电脱水的基本原理.docx
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电脱水的基本原理
电脱水的基本原理
原油的脱水方法很多，通常有离心脱除法，重力沉降法，化学分离法和静电分离法等。
离心脱除在小批量的工业生产中非常有效，分离效率很高，但是设备操作费用较大。
重力沉降法一般用于陆上。
在开采项目初期的轻质原油的电脱水，如果是重质原油，若采用重力沉降法，罐体会很大，沉降时间也将很长。
这是也往往加入一些破乳剂，以破坏游水乳化液，促进水的脱除，这成为化学分离法。
这些分离方法的效率是很有限的，当对分离效率和空间提出更高的要求时，采用高压静电技术的静电分离脱水方法往往被应用到原油的脱水过程中。
在三相分离器中，原油中含有的大部分自由水被脱除，但是还有一部分水与原油结合在一起形成比较牢固的乳化液，这些乳化液中的水必须借助高压电场作用才能破乳脱除出来，这就是电脱水。
原油中的水进入电场后被极化，即负电荷集中到水滴一端，正电荷集中到水滴另一端，每个极化水滴成为一个感应偶极子——携带电量相等而极性相反的电荷或电极的颗粒，如图1所示：
图1水滴在电场中被极化形成感应偶极子
极化后的水滴之间产生相互吸引的电场力，促进水滴的聚结，如图2所示。
我们把这种导致微小水滴聚结的引力称为聚结力，可以用以下公式表示：
F=
其中：
F—水滴之间的电场聚结力；
—原油乳化液自身的介电常数；
—水滴的半径；
—电场强度；
—相邻水滴中心距。
图2极化后水滴之间的相互作用
从式中可以看出，水滴之间电场聚结力F与水滴半径的平方成正比，与电场强度E的平方成正比，而与两水滴间的中心距离l的四次方成反比。
其中E就是电脱水器内电极板组成的电场所形成的电场强度。
在电场力作用下，相邻小水滴破裂聚结成大水滴，大水滴又与周围的水滴聚结，由此不断长大，由于受到重力作用当水滴长大到一定程度就会开始沉降。
在原油电脱水过程中，小水滴聚成大水滴后，原油和水的分离是依靠油水密度差的重力沉降来实现的，水滴在原油中的自然沉降速度服从斯托克斯定律：
υ=
×g
式中：
υ——水滴沉降速度
——水滴直径；
——为油水密度差；
g——重力加速度；
——原油粘度。
其实在沉降过程中水滴仍在不断地与周围水滴结合，不断变大，沉降速度也不断加快，最终水滴聚结在罐体底部，从排水管线中排出到污水处理系统，经过处理后达到环境保护的技术指标后，然后排到大海中。
为了提高脱水率，可向原油乳化液中注入破乳剂，最好在原油进料泵吸入口加入，如果在泵吸入口加入破乳剂操作不方便，则应在预热器之前的某一点加入或增加混合器，以增加破乳剂与乳化液的混合效果。
破乳剂有助于加快破乳过程，，减少电脱水排水携带出电脱水器的含油量。
海上原油电脱水器的技术特点
海上油田的原油电脱水器与陆地油田的原油电脱水器工作原理是基本相同的，只是由于电脱水器的工作地点不一样，对海上原油的电脱水器设计和运行提出了一些更高的要求。
根据多年来在海洋石油工程的工作经验，我们总结了海上油田原油电脱水器的主要特点，这些主要特点如下：
适应恶劣海洋环境的要求
海上采油设施要经受各种恶劣气候和风浪的袭击，经受海洋环境高湿度、高腐蚀性气体的侵蚀。
受风浪的影响，FPSO上的设备因船只的横摇，纵摇，升沉等运动而处于非静止状态中，这些必须在设计时予以考虑。
满足安全生产的要求
海上采油环境为易燃易爆危险场所，各种生产作业频繁同时受空间限制，油气处理设施、电气设备、人员住房可能聚集在一起，因此对电脱水器设计的安全性提出了较高的要求，主要设计自动安全关断、报警、停止等安全生产保护措施，确保长周期安全生产。
