石 油机械 ５６一 ＣＨＩＮＡ ＰＥＴＲＯＬＥＵＭ ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ ２０１４年 第４２卷第３期 ．．油气田开发工程 原油脱水（盐）用双频电场技术研发及应用 沈玮玮 陈家庆 胡成勇 黄松涛 张 颂 胡 静 （１．北京石油化工学院机械工程学院２．北京迪威尔石油天然气技术开发有限公司） 摘要：采用传统的电脱水（盐）技术处理劣质原油及重质油，存在投资和运行费用高、脱水 效率低及设备运行不稳定等问题。介绍了水颗粒破碎理论、双频电场技术的研发阶段及其电源配 置、波形分析等。国外现场应用结果表明，双频电场技术大幅提高了电场脱水（盐）效率，与常 规ＡＣ电脱水器相比，可将设备的体积大大减小，同时降低了原油处理温度，减少了化学破乳剂 的使用量，达到节能降耗的生产要求，有效地应对了现阶段原油劣质化和重质化的严峻挑战。 关键词：电脱水（盐）；微观机理；扭曲变形；电源研发；双频电场技术；现场试验 中图分类号：ＴＥ６２４．１ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—４５７８．２０１４．０３．Ｏ１３ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｕａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｆｉｅｌｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｃｒｕｄｅ Ｏｉｌ Ｄｅｈｙｄｒａｔｉｏｎ（ｄｅｓａｌｔｉｎｇ） Ｓｈｅｎ Ｗｅｉｗｅｉ Ｃｈｅｎ Ｊｉａｑｉｎｇ Ｈｕ Ｃｈｅｎｇｙｏｎｇ Ｈｕａｎｇ Ｓｏｎｇｔａｏ Ｚｈａｎｇ Ｓｏｎｇ Ｈｕ Ｊｉｎｇ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２．Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｄｗｅｌｌ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ＆Ｇａｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏ． ｇＹＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ａｄｏｐｔｉｏｎ ｏｆ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｅｈｙｄｒａｔｉｏｎ（ｄｅｓａｈｉｎｇ）ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｏ ｄｅａｌ ｗｉｔｈ ｉｎｆｅｒｉｏｒ ｃｒｕｄｅ ｏｉｌ ａｎｄ ｈｅａｖｙ ｏｉｌ，ｔｈｅｒｅ ｅｘｉｓｔ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｈｉｇｈ ｒｕｎｎｉｎｇ ｃｏｓｔｓ，ｌｏｗ ｄｅｈｙｄｒａｔｉｏｎ ｅｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｕｎｓｔａｂｌｅ ｒｆｕｎｎｉｎｇ ｏｆ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｂｒｅａｋａｇｅ ｔｈｅｏｒｙ，ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｓｔａｇｅｓ ｏｆ ｄｕａｌ￣ｅｑｕｅｎｃｙ ｅｌｅｃｔｉｒｃ ｆｉｅｌｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ’ｓ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｗａｖｅｆｏｒｍ ａｎａｌｙｓｉｓ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄＴｈｅ ｆｏｒｅｉｇｎ ｆｉｅｌｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｅｌｅｃｔｉｒｃ ｆｉｅｌｄ ｄｅｈｙｄｒａｔｉｏｎ（ｄｅｓａｈｉｎｇ）ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｒｅｍａｒｋａｂｌｙ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｃｏｎ． ｖｅｎｔｉｏｎａｌ ＡＣ ｄｅｈｙｄｒａｔｏｒ，ｔｈｅ ｃｒｕｄｅ ｏｉｌ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ；ｔｈｅ ｕｓａｇｅ ｏｆ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｄｅｍｕｌｓｉｆｉｅｒ ｉｓ ｒｅ． ｄｕｃｅｄ；ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｎ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｉｓ ｓａｔｉｓｆｉｅｄ．Ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ． １ｙ ｄｅａｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｅｖｅｒｅ ｃｈａｌｌｅｎｇｅ ｏｆ ｃｒｕｄｅ ｏｉｌ ｉｎｆｅｒｉｏｒｉｔｙ ａｎｄ ｄｅｎｓｉｉｆｃａｔｉｏｎ ａｔ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｓｔａｇｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｅｈｙｄｒａｔｉｏｎ（ｄｅｓａｈｉｎｇ）；ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ；ｄｕａｌ￣ｅｑｕｅｎｃｙ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｆｉｅｌｄ ｔｅｓｔ 用高、脱水效率低及设备运行不稳定等问题［１］。 ０ 引 言 随着世界各地原油开采程度的不断加深，三元 针对上述问题，美国Ｎａｔｃｏ（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｔａｎｋ Ｃｏｍｐａ ｎｙ）集团基于双极电脱水器、复合电极、动态电 脱盐器等电脱水（盐）技术的研发经验，经过１０ 多年的努力，于２００２年推出了双频（Ｄｕａｌ Ｆｒｅ． ｑｕｅｎｃｙⅢ）电脱水（盐）用电场技术，有效地提高 复合驱等强化采油（ＥＯＲ）手段应用日益普遍， 采出液的组分趋于复杂，原油劣质化趋势十分显 著；随着国际油价的不断攀升和原油开采技术的不 断进步，重质油的开采比重越来越大，若继续采用 传统的电脱水（盐）技术，则存在投资及运行费 了原油处理效率 Ｊ。鉴于双频技术集中体现了当 代静电聚结脱水（盐）技术发展的最高水平，笔 者在全面介绍水颗粒在电场中变形微观机理的基础 基金项目：２０１１年国家自然科学基金资助项目“海上油田采出水处理旋流气浮一体化技术的机理与特性研究”（５１０７９００６）。 ２０１４年 第４２卷 第３期 沈玮玮等：原油脱水（盐）用双频电场技术研发及应用 上，重点对双频技术的研发历程、电路结构、波形 分析以及现场应用情况进行阐述，以期引起国内相 关研究人员对该电脱水（盐）新技术的关注。 １ 水颗粒破碎理论 １．１基于椭球变形假设 水颗粒的变形有利于界面膜的薄化、失稳，进 而促进碰撞聚结。从变形机理来看，目前被广为接 受的观点是：球形水颗粒被置于电场中时，水颗粒 沿着电场方向被拉伸成椭球状。根据Ｔａｙｌｏａｒ理 论 可知，椭球状水颗粒所能达到的最大长径比 是１．