陳家慶，黃松濤，王姬革，習進路

(1.北京石油化工學院，北京102617； 2.山東京博石油化工有限公司；3.中國石油集團工程設計有限責任公司)

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高頻/高壓脈沖交流電場破乳技術及其原油電脫鹽應用研究

陳家慶1，黃松濤1，王姬革2，習進路3

(1.北京石油化工學院，北京102617； 2.山東京博石油化工有限公司；3.中國石油集團工程設計有限責任公司)

劣質(zhì)原油的電脫鹽預處理是當前煉油企業(yè)普遍面臨的一個技術難題。通過系統(tǒng)介紹世界范圍內(nèi)原油乳化液電場破乳技術的發(fā)展歷程，指出高頻高壓脈沖交流電場應該引起國內(nèi)業(yè)界的關注。實驗室內(nèi)可行性實驗和工業(yè)側(cè)線試驗結(jié)果均表明，高頻高壓脈沖方波交流電場的破乳效果優(yōu)于常規(guī)工頻高壓交流電場，獲得最佳破乳效果的電場頻率應該依據(jù)原油乳化液的具體理化特性(如水含量、乳化程度、破乳溫度等)篩選確定，且一般在 1 500 Hz以上。BIPTHFAC-Ⅲ型高頻高壓脈沖方波交流電源的現(xiàn)場測試結(jié)果表明，在最佳電場頻率區(qū)間內(nèi)的電脫鹽率均高于同期參照對象的平均電脫鹽率，同時還能縮短水力停留時間以及節(jié)省加熱成本。高頻高壓脈沖交流電場破乳技術為煉油企業(yè)應對復雜劣質(zhì)原油的脫鹽難題提供了一條切實可行的解決方案，值得進一步開展工業(yè)應用研究。

原油乳化液 靜電破乳 電脫鹽 高頻脈沖交流電場 脫鹽率

隨著原油加工深度的逐步提高、裝置生產(chǎn)周期的不斷延長、原油劣質(zhì)化趨勢的日益加重以及所加工原油種類的頻繁變化，對電脫鹽裝置的要求越來越高，相應的操作難度也越來越大[1]。為了合理控制原油脫后含鹽率和切水含油率等指標，應對措施包括調(diào)整電脫鹽裝置操作參數(shù)、優(yōu)化調(diào)整與升級改造電脫鹽工藝設備、應用新型電脫鹽技術等[2]。雖然從國內(nèi)外電脫水(鹽)罐內(nèi)部電場設計的角度來看，交流電場、直流電場、交直流電場、脈沖直流電場、脈沖交流電場等都已有不同程度的應用，但生產(chǎn)實際中絕大多數(shù)設備仍然配套使用常規(guī)工頻(50 Hz)/高壓交流電源和高壓直流電源，存在脫水效率低、耗電量大、切水含油率高、對原油種類適用性差等缺點。雖然脈沖電場技術在國內(nèi)曾得到過關注，但近十年的發(fā)展態(tài)勢與國外相比仍有較大的差距[3]。本文主要介紹原油電脫水(鹽)用脈沖電場技術的發(fā)展歷程，闡述最新一代全數(shù)字控制二次逆變式高頻/高壓脈沖交流電源的特點，并結(jié)合劣質(zhì)原油乳化液開展電場破乳的室內(nèi)可行性實驗研究和電脫鹽工業(yè)側(cè)線試驗研究，以期為電脫水(鹽)裝置有效應對原油劣質(zhì)化、實施降本增效和升級改造提供切實可行的技術解決方案。

1 原油電脫水(鹽)用脈沖電場技術

1.1 脈沖電場技術的發(fā)展歷程

20世紀80年代初期，為突破常規(guī)電場破乳脫水技術難以處理較高水含量W/O型乳化液的限制(例如不小于30%)，英國 Bradford 大學的 Bailes 等[4]提出“高壓脈沖直流電場(Pulsed DC)+絕緣涂層電極”的技術方案，從而將W/O型乳化液電場破乳脫水技術的研究帶入了一個新階段，但當初研究時所涉及的脈沖頻率較低。1991年前后，英國石油公司(BP)資助 Bailes 的課題組開展了原油乳化液的高壓脈沖直流電場破乳研究，美國 Natco 集團作為世界知名的原油電脫水(鹽)設備供應商，也與其開展合作，試圖將該技術推向工業(yè)化應用[5]。2000年前后，Natco 集團的Lee 等[6]對高頻/高壓交流電場和高壓脈沖直流電場作用下 W/O 型乳化液破乳過程中的電能消耗問題進行了實驗對比研究，所用交流電場的強度為 1.6～2.2 kV/cm，脈沖直流電場(經(jīng)過前者半波整流而得)的強度為 1.5～2.5 kV/cm，脈沖頻率都為 60～600 Hz。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高頻/高壓交流電場比高壓脈沖直流電場在提高破乳分離效率方面更有效，當脈沖頻率都為 400 Hz 時，前者的破乳分離效率比后者高 303%。雖然自此以后，Natco集團和Bailes的課題組都主動終止了對高壓脈沖直流電場破乳技術的研究，但迄今仍然吸引了不少國內(nèi)外研究人員的關注。國內(nèi)方面，北京航空航天大學朱岳麟的課題組[7]曾采用7 000 Hz左右的高壓脈沖直流電場對二連油、大港原油、奧里油和勝利原油 4 種稠油進行了室內(nèi)電場破乳實驗研究，認為最佳脈沖頻率范圍為7 000～8 000 Hz，可以使脫后原油鹽濃度小于3 mg/L，且脫后原油黏度下降、油品質(zhì)量提高。中國石化洛陽石化工程公司和河南阿爾卡托科技有限公司于2006年底聯(lián)合研制了脈沖電脫鹽工藝專用脈沖直流電源，該電源由基于晶閘管的整流調(diào)壓回路、基于IGBT(絕緣柵型雙極晶體管)的逆變回路和脈沖升壓變壓器等組成，額定輸出脈沖電流不大于 200 mA、輸出脈沖電壓為15～60 kV、脈沖頻率為 50～2 000 Hz、占空比為 6%～50%，均連續(xù)可調(diào)[8]。脈沖直流電脫鹽工藝先后在中國石化洛陽分公司、勝利石化總廠、荊門分公司得到了應用，但因脈沖直流調(diào)壓采用工頻晶閘管移相調(diào)節(jié)方式，存在效率低、體積大、輸出電壓調(diào)節(jié)步長大和調(diào)節(jié)困難、脈沖頻率穩(wěn)定性差且調(diào)節(jié)困難等缺點[9]。

隨著高壓電力電子技術的不斷進步，在保持較高電能轉(zhuǎn)換效率的前提下對大功率高頻/高壓交流電源頻率的大范圍、連續(xù)調(diào)節(jié)控制逐步成為可能，高頻/高壓脈沖交流電場破乳技術在西方發(fā)達國家率先得到室內(nèi)研究和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)。ABB Offshore Systems公司的Friedemann等[10]利用連續(xù)流動W/O型乳化液電場破乳實驗裝置，對 3 種不同流速、8 種不同電場頻率(0，50，100，200，400，600，800，1 000 Hz)下的水顆粒粒徑進行了對比分析，雖然不同流速下獲得最大顆粒粒徑時所對應的頻率不完全相同，但都能比在工頻/高壓電場下的顆粒粒徑增大 4 倍。挪威科學和工業(yè)研究基金會能源研究部 Lundgaard 等[11]的實驗研究結(jié)果表明，方波交流與同峰值的正弦波交流相比，電場作用效果提高 40%左右，而且最佳電場頻率為 10 kHz。2007 年，Aible 公司委托瑞典查爾姆斯理工大學研制開發(fā)了高頻/高壓脈沖交流電源，其脈沖頻率最高達10 kHz[12]。Natco 集團自2002年開始研發(fā)雙頻電源技術，目前堪稱高頻/高壓脈沖交流電源得到成功商業(yè)化應用的典范。該電源首先將三相交流電整流產(chǎn)生直流電壓，調(diào)節(jié)器將直流電壓調(diào)節(jié)成以頻率f2變化的各種形式的電壓信號；斬波器將該電壓信號逆變成以基頻f1變化的交流電壓，供給中頻升壓變壓器的原邊，將該輸入電壓升高到足以產(chǎn)生水顆粒有效聚結(jié)的程度。中頻升壓變壓器副邊的電壓輸出由一系列頻率為f1的基本交流信號組成，但與此同時該基本信號的交流峰值電壓又以頻率f2變化(f2也被稱為調(diào)整頻率)[13]。一般情況下，f1的取值范圍為 800～1 600 Hz，f2的取值范圍為0.1～100 Hz。雙頻電源技術近幾年在中東地區(qū)常規(guī)工頻/高壓交流電脫水(鹽)器的升級改造中得到了大量應用，在大幅提高電場脫水(鹽)效率的同時，還可降低處理溫度，減少化學破乳劑的用量，有效應對現(xiàn)階段原油劣質(zhì)化和重質(zhì)化的嚴峻挑戰(zhàn)[14]。