设备布置紧凑，自动化程度高
海上平台和FPSO的规模决定了投资的多少，因此在满足生产的前提下，尽量选用效率高，占地空间小的设备，并要求布局合理，设计紧凑。
由于海上油田操作人员少，因而要求设备的自动化程度高，为保证仪表的性能，仪表一般采用质量优良的进口仪表。
增强设备的稳定性
设备的机械稳定性是其正常运行的基本特征。
设计时充分考虑船体运动的加速度，电脱水器和底座都必须进行加固设计（特别是FPSO上的设备）、加强处理。
电场结构采用三角形进行固定设计，这是因为容器内的流体在运动中会对电极板造成冲击，严重时造成极板松动或脱落。
仪表、管线、电器等设备也必须进行固定，避免船只的运动造成设备的损坏。
适应性强，脱水效率高的高压电场的设计
海上油田在不同开采时段，原油产量不同，有时产量波动很大，石油中含水量也有很大的变化。
这要求所设计的电脱水器必须具有较强的适应性，能够在多种原油处理量和原油含水量下平稳操作，并达到理想的脱水效果。
油水界位防浪技术和水冲洗装置的设计
在电脱水行业，油水界位被称为电脱水器的“心脏”，这是因为电极板将与油水界位形成一个弱电场。
乳化液首先进入这个弱电场进行脱水，油水界位的稳定，弱电场有效进行对于保障最终的脱水效果具有重要意义。
开采出的石油含有大量泥沙，电脱水器长期运行后，沉沙将沉积在罐体底部，必须及时地将泥沙排出罐体，否则将影响油水界位的平稳运行。
7.操作注意事项：
操作中，一般不允许电脱水器内上部出现气体，因为这些气体是易燃易爆气体，如果气体过多，将使原油液面下降到高压电极棒与极板的连接处，这种情况比较危险。
连接不好，高压电引入出现火花将发生爆炸事故，为防止此类事故的发生，在罐体顶部安装了一个低液位安全开关。
设定低液位安全开关启动位置高于高压电极棒棒帽下端，这样就能确保不会有太多气体出现在罐内上部，否则低液位安全开关将切断MCC中变压器的电源，使高压电不再输送到电脱水器内。
油水界位的稳定对于电脱水器的平稳运行具有重要意义。
油水界位是通过控制排水量来实现的。
同时，还设计了高界位和低界位，如果界位过高，油水界位距离电极板太近，电流将升高，达到变压器的设定报警电流时，在CCR变压器将报警，由于该变压器是电脱水专用变压器，过电流报警是不会损坏设备的，时间过长，变压器将自行关断。
在罐顶设计有高高界位和低低界位，并都由信号输送到CCR，这是对电脱水器的运行保护。
如果操作条件与设计条件相距甚远，达到高高界位或低低界位，将停止设备运行。
两个人孔设计在电脱水器的封头两端，内部所有构件的设计都必须能够在人孔中进出，以便顺利安装和维修。
在罐体底部设计了一个备用开口，并分别用盲板封死，在设备停止运行检修时可以用于清除泥沙用。
在电脱水器进油管、出油管和排水管上都安装了取样器和冷却器，分别对脱后原油和排出污水进行取样，分析，考察电脱水器的运行效果。
电脱水器的运行：
一旦各项电气测试工作完成，就能使电脱水装置投入运转。
电脱水装置投入运转的开车步骤:
打开原油进口和出口阀门。
关闭电脱水器的污水排放管线。
打开背压控制器。
打开电脱水罐的放空管线。
用氮气吹扫电脱水罐，除去空气。
（如果用户不能使用氮气而使用蒸汽，就按用户安全规程所规定的吹扫方法）。
使少量蒸汽慢慢地进入电脱水罐内。
作用于电脱水罐的蒸汽压力绝不能超过压力容器的设计压力，电脱水罐内的温度不得超过150℃，以保护绝缘吊挂和电极棒，吹扫时的详细要求请参考本章后的“吹扫规则”。
打开罐顶放空阀，向罐体内进油。
