老化油脱水实验研究

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）。

表11 SZ361-CEP 4台原油电脱水电源运行功率（功率因数：0.8）

用智能响应脱水电源，每天节电3592 kWh，按工业三相电费用0.85元/kWh计算，每天节约电费3053元，每年可节约电费111.4万元。

6 结论

用智能响应脱水电源对绥中361平台的老化油进行一系列电脱水实验，得出以下结论：

1）绥中361平台的老化油受温度影响较大，随着温度的升高脱水速度加快。

2）利用本实验室研制的智能响应脱水电源设备完全可以实现对该老化油的处理，可以使其含水率达到4.0%以下，速度快、耗能少。

3）该老化油最佳脱水参数：电场强度为1.4kV/cm，频率为3.61 kHz，脉冲宽度为80.2%，工作温度为70℃，脱水时间为30 min。

4）节电效果显著，采用高频脱水电源所需功率不到工频脱水电源的十分之一。