限于高壓電力電子技術和相關元器件的總體水平，國內(nèi)在大功率高頻/高壓交流電源的研制開發(fā)方面整體落后于國外，迄今在煉油廠電脫鹽裝置中得到成功應用的僅有江蘇三星科技有限公司的高頻智能響應控制電源[15]。該電源通過將三相交流電經(jīng)過整流濾波電路后得到連續(xù)可調(diào)的直流電，然后經(jīng)過全橋式逆變器，產(chǎn)生頻率、脈寬及幅值均連續(xù)可調(diào)的矩形波脈沖交流電，經(jīng)過變壓器升壓變換后輸出到負載。2010年7月，在保持電脫鹽罐內(nèi)原有電極極板的基礎上，中海石油寧波大榭石化有限公司對二期8.0 Mt/a電脫鹽裝置的一級電脫鹽罐增加了高頻變壓器和二層極板，改造后對渤海灣低硫高酸重質(zhì)原油的電脫鹽效率有較大提高，同時電耗降低[16]。由于高頻智能響應控制電源的工作頻率僅為300 Hz，因此在充分發(fā)揮高頻/高壓脈沖交流電場破乳優(yōu)勢方面尚存在較大的提升空間。

1.2 高頻/高壓脈沖交流電源的特點

英國石油公司研究中心Taylor[17]于20世紀80年代中期的實驗研究結(jié)果表明，當原油乳化液的導電性強、油水界面膜不可壓縮時，分散相水顆粒形成“水鏈”是靜電聚結(jié)的主要原因，而水顆粒之間的碰撞聚結(jié)作用有限；當原油乳化液的導電性弱、含有移動油水界面膜時，在較高電場強度下會發(fā)生水顆粒之間的碰撞聚結(jié)。另一方面，從高壓電氣強度和電氣安全的角度來看，任何電介質(zhì)(包括原油乳化液)都存在其固有的擊穿特性或伏秒特性曲線，電壓作用時間越短，電介質(zhì)的擊穿電壓越高[18]。當外加電壓時間超過該電壓下的臨界擊穿時間時，電介質(zhì)會發(fā)生擊穿；外加電壓消失后，擊穿會逐漸消失?？梢酝ㄟ^調(diào)整脈沖電場的頻率和占空比，使脈沖輸出時間(脈沖寬度)小于臨界擊穿時間、脈沖間隔時間大于擊穿消失時間，從而使得在電介質(zhì)發(fā)生擊穿之前高頻脈沖就消失、絕緣特性恢復后再發(fā)下一個脈沖。顯然，利用高頻脈沖的特性既可在電極之間施加較高的電場，又可避免發(fā)生擊穿，從而解決復雜原油乳化液的破乳脫水難題。