电脱水罐充满原油后，关闭放空阀。
缓慢地将背压控制器调节到电脱水装置所必需的操作压力，不得高于电脱水装置的设计压力。
使配电箱的断路器开锁。
接通电源。
电压表应读出线路电压。
电流表应读出低电流值。
在这种工况下操作电脱水装置，直到充入电脱水装置的原油达到其操作温度为止。
使界面控制器投入使用。
建立油水界面，使罐底部水位逐渐增高，达到设计操作高度。
调节控制排水阀，使水从电脱水罐流到污水处理系统。
在这些工况下操作电脱水装置，使其完全置换若干次。
当达到所设计的操作条件后，平稳运行24小时后，对经过脱水处理的原油和排出的污水进行取样，分别分析测定其含水量和含油量。
如果脱后效果很理想，就按最佳脱水效率的要求调整各种操作参数。
确定沉积物冲洗次数和间隔时间。
将高压冲洗水线接到罐体上的冲洗口处，打开沉积物冲洗进口管线上的阀门，对罐体底部的沉积物进行冲洗。
如果从电脱水罐内正在冲洗出沉积物，则污水看起来是脏的或混浊的。
沉积物冲洗系统应操作到排出电脱水罐的水不再混浊为止。
几个小时以后，再次操作冲洗水系统，并对流出污水进行取样，观察或分析。
如果水并不混浊，或者含有极少量的沉积物，就停用冲洗水系统。
由于各油田的原油中的沉积物的性质和含量各不相同，每次的冲洗时间应根据具体情况在冲洗操作中进行摸索。
在电脱水装置已投入操作一段时间之后，用户也可以调整这一冲洗时间，冲洗间隔时间与冲洗时间一样根据具体情况在冲洗操作过程中进行摸索和确定。
运行工艺要求：
一旦电脱水装置投入运行之后，就可能要求用户进行调整工作，使系统获得可能最好的脱水率。
对有效影响系统从原油中脱除水的主要因素说明如下：
原油流量；
原油性质；
破乳剂种类和加入量；
电脱水罐内水位；
操作温度；
操作压力。
用户在按系统最佳性能进行调整时，经常有必要调整这些工艺参数中的多项参数。
原油流量
如果原油处理量增加到电脱水系统的设计能力之上，将会使脱水效率受到一定程度的损失。
原油的流量必须是与油品的性质相适应，原油的改变将会影响到原油的流量的改变，如果流量过小，有些测量仪表可能受到测量范围的限制。
原油性质
原油的密度、粘度及含水量直接影响电脱水器的操作工艺，原油的密度和含水量一般不能被人们控制或改变，但粘度可通过温度变化使其相应得到改变，因此在操作过程中应结合这些参数的变化，在可能的情况下调整脱水工艺操作参数。
破乳剂种类和加入量
破乳剂加入量或种类的变化可改变破乳效果。
向被处理原油加入过少或过多的破乳剂，也许会增加被处理原油的含水量。
如果用户因某些原因改变破乳剂的种类，则破乳剂加入量必须进行重新标定或优化。
电脱水过程中没有强调一定要加入破乳剂，但考虑到油品性质变化情况，在管线上设计了破乳剂注入点。
电脱水罐水位
电脱水罐内的水油界位被成为电脱水器的“心脏”，在电脱水设备运行过程中起着关键作用，这是因为油水界位与电极之间形成了一个弱电场，在操作中，必须保持油水界位在低于电极的高度，不过也不要使其过低，否则将影响夹带油量。
如果水位升高到电极区，电极就会发生短路。
若水位太低，就可能降低弱电场的电场强度，使脱水效果受影响。
操作温度
脱水系统操作温度应保持在该系统设计规定的范围内。
在此范围之外操作脱水效率就会受到损失。
如果脱水系统操作温度过低，原油粘度增大，将不利于油水之间的分离。
如果脱水系统操作温度过低，电脱水器的油气和水将汽化产生“气泡”，“气泡”进入电场后也将干扰电场的平稳运行。
操作压力
脱水系统的操作压力将通常这样设定，就是使电脱水罐内的压力保持在至少比电脱水器内轻质易汽化油品的饱和蒸汽压（0.148MPa）高。