９，当长径比大于该值时，液膜的界面强度大 大削弱，椭球状水颗粒端部的表面膜呈亚稳态，此 时较小的外部扰动即可引起液膜破碎进而聚结。 １．２基于扭曲变形假设 Ｎａｔｃｏ集团的资深研究人员Ｇａｒｙ Ｗ．Ｓａｍｓ等分 析认为，当Ｗ／Ｏ型乳化液处于电场中时，其中的 水颗粒在一定条件下会发生共振，共振系统易于吸 收能量，在马拉高尼效应的作用下，在水颗粒内部 产生局部环流，进而引起水颗粒内部振荡。振荡增 大了水颗粒表面的自由能，直至足以抵抗使水颗粒 保持球形的界面强度而使其扭曲变形，进而表面积 增大。表面积增大导致界面膜厚度减小，单位面积 上的界面强度降低，较小的外界扰动或电场力即能 引起液膜的破裂，进而促使水颗粒聚结 Ｊ。 基于上述假设，Ｇａｒｙ Ｗ．Ｓａｍｓ等深入研究了电 场作用下水颗粒变形的微观机理。发现如果能够在 已有电场频率的基础上，根据分散相水颗粒的固有 振动频率，再叠加一个与固有振动频率接近的调制 频率时，Ｗ／Ｏ型乳化液系统便会发生共振，使水 颗粒发生上述扭曲变形现象。 ２ Ｎａｔｃｏ集团的电场技术研发历程 ２．１ 基于高压工频交流电源的电场技术 ２．１．１ 高压ＡＣ电场技术 频率５０～６０ Ｈｚ的ＡＣ电场是目前原油电脱水 （盐）工程中应用最为广泛的电场技术，其典型电 极配置如图１所示。在ＡＣ电场中的水颗粒在电场 力的作用下，薄膜受拉伸发生变形，易于碰撞聚 结。电场中电流方向频繁变化，带电水颗粒运动受 到抑制，与设备难以形成金属／电解液回路，不会 造成电极腐蚀，适合处理高含水原油，但ＡＣ电场 存在衰退快、能耗高等缺陷。 油水 图１ ＡＣ电场的典型电极配置示意图 Ｆｉｇ．１ Ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｙｐｉｃａｌ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＡＣ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ ２．１．２ 高压ＤＣ／ＡＣ双电场技术 高压ＤＣ／ＡＣ双电场技术于１９７１年开始在原油 电脱水（盐）工程中得到应用，其典型的电源／电 极配置如图２所示。高压ＤＣ／ＡＣ双电场结合了直 流电和交流电的优势，同时电场结构设计相对延长 了水颗粒在电场中的停留时间，提高了破乳效率。 高压ＤＣ／ＡＣ双电场、载荷响应控制器（ＬＲＣ＠） 以及板式复合电极的综合应用，使双极电脱水器在 ２００２年以前一直处于世界领先地位。 图２双电场的典型电源／电极配置图 Ｆｉｇ．２ Ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｙｐｉｃａｌ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ／ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｏｕｂｌｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ ２．２基于高压脉冲直流电源的电场技术 ２０世纪８０年代初，为了突破常规电脱水技术 难以处理高含水率Ｗ／Ｏ型乳化液的限制，英国 Ｂｒａｄｆｏｒｄ大学的Ｐ．Ｊ．Ｂａｉｌｅｓ教授领导的课题组提出 了“脉冲ＤＣ电场＋带绝缘涂层电极”的电场破乳 方案（脉冲频率在０．５～６０．０ Ｈｚ之间），相应研制 的静电破乳器可以在含水体积分数高达６５％以上 时正常工作 Ｊ。２０世纪９０年代，Ｎａｔｃｏ集团获得 连同静电预聚结理念在内的产品开发授权，推出了 单流道和多流道的电脉冲感应聚结器（Ｅｌｅｃｔｒｏ— Ｐｕｌｓｅ Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃｏａｌｅｓｃｅｒ，ＥＰＩＣ）。在ＢＰ公司 Ｗａｒｅｈａｍ油田进行了“ＥＰＩＣ＋常规重力沉降罐” 现场试验，试验结果表明整体脱水效率大大提高， 出口原油的含水体积分数由原来的６８％下降到 石 油１％ｌ６ｊ机械 ２０１４年第４２卷第３期 。 