筆者的課題組經(jīng)過多年努力，自主研發(fā)了原油電脫水(鹽)用BIPTHFAC-Ⅲ型高頻/高壓脈沖方波交流電源，輸入的三相380 V交流電經(jīng)直流調(diào)壓電路得到可控的直流電壓輸出，橋式逆變電路對直流電壓進行逆變后，經(jīng)升壓變壓器升壓后得到頻率、電壓、脈寬均可控的高頻/高壓脈沖交流電壓波形輸出。具體技術特點如下：①前級調(diào)壓采用柔性換流DC/DC調(diào)壓方式，具有動態(tài)響應快、輸出紋波小、功率因數(shù)高、轉(zhuǎn)換效率高(96%左右)、可實現(xiàn)油浸自冷運行等優(yōu)點；②后級逆變電路采用IGBT全橋逆變；③升壓變壓器鐵芯采用鐵基非晶材料，具有電阻率高、損耗低、激磁所需功率小等優(yōu)點；④控制方式采用雙DSP協(xié)同全數(shù)字控制，具有波形穩(wěn)定、易調(diào)節(jié)、易根據(jù)數(shù)學模型進行復雜控制和遠程控制等優(yōu)點，可方便實現(xiàn)與油田和煉油廠DCS、FCS控制系統(tǒng)的融合；⑤在結(jié)構安裝布局上，前級調(diào)壓、后級逆變電路與升壓變壓器一體化油浸自冷，最大程度地弱化了電纜等分布參數(shù)對輸出波形的影響，易實現(xiàn)高頻交流輸出和輸出保護。BIPTHFAC-Ⅲ型高頻/高壓脈沖交流原油脫水(鹽)電源于2012年9月取得了國家防爆電氣質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心的防爆認證(證書編號：CNEx12.2393X)，額定輸出電壓為20 kV，額定輸出電流為4 A，額定輸出頻率為500～5 000 Hz，額定輸出占空比為10%～90%，工作過程中能夠連續(xù)可調(diào)地輸出矩形脈沖交流電壓波形(也稱脈沖方波交流電壓波形)。除了基于Mastersizer 2000型激光粒度儀離線測量對比分散相水顆粒粒徑的變化之外，本課題組還建立了基于Turbiscan Lab全能穩(wěn)定性分析儀測量Turbiscan穩(wěn)定系數(shù)、基于G600型聚焦光束反射測量儀(FBRM)原位測量分散相水顆粒粒徑變化的W/O型乳化液破乳特性評價方法[19]。配套進行的大量室內(nèi)靜態(tài)和動態(tài)脫水特性實驗結(jié)果表明，與常規(guī)工頻/高壓交流電場相比，原油乳化液在高頻/高壓矩形脈沖交流電場下的水顆粒粒徑顯著增大[20]。

2 高頻/高壓脈沖交流電場破乳的室內(nèi)實驗研究

2.1 工程背景

在取得原油進口資質(zhì)以前，山東京博石油化工有限公司(京博石化)主要加工馬瑞(Merey)重質(zhì)原油和俄羅斯M100燃料油，后者為經(jīng)過一次加工直餾出輕油(主要成分是汽油)后剩余的重質(zhì)油。M100燃料油的密度一般超過0.91 g/cm3，黏度大，含有大量的氮、硫、蠟質(zhì)、金屬以及鹽類，水含量(w)較高(一般為1%～2%，有時可達6%)。京博石化東區(qū)生產(chǎn)車間的整套電脫鹽裝置由江蘇金門能源裝備有限公司提供，最早采用基于4個電脫鹽罐的三級電脫鹽工藝流程；后來又將其改造為基于4個電脫鹽罐的二級電脫鹽工藝流程，且將雙進油雙電場全部改為僅下部進油口進油。改造為二級電脫鹽工藝流程后，1號～3號電脫鹽罐并聯(lián)運行，構成第一級，其設計罐容均為170 m3；4號電脫鹽罐單獨運行，構成第二級，設計罐容為400 m3。當處理量為183 m3/h、脫前原油鹽濃度為200～300 mg/L、稀釋水摻比為8%～10%時，希望脫后原油鹽濃度不大于5 mg/L。京博石化東區(qū)生產(chǎn)車間2015年上半年的原油電脫鹽合格率為70%左右，而且運行能耗和運行成本(破乳劑消耗等)居高不下[21]。因此，決定首先開展基于高頻/高壓脈沖交流電場的原油破乳室內(nèi)實驗研究，以便為工業(yè)側(cè)線試驗提供參考。