这样就能防止电脱水罐内油和水发生汽化、膨胀和形成气体。
如果操作压力因某种原因减小，就会在电脱水罐内发生“气泡”现象。
产生气泡后的后果就是在电极板之间产生电弧、电流表读数不稳定、脱水效果差。
电脱水器吹扫规则
吹扫目的
在电脱水器开车之前吹扫电脱水罐（适用于电脱水系统首次开车或因某些原因排空电脱水容器之后），其目的在于减小容器内存在氧气和烃蒸汽爆炸混合物的量。
当电脱水罐被排空停止使用时，电脱水罐也应进行吹扫。
吹扫规则
我公司建议使用氮气作为吹扫介质。
氮气吹扫的总时间应能充分置换电脱水罐内的空气和各种气体。
在任何人进入电脱水罐之前，用户应利用烃气检测仪确定，电脱水罐内不含有可燃性空气—烃蒸汽混合物。
在未利用烃气检测仪确定之前，任何人不戴上呼吸防毒保护器具，都不得进入电脱水容器内，通过分析测试，确定电脱水罐内的大气含有量完全可以满足进入电脱水器内人员用的充足氧气，并且确保H2S含量没有达到危险程度。
如果用户选择蒸汽作为吹扫介质，为了确保操作人员的人身安全和设备安全，作用在电脱水罐上的蒸汽压力绝不能超过压力容器的设计压力，电脱水罐内的温度不得超过（150℃）。
蒸汽吹扫温度必须予以限制，以免损坏高压电引入棒、绝缘吊挂及油水界面检测仪，这些部件均由聚四氟乙烯制造，在高于给定的限制温度下具有塑性变形，从而引起密封面破坏，绝缘吊挂损坏，使水份进入高压引入棒内。
如果蒸汽进入高压电引入棒，就会发生冷凝，而冷凝液（水）是导电的，能引起进线高压引入棒发生永久性的损坏。
在电脱水罐内无任何可燃性气体或介质并已冷却之前，任何人都不得进入电脱水罐内进行工作。
警告
如果用户要应用高于规定温度和压力的蒸汽进行吹扫，则应从电脱水罐内拆除所有含聚四氟乙烯材料制造的零部件。
电脱水器的停车操作
停止破乳剂化学品的注入。
将操作箱上的断/通按钮置于断开位置。
断开电脱水装置的主断路器，将其锁上挂锁，并加上警示“勿送电”类的标签。
停止向电脱水罐加原油。
关闭靠近电脱水罐的所有切断阀。
如果电脱水罐必须排空后准备进入其内，或者电脱水罐将要停止运转7天以上，就继续进行第4步到第11步的操作。
注意：
现有几种方法可以用于电脱水罐降低压力和排空其物料。
下面叙述了一种方法。
用户必须选择一种与用户接受的安全生产习惯一致的操作方法。
使电脱水罐降压，并使各种蒸汽排放到合适的密封处理装置或回收。
将电脱水罐内的水放到合格的处理场所。
将电脱水罐内的原油泵送到合格的处理场所。
注意：
在电脱水罐已被排空、吹扫和冷却以及准备由人员进入其内之前，不得打开电脱水底部的排污口。
按照用户法规和允许工作程序的规定，在与电脱水罐连接的各管线上安装盲板。
在把电脱水罐排空之后，打开蒸汽吹除接管，按照吹扫电脱水罐内可燃性烃蒸汽所需的时间长度对电脱水罐进行蒸汽吹除。
确保电脱水罐内的气体被排放到合格的处理场所。
打开污水管线，以便能处理含油冷凝液和过量蒸汽。
一旦电脱水罐被吹扫，就切断蒸汽。
确保所有冷凝液都被排出电脱水罐。
打开电脱水罐，检查其是否含有可燃性烃蒸汽。
如果存在可燃性烃蒸汽，则要恢复对电脱水罐进行蒸汽吹扫。
如果电脱水罐内无可燃性烃蒸汽，就用水充分彻底地冲洗电脱水罐，除去固体物。
附录1：
电脱水装置日常维护检修对照
设备或组件
日常操作需要进行的检查
在系统停车期间检查修理
电脱水罐
表关检查保温、油漆和金属的状况
检查金属表面状况是否有任何腐蚀的迹象
电极组件
无
检查金属的状况腐蚀状况
分配器组件
无
检查各个孔和总管是否有任何堵塞、结垢或腐蚀
