、入口温度最低为86 ℃的高黏原油处理任务。

Morad Amarzguioui等人对VIEC结构进行了进一步改进。改进后的VIEC电极模块是由单个VIEC元素组成，这些VIEC元素是由专门绝缘材料电极浇铸而成，见图4[25]。VIEC模块墙被安装在三相分离器内部上游侧的整流段处(图5)。

图3 准矩形流道VIEC电极模块组件及结构示图

图4 改进后的单个VIEC电极元素和VIEC电极模块

图5 VIEC模块在三相分离器中安装位置

挪威实验室采用密度为934 kg/m3、加热温度为60 ℃的原油进行实验，在没有采用VIEC处理时，原油脱水率为7.8%。当采用VIEC处理8 s时，原油脱水率达89.80%；处理时间为15 s时，脱水率高达98%，可见运用VIEC技术可在短时间内提高油水分离效率。此外，在中东地区和美国也进行了相关实验，表明运用VIEC技术具有节约加热能量、减少消耗洗涤水及优化分离器尺寸等优点。

2.2国内

北京石油化工学院与中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司合作研发了如图6所示的具有自主知识产权的VIEC静电聚结模块，开展了室内实验研究。在此基础上设计制造了内置静电聚结三相分离器中试装置，并在中石油冀东油田高尚堡联合站进行了现场试验[26]。

1.不锈钢外壳 2.矩形流道 3.金属电极 4.绝缘电极板 5.法兰接口 6.接入电源线图6 VIEC静电聚结模块结构示图

高尚堡联合站的进站原油密度为850 kg/m3，含水质量分数在7%～13%。传统的分离方法需要加热升温并在分离器内停留1 h以上，出口油含水量才能降低到1%以下。运用VIEC技术后，在未加热的情况下，施加高频/高压脉冲交流电场，可以使出口油含水率保持在约0.03%甚至更低。

3 结语

对内置式静电聚结器分离性能影响因素进行了分析。在操作温度下，容器内压力小于溶解气饱和蒸气压、适宜的电场强度有利于提高内置式静电聚结器分离效果，增加电场作用时间对分离效果也有明显的提高，此外，还要选择合适的电场形式和绝缘电极结构。内置式静电聚结器技术的发展和运用有效提高了油水分离效率、节省了加热消耗的能量、减少了破乳剂的使用量，使得分离装置变得更加紧凑。

目前，国内研发的内置式静电聚结器存在结构复杂、维修困难等弊端，需要进一步研制便于安装和维修的内置式静电聚结器，也有必要进一步研究流动状态对乳状液分离效果的影响，为现场的实际运行提供技术支撑。

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InfluencingFactorsandResearchStatusofSeparationPerformanceofBuilt-inElectrostaticCoalescer

KOUJie，WANGDe-hua

(College of Pipeline and Civil Engineering，China University of Petroleum(East China)，Qingdao 266580，China)

In order to improve the dehydration rate of crude oil and improve the disadvantages of traditional static coalescer，the latest research progress of built-in electrostatic coalescer at home and abroad is introduced. The influence factors of coalescing effect of built-in electrostatic coalescer are expounded in detail，and the effect on the dehydration effect is summarized and the following conclusion is deduced. The optimum critical electric field intensity is 2 000～4 000 V/cm；The dewatering rate can be improved by prolonging the time of the electric field；The different electric field forms are compared to determine the suitable application；The dielectric constant and material requirement of the insulating electrode structure are put forward,and the effects of temperature，pressure，flow regime and inlet moisture content on the dehydration effect were summarized. The results show that the built-in electrostatic coalescer can effectively improve the dehydration rate of crude oil and make a significant contribution to the future research direction of crude oil dehydration.

electrostatic coalescer； separation performance； crude oil emulsion； insulated electrode； influence factor

TQ051.8

A

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.05.009

1000-7466(2017)05-0045-06

2017-04-03

寇 杰(1969-)，男，江苏赣榆人，教授，博士，主要从事多相管流及油气田集输技术、油气储运系统安全工程以及油气长距离管输技术研究。