2.2 實 驗

2.2.1 乳化液配制 原油油樣直接取自京博石化東區(qū)生產(chǎn)車間，初始水含量為1.254%，室溫(28 ℃)下黏度為704.3 mPa·s。原油乳化液配制主要借助于美國FLUKO FA25高剪切分散機、美國Polyscience 9000循環(huán)恒溫水浴裝置、2 000 mL燒杯、玻璃攪拌棒等進行。配制過程中，首先在2 000 mL的燒杯內(nèi)按比例倒入1 900 mL左右的原油油樣和水樣，置于70 ℃恒溫水浴內(nèi)預熱5 min；然后啟動高剪切分散機以19 000 rmin的轉(zhuǎn)速剪切油水混合物，同時用玻璃棒輔助攪拌，持續(xù)4.5 min后停止剪切；最后再在70 ℃恒溫水浴中靜置5 min，最終得到具有足夠穩(wěn)定性的原油乳化液。

2.2.2 瓶試型乳化液電場破乳脫水 瓶試型乳化液電場破乳脫水測試系統(tǒng)的組成如圖1所示。核心組件為立式靜態(tài)靜電聚結(jié)器，采用三層環(huán)形玻璃筒同軸線布置結(jié)構：乳化液位于最內(nèi)層的錐底量筒內(nèi)(最大容積為280 mL)，高壓電極棒居中浸沒；錐底量筒浸沒在與接地線相連的靜止NaCl溶液中，從而在高壓電極棒與環(huán)形NaCl溶液之間形成非勻強電場空間；最外層環(huán)形空間與水浴箱連接，形成循環(huán)水浴，使立式靜態(tài)靜電聚結(jié)器處于所設定的溫度環(huán)境；立式靜態(tài)靜電聚結(jié)器頂部的有機玻璃蓋配合中心底部的凹槽對錐底量筒起到定位作用，使其始終保持垂直姿態(tài)。由于3個同軸線圓筒全部采用玻璃材質(zhì)，能夠?qū)崟r通過目測觀察乳化液在電場作用下的破乳和重力沉降分離效果。電場發(fā)生及監(jiān)測系統(tǒng)由美國GW Instek Function Generator GFG-3015信號發(fā)生器、日本Trek Model 1040A-HS電壓放大器、美國GW Instek Oscilloscope GOS-620 20MHz示波器組成。GFG-3015信號發(fā)生器能夠提供不同波形(正弦波方波三角波斜波等)、不同電壓(0.01～10 V)、不同頻率(10 mHz～15 MHz)的信號。

圖1 瓶試型乳化液電場破乳脫水測試系統(tǒng)示意

2.2.3 離心機破乳脫水 實驗過程中，每次取70 mL所配制的原油乳化液置于錐底量筒內(nèi)，然后接通電場發(fā)生及監(jiān)測系統(tǒng)，施加高頻高壓脈沖方波交流電場進行破乳。為了縮短加電和重力沉降分離時間，加快實驗進程，采用西班牙ORTOALRESA digtor-21c型離心機對錐底量筒內(nèi)實施電場破乳后的全部樣品繼續(xù)進行離心分離。離心破乳脫水結(jié)束后取出離心機專用圓底量杯，取樣測量上層原油的水含量；同時觀測量杯底部沉降水的體積，脫水率通過下式計算：

(1)

2.3 室內(nèi)實驗結(jié)果與討論

配制水含量(w)為22.02%的原油乳化液，在電壓均值為2.1 kV、溫度為80 ℃的條件下持續(xù)加電1 min，在離心機的轉(zhuǎn)速為1 200 rmin、持續(xù)時間為2 min的條件下進行離心分離，考察原油乳化液在不同電場頻率下的破乳脫水效果，結(jié)果如表1所示。離心脫水率、層油水含量與電場頻率之間的關系曲線如圖2所示。

