CN102746876B - 一种静电聚结原油脱水器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静电聚结原油脱水器，以解决现有的原油脱水器所存在的脱水后原油的含水量较高等问题。本发明，罐体(1)的内部分为两个腔室。第一腔室设有绝缘支架(5)、第一电极(70)、第一变压器(31)。第一电极中的电极件为垂直悬挂的圆柱形电极(7)。圆柱形电极由金属电极和设于金属电极外表面上的绝缘层组成，在水平面上按正方形网格点阵式排列；横排和竖排的圆柱形电极，每间隔一横排或一竖排全部接地，其余未接地的圆柱形电极通电。第二腔室设有第二电极(9)、第二变压器(32)。第一变压器和第二变压器均为脉冲变压器，设于罐体的外部。本发明主要用于海上和陆地油田开采出来的含水量很高或乳化比较严重的原油的脱水。

Description

一种静电聚结原油脱水器

技术领域

本发明涉及一种静电聚结原油脱水器，用以脱除原油中所含的水。

背景技术

使用静电聚结原油脱水器脱除原油中所含的水，是石油行业常用的手段。油水乳化液通常沿垂直或水平方向在原油脱水器的罐体内流动；流经电极所形成的电场时，水滴就会受到偶极聚结力、电泳力和震荡聚结力的作用。小水滴会相互吸引，聚结成较大的水滴，依靠油水密度差和重力沉降至罐底，达到油水分离的目的。原油脱水器常用的供电方式有直流、交流、直流脉冲等。在处理高含水量的原油时，为了防止水链放电或者短路，就需要对电极进行保护。

专利WO 03/049834A1公开了一种静电聚结原油脱水器。它在卧式圆筒形罐体内设置了一块堰板，将罐体内部分成了两个腔室。第一腔室内垂直悬挂有一组电极板，电极板的顶部固定于绝缘支架上，绝缘支架固定于第一腔室的上部。绝缘支架内设有变压器，变压器的高压绕组与电极板电连接。这种原油脱水器存在的问题是：(1)电极板相互平行地排列，而且电极板的表面涂覆有绝缘材料层。原油中的水滴在这种情况下所形成的均匀电场中，带电水滴数量大大减少，因此电泳聚结作用大大减弱，减弱了水滴的聚结效应。另外，由于只在第一腔室内设置电极，当高含水量的原油流经该电极所形成的电场后，虽然大部分聚结的水滴被脱除，但是经过堰板顶部进入没有设置电极的第二腔室后，粒径较小的水滴相距较远，在没有电场作用的情况下无法聚结并依靠自身重力实现完全分离，不能被脱除。所以，这种原油脱水器脱水后原油的含水量较高，一般为20w％～30w％(w％表示重量百分数)。(2)使用工作频率高于50Hz的变压器(输出交流电)，将变压器设置于绝缘支架内。根据现场经验，变压器的供电系统很容易出问题；将变压器设于绝缘支架内，当变压器发生故障时难以维修。

发明内容

本发明的目的是提供一种静电聚结原油脱水器，以解决现有的静电聚结原油脱水器所存在的脱水后原油的含水量较高、变压器发生故障时难以维修的问题。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：一种静电聚结原油脱水器，设有卧式圆筒形罐体，罐体内设有堰板，罐体的内部分为第一腔室和第二腔室，第一腔室设有进油管、第一排水管、绝缘支架、第一电极、第一变压器，第一电极由带有绝缘层的垂直悬挂电极件组成，电极件的顶部固定于绝缘支架上，第二腔室设有出油管，其特征在于：第一电极中的电极件为圆柱形电极，圆柱形电极由金属电极和设于金属电极外表面上的绝缘层组成，在水平面上按正方形网格点阵式排列，横排和竖排的圆柱形电极，每间隔一横排或一竖排全部接地，其余未接地的圆柱形电极通电，堰板与第二腔室之间设有挡板，堰板与挡板之间形成通道，通道的下部设有通道出口，第二腔室设有第二电极、第二变压器、第二分配器、第二排水管，第二分配器的入口与通道出口相连，所述第一变压器和第二变压器均为脉冲变压器，设于罐体的外部。