专用电源设备（含电抗器、变压器）
表观检查箱体是否有任何外部损坏的迹象
检查相体内的油位是否正常。
并检查油是否被介质击穿
高压电引入棒
无
检查引入棒与高压电联接器之间是否连接良好，检查是否有任何烧损标记以及耐电压测试
十字套筒连接装置
外观
检查绝缘油泄漏或是否有任何水分
绝缘吊挂
无
进行耐电压测试，看其绝缘系数是否合格、表面有无裂纹
防爆操作箱
保持通气和防水
检查电流表和电压表是否正确校准
安全低液位开关
无
检查浮筒是否有任何泄漏
界面控制仪表
必要时调整设定点，维持合乎要求的水位
检验测量精度
界面控制阀
表现检查是否有磨损迹象
检查阀座、阀塞、阀杆、导承和填料的状况
沉积物冲洗系统
无
检查管线和喷嘴金属的状况、更换任何磨损或损坏的零部件
附录2：
电脱水装置工艺过程故障和排除指南
问题
可能产生原因
排除措施
脱水后油中仍然含有过多的水
（a）罐内电场建立
（a）建立合适电场
（b）罐内油水界面未形成
（b）使罐内油水界面稳定
（c）操作温度过低
（c）提高未脱水油的温度
（d）未脱水原油中底部沉积物和水含量极高一发生的油和水分离程度不足。
（a）对原油取样分析其底部沉积物和水含量，根据测试结果分析原因，找出解决问题办法。
（e）电极组件的电压过低
（b）检查电气系统是否有操作问题
（f）加入的破乳剂化学药品量不足或破乳剂种类不正确
（c）增加破乳剂化学药品注入量和/或重机关报进行破乳剂评选
（g）油/水界面过低
（d）必要时调节控制器设定点
排出的污水脏含油过高
（a）加入未脱水原油中的破乳剂量和种类都不正确
（a）调整破乳剂注入量和/或重新进行破乳剂评选
（b）油温对于脱水装置良好运转来说过低
（b）检查温度，必要时提高油温
（c）水位控制器设定点调整得不正确，或者污水出口管线上的阀门可能被卡住不能打开
（c）检查控制器设定点和阀门动作。
必要时进行调整。
电压表读数变化范围宽，而且持续变化
（a）电脱水器操作温度过高或者压力不足
（a）检查电脱水罐内温度，必要时调节温度。
检查背压阀的动作。
（b）油/水界面传感器控制或控制阀操作不正确
（b）检查控制器和控制阀是否正确操作。
必要时，检查传感器并校准
（c）加入未脱水原油的破乳剂量不正确，选用破乳剂错误
（c）破乳剂的注入量和/或改变破乳剂种类
续表：
电脱水装置工艺过程故障和排除指南：
存在问题
问题的可能原因
排除措施
电压表读数持续地非常低
（a）在电脱水罐内形成稳定的（难以破乳）乳化液
（a）对原油进行破乳剂评选，对不同性质的原油应采用不同的破乳剂型号、注入量及注入点。
（b）电脱水器内温度过高或过低
（b）检查油温
（c）加入未脱水油中的破乳剂量和种类不正确
（c）调整破乳剂加入量和/或改变破乳剂种类
（d）高压电引入棒或高压电引入装置损坏
（d）检查高压引入棒情况并将其更换。
只有在测试结果表明，与该高压引入棒和软连接装置连接的电源设备不是问题的原因时才检查该套管。
此外，对于（e）和（f）也要遵照这一要求。
（e）电脱水罐内绝缘吊挂损坏
（e）将电脱水器停止使用。
当允许进入时，就进入容器内，确定哪一绝缘吊挂已损坏，然后将其更换。
（f）通电的电极接地
（f）使系统停车。
检查电脱水罐内部，确定电极的接地点位置。
使电极不接地。
（g）水位控制器的设定点调整不当，或者污水出口管线上的阀门被卡住
（g）检查水位控制器设定点和阀门状况，必要时进行调整。
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