表1 原油乳化液在不同電場頻率下的破乳脫水效果

從圖2和表1可以看出：①在施加相同的電壓均值時，相比于工頻電場(50 Hz)，高頻電場(頻率不小于1 000 Hz)的破乳脫水優(yōu)勢明顯，其離心脫水率最高達76.92%(4 500 Hz)，是工頻電場的10.77倍；②高頻電場存在最優(yōu)電場頻率，電壓均值為2.1 kV時的最優(yōu)電場頻率為4 500 Hz；在電場頻率大于4 500 Hz后，隨電場頻率繼續(xù)增加，離心脫水率反而緩慢降低；③ 表層原油水含量變化趨勢與離心脫水率相契合，離心脫水率最高的試樣中表層原油水含量最低，進一步證實了測試結(jié)果的真實可信。當然，電場破乳處理后的原油乳化液經(jīng)過離心破乳脫水后，除底部沉降出的自由水外，其中仍然存在大量的微小水顆粒，而且其分布密度隨離心機專用圓底量杯內(nèi)油層深度的增加而增大，這也是“離心體積脫水率換算成的水含量+表層原油水含量≠100%”的原因。盡管如此，室內(nèi)實驗結(jié)果初步證明了高頻高壓脈沖方波交流電場對于劣質(zhì)原油乳化液的破乳脫水的有效性。

圖2 原油乳化液離心脫水率、油層水含量隨電場頻率的變化

3.1 中試裝置現(xiàn)場布置及接口條件

工業(yè)側(cè)線試驗用中試裝置總體委托江蘇金門能源裝備有限公司定制成撬，但在該公司雙進油雙電場電脫鹽裝置的基礎上，另外加裝了筆者課題組自主研發(fā)的 2 臺 IPTHFAC-Ⅲ 型高頻高壓脈沖方波交流電源。通過接電轉(zhuǎn)換器保護罩內(nèi)安裝的高壓接電轉(zhuǎn)換器，可快速進行電脫鹽罐內(nèi)高壓極板與常規(guī)工頻高壓交流電源、高頻高壓脈沖交流電源之間的連接切換，以便進行“背對背”對比試驗。整套中試裝置的設計參數(shù)如下：原油處理量700～1 400 m3d，入口原油水含量 10%～30%，設計溫度 160 ℃，設計壓力1 700 kPa；電源供電為380 V 交流電、50 Hz；中試裝置尺寸6 500 mm×3 600 mm×5 400 mm，凈重 21 000 kg。中試裝置的原油進出口管線和電脫鹽切水排放管線均采用耐油、耐壓、耐高溫、耐腐蝕的軟管，軟管末端預留法蘭或者快速接頭，管線規(guī)格如下：進油管線 DN150 mm，出油管線 DN150 mm，出水管線 DN80 mm；耐壓 2.2 MPa、耐高溫 170 ℃。中試裝置的進油管線從京博石化東區(qū)車間電脫鹽裝置2號電脫鹽罐的入口處接入生產(chǎn)流程，經(jīng)過脫鹽處理后的原油經(jīng)出油管線回到電脫鹽裝置1號電脫鹽罐的入口，因此對車間的正常生產(chǎn)運行基本不產(chǎn)生負面影響。

3.2 工業(yè)側(cè)線試驗結(jié)果

為了便于與企業(yè)的實際生產(chǎn)狀況進行直觀對比，現(xiàn)場取樣、測試化驗等工作均由京博石化檢測中心負責，基于該中心的測試化驗儀器設備和化驗藥劑嚴格按照定型測試化驗規(guī)范進行，使用WK-2D型微庫侖綜合分析儀測試原油樣品中的鹽含量，使用KDM型可調(diào)控溫電熱套和電子天平等基于蒸餾法測試原油樣品中的水含量。為了盡量保證現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)的可靠性，降低試驗誤差，每組試驗參數(shù)取中試裝置入口原油樣品1個、中試裝置出口原油樣品2～3個、生產(chǎn)裝置2號電脫鹽罐脫后原油樣品1個，每次取樣間隔約為1 h；以入口原油水含量和鹽含量作為參照依據(jù)，若單次工況原油出口的取樣檢測數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯反常情況，則對其進行補測。