采用本发明，具有如下的有益效果：(1)第一腔室内第一电极中的电极件采用圆柱形电极和所述的排列以及通电-接地方式，使每个通电圆柱形电极与周围的多个接地圆柱形电极之间形成多个不均匀电场(详见本说明书具体实施方式部分的说明以及说明书附图)。根据介电泳聚结理论，原油中的水滴在不均匀电场中会受到介电泳力的作用，倾向于向强电场方向运动(无论水滴带电还是不带电)。因此，介电泳聚结力在很大程度上补偿了减弱了的电泳聚结作用，增强了水滴的聚结效应。另外，本发明在第二腔室设置了第二电极、第二变压器等部件。在第一腔室处理后经通道、第二分配器进入第二腔室的原油，仍含有粒径较小、相距较远的水滴，可以在第二电极所形成的电场中聚结、脱除一部分。所以，本发明原油脱水器脱水后原油的含水量较低，一般低于10w％。(2)本发明使用的第一变压器和第二变压器均设于罐体外部，发生故障时很容易维修。第一变压器和第二变压器均为脉冲变压器，可以根据原油含水量自动调节输出电压，防止跳闸。专利WO 03/049834A1所述的原油脱水器使用的工作频率高于50Hz的变压器则没有这样的功能。(3)进入第一腔室的原油含水量较高；圆柱形电极带有绝缘层，可以使自身得到保护，防止水链放电或者短路。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。附图和具体实施方式并不限制本发明要求保护的范围。

附图说明

图1是本发明静电聚结原油脱水器沿罐体轴向的剖视图。

图2是图1中的C-C剖视图(放大)。

图3是图1中的A-A剖视图(放大)。

图4是图1中的B-B局部剖视图(放大)。

图5是图3中的I部放大图。

图6是本发明所使用的圆柱形电极的横截面图(放大)。

图1至图6中，相同附图标记表示相同的技术特征。

具体实施方式

参见图1，本发明的静电聚结原油脱水器(简称为原油脱水器)，设有卧式圆筒形罐体1，罐体1内设有堰板6。罐体1的内部分为第一腔室和第二腔室。第一腔室设有进油管2、第一排水管41、绝缘支架5、第一电极70、第一变压器31。第一电极70由带有绝缘层的垂直悬挂电极件组成，电极件的顶部固定于绝缘支架5上；第二腔室设有出油管11。以上特征，与现有的原油脱水器基本相同。其中，进油管2连接于罐体1的顶部，进油管2的底部设有第一分配器21。进油管2还可连接于图1所示罐体1左面的封头上，图略。第一分配器21可以使用原油脱水器常用的各种分配器，例如平行管式分配器、多孔挡板式分配器。图1所示的第一分配器21为平行管式分配器，其上设有多个分配孔，设于第一腔室罐底水层151之上。第一排水管41设于罐体1的底部，出油管11设于罐体1的顶部。堰板6为弓形板，其直边位于顶部，圆弧边缘连接于罐体1的内壁上。绝缘支架5固定于罐体1上部的内壁上，罐体1的底部设有支座13。

参见图1，第一电极70中的电极件为圆柱形电极7。圆柱形电极7由金属电极71和设于金属电极71外表面上的绝缘层72组成(参见图3、图4、图5和图6，金属电极71的底部也设绝缘层)，在水平面上按正方形网格点阵式排列(参见图4)。横排和竖排的圆柱形电极7，每间隔一横排或一竖排全部接地，其余未接地的圆柱形电极7通电(参见图4)。图4中，涂黑的圆柱形电极表示通电，打上剖面线的圆柱形电极表示接地。图1中，涂黑的圆柱形电极表示通电，未涂黑的圆柱形电极表示接地。横排圆柱形电极，是指沿罐体1的轴向排列的圆柱形电极；竖排圆柱形电极，是指沿垂直于罐体1轴向的方向排列的圆柱形电极。

参见图1，堰板6与第二腔室之间设有挡板8。堰板6与挡板8之间形成通道10，通道10的下部设有通道出口。第二腔室设有第二电极9、第二变压器32、第二分配器22、第二排水管42；第二分配器22的入口与通道出口相连。如图1所示，通道10一般位于罐体1轴向的中部，与第一腔室相通，并通过第二分配器22与第二腔室相通。通道10的宽度m(即堰板6与挡板8之间的距离)一般为20～60厘米。第二排水管42设于罐体1的底部。

第一变压器31和第二变压器32均为脉冲变压器，设于罐体1的外部。图1、图2、图3所示，第一变压器31和第二变压器32设于罐体1的顶部。

参见图3，绝缘支架5内设有导电线75、接地线76以及与圆柱形电极7数量相同的导电件74。导电件74为圆柱形，上部为实心结构，下部带有内孔；其外直径大致与圆柱形电极7的外直径(包括绝缘层72)相等。各导电件74的下方均设有电极安装孔；圆柱形电极7顶部的绝