ＤＣ／ＡＣ电场、双模调制高压ＤＣ／ＡＣ电场与常规高 压ＤＣ／ＡＣ电场的电极配置相同，不同之处在于调 进入２１世纪后，石油工业界再也没有关于 Ｎａｔｅｏ集团推广应用ＥＰＩＣ的信息报道。可能的原 因是２０世纪９０年代末期，Ｇａｒｙ Ｗ．Ｓａｍｓ等通过试 制高压ＤＣ／ＡＣ电场在基础频率的基础上叠加了 ０．１ Ｈｚ的调制频率，基础电场的频率不超过８００ 验得出了不利于脉冲ＤＣ电场的结论——高压／高 频ＡＣ电场比高压脉冲ＤＣ电场更能有效地促进聚 结。室内动态破乳性能测试试验结果表明，当电场 Ｈｚ；而双模调制高压ＤＣ／ＡＣ电场的电源结构更为 复杂，在基础频率的基础上叠加了１０ Ｈｚ的调制频 率，同时将基础电场的频率上调至８００～１ ６００ Ｈｚ。 频率都为６００ Ｈｚ时，为了得到相同的脱水效率， 所施加的ＡＣ电场强度为２．１６ ｋＶ／ｃｍ时，所施加 使电场能够承受高含水体积分数原油。 ２．３．２双频电场技术的电路结构与波形 的脉冲ＤＣ电场强度则应上升到２．５０ ｋＶ／ｃｍ 。 此外，在高压ＡＣ电场和高压脉冲ＤＣ电场中，试 验过程中所用的最高电场频率已经达到了８００ Ｈｚ。 ２．３基于双频电源的电场技术 双频电力电子控制系统如图３所示，基于双频 电场技术的整个电脱水（盐）系统由４８０ Ｖ电源 供给系统、载荷响应控制器（ＬＲＣ＠一ＩＩ）、电力电 子器件、中频高压变压器、整流器（二极管）、二 级电压输出系统以及常规电脱水（盐）器等组成。 电力电子器件、变压器和二极管整流器采用一体化 浸油封装，通过油的循环来进行冷却，该安装方式 不仅可以实现三相平衡供电，而且解决了电力电子 高压／高频ＡＣ电场能够提高破乳聚结效率得 到证实以后，Ｇａｒｙ Ｗ．Ｓａｍｓ等并未停留在研发该电 场技术的层面上，而是开始探索研发性能更为优异 的电场技术。进入２１世纪后，随着对分散相水颗 粒受力变形机理认识的不断加深，以及基于扭曲变 形假设水颗粒破碎理论的建立，Ｎａｔｃｏ集团开始着 手研制新型电场技术。在先后经过调制高压ＤＣ／ ＡＣ电场技术和双模调制高压ＤＣ／ＡＣ电场技术２个 探索阶段之后，最终推出了双频电场技术。 ２．３．１ 双频电场技术的探索阶段 器件和变压器之间的远距离信号传输问题 Ｊ。按 照ＬＲＣ＠一１１的数据信息，通过绝缘栅双极晶体管 （ＩＧＢＴ）技术对三相４８０ Ｖ（５０／６０ Ｈｚ）电压进行 调整，从而得到特定频率及波形的电压，供给中频 高压变压器的一次绕组线圈，中频高压变压器将输 也许因为常规高压ＤＣ／ＡＣ电场技术的双极电 脱水器市场占有率较高、处理性能最好、工程合作 伙伴容易寻找等原因，Ｎａｔｃｏ集团的探索研发工作 主要针对应用于双极电脱水器来进行。调制高压 直流总线脉冲频率基本频率调制后的脉冲频率 入电压升高到足以产生水颗粒有效聚结的程度，二 次绕组线圈侧输出所需要的电压 Ｊ。当与已有的 双极电脱水器配套使用时，还需将二次绕组线圈侧 输出的电压通过整流器进行类似于ＡＣ／ＤＣ双电场 的整流，所产生的ＤＣ电场电压为７５０ Ｖ左右。 图３双频电力电子控制系统示意图 Ｆｉｇ．３ Ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｄｕａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ 实际脱水过程中原油的黏度、油水密度差、电 导率、界面强度、水滴数量和分布等会直接影响静 电聚结效果，而ＬＲＣ＠一１Ｉ能够控制电力电子器件 号组成，同时信号中的最大峰值又以脉冲频率变 化，２个频率值取决于液滴带电与放电的速度、 Ｓｔｏｋｅｓ粒径水颗粒固有的振动频率；工作时电场中 针对以上特定原油的理化性质，输出２个极限电压 值、２个频率值、优选基波波形以及变压器转化速 率 引。 双频技术中的电压波形由一系列基本频率的信 基本频率、脉冲频率共同作用可以保证得到最高的 聚结效率。一般而言，基本频率设置在一个使电场 衰退最小化的值，主要受原油乳化液导电性的影 响，可用原油乳化液电导率的０．０１～０．０４倍进行