3.2.1 “24 m3h+單進油+雙電場”工況下的試驗 在“24 m3h+單進油+雙電場”工況下中試裝置的操作參數(shù)及測試結(jié)果如表2所示，生產(chǎn)裝置同期第二級(4號)電脫鹽罐出口原油的取樣化驗結(jié)果如表3所示。表3中脫前鹽濃度是指第一級(1號～3號)電脫鹽罐入口原油的鹽濃度，脫后鹽濃度是指第二級電脫鹽罐出口原油的鹽濃度。從表2和表3可以看出：①在注水量、破乳劑濃度、入口溫度等保持不變的情況下，隨電場頻率的變化，中試裝置脫鹽率在82.20%～96.12%之間變化；②中試裝置在電場頻率為2 000 Hz時脫鹽率最高(96.12%)，雖然電場頻率為3 500 Hz時脫鹽率也比較高，但此時入口原油鹽濃度較之前有所下降，在注水量保持不變時理應導致電脫鹽效果變好，故從數(shù)據(jù)可靠性的角度來看，2 000 Hz應為該工況下的最佳電場頻率；③從整體脫鹽效果來看，中試裝置入口處原油鹽濃度在203.1～263.5 mgL之間變動時，單級脫后鹽濃度為9.1～41.1 mgL，單級平均脫鹽率達到90.50%，但在平均148 ℃的操作溫度下，生產(chǎn)裝置兩級電脫鹽工藝的脫后鹽濃度為35.0～200.0 mgL，兩級總脫鹽率最高為81.48%，平均值僅為56.49%。

表2 中試裝置“24 m3h+單進油+雙電場”工況下的操作參數(shù)及測試結(jié)果

表2 中試裝置“24 m3h+單進油+雙電場”工況下的操作參數(shù)及測試結(jié)果

頻率∕Hz上場強∕(V·cm-1)下場強∕(V·cm-1)進油量∕(m3·h-1)脫前水含量(w),%脫前鹽濃度∕(mg·L-1)脫后水含量(w),%脫后鹽濃度∕(mg·L-1)單級脫鹽率,%100077855627.52.0230.40.4341.182.20150077855621.62.0260.30.1223.591.01200077855621.62.0260.30.0910.196.12250077855621.70.3260.30.0927.489.48300077855623.01.9263.50.3838.285.46350077855626.41.5203.10.159.195.51均值77855624.01.9234.60.3222.990.50

表3 生產(chǎn)裝置第二級電脫鹽罐出口原油的取樣化驗結(jié)果

3.2.2 “40 m3h+雙進油+雙電場”工況下的試驗“40 m3h+雙進油+雙電場”工況下中試裝置的操

作參數(shù)及測試結(jié)果如表4所示，生產(chǎn)裝置同期第一級2號電脫鹽罐出口原油的取樣化驗結(jié)果如表5所示。從表4和表5可以看出：①中試裝置的最佳電場頻率區(qū)間位于1 500～3 000 Hz，相應的脫后鹽濃度為32.4～45.6 mgL，脫鹽率為70.25%～77.76%；②中試裝置在最佳電場頻率區(qū)間工作時的平均脫鹽率73.19%，略高于生產(chǎn)裝置第一級2號電脫鹽罐的平均值(70.98%)，但綜合考慮中試裝置水力停留時間縮短0.7 h、操作溫度降低12 ℃以上(管路溫降)等因素，中試裝置的處理性能仍然明顯優(yōu)于生產(chǎn)裝置第一級2號電脫鹽罐。

表4 中試裝置“40 m3h+雙進油+雙電場”工況下的操作參數(shù)及測試結(jié)果

表4 中試裝置“40 m3h+雙進油+雙電場”工況下的操作參數(shù)及測試結(jié)果

頻率∕Hz上場強∕(V·cm-1)下場強∕(V·cm-1)進油量∕(m3·h-1)脫前水含量(w),%脫前鹽濃度∕(mg·L-1)脫后水含量(w),%脫后鹽濃度∕(mg·L-1)單級脫鹽率,%50077855640.10.4138.20.4558.557.69150077855640.21.2130.00.5035.172.93200077855640.11.2115.00.4632.471.83250077855641.70.5153.10.3245.670.25300077855640.90.2164.30.1336.577.76350077855639.81.0155.90.60103.033.93400077855640.10.7155.10.8791.441.07450077855640.20.7134.90.6056.757.97均值77855640.40.7143.30.4957.460.42

表5 生產(chǎn)裝置第一級2號電脫鹽罐出口原油的取樣化驗結(jié)果

3 結(jié)束語

電場設計是對原油乳化液實施有效電場破乳脫水(鹽)的前提和基礎，雖然交流電場、直流電場、交直流電場、脈沖直流電場、脈沖交流電場等迄今都已有不同程度的應用，但真正代表原油脫水(鹽)電源發(fā)展方向的當推脈沖交流電場。國內(nèi)高頻高壓脈沖交流電源的研發(fā)起點落后于國外，尤其是與脫水(鹽)電源世界頂級產(chǎn)品雙頻電源之間的差距迄今仍未能引起業(yè)界實質(zhì)性關注，應該在全面了解、準確把握技術發(fā)展動態(tài)的基礎上有針對性地組織開展技術攻關。

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RESEARCH OF ELECTROSTATIC DEMULSIFICATION TECHNOLOGY UNDER HIGH-FREQUENCYHIGH-VOLTAGE PULSED AC ELECTRIC FIELD AND ITS APPLICATION IN CRUDE OIL DESALTING

Chen Jiaqing1， Huang Songtao1， Wang Jige2， Xi Jinlu3

(1.SchoolofMechanicalEngineering，BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology，Beijing102617； 2.ShandongChambroadPetrochemicalsCo.Ltd.；3.BeijingCompany，ChinaPetroleumEngineeringCo.Ltd.)

Electric desalting pretreatment of low-quality crude oil is a difficult technology generally faced by refineries.This paper introduces the development process of demulsification technology of crude oil emulsion electric field in the world，and points out that the high frequency/high voltage pulse electric field should arouse the attention of the domestic industry.The laboratory feasibility experiments and industrial side-line tests indicate that the demulsification performance of high-frequency/high-voltage pulsed AC electric field with square wave is better than that of conventional frequency/high-voltage AC electric field，where the optimum frequency depends on the physicochemical properties of specific water-in-crude-oil emulsions，e.g.water content，emulsification degree，and demulsification temperature，and is generally above 1 500 Hz.The field test results of home-made BIPTHFAC-Ⅲ high-frequency/high-voltage pulsed AC electric power with square wave show that the desalting efficiencies within the range of optimum electrical-field frequency are all higher than the average desalting efficiencies of the simultaneous reference samples，and it can shorten the hydraulic residence time and reduce the heating cost.The high-frequency/high-voltage pulsed AC electric field electrostatic demulsification technology can provide a practical and feasible scheme for solving the difficulty of low-quality crude oil desalting.

crude oil emulsion； electrostatic demulsification； electric desalting； high-frequency pulsed AC electric field； desalting efficiency

2017-02-10； 修改稿收到日期： 2017-04-10。

陳家慶，教授，博士生導師，從事石油石化領域多相流高效分離技術與設備等方面的教學科研工作。

陳家慶，E-mail：Jiaqing@bipt.edu.cn。

北京市屬高等學校“長城學者”培養(yǎng)計劃資助項目(CIT&TCD20150317)，北京市教委科技發(fā)展計劃重點項目暨北京市自然科學基金重點項目(B類)(KZ201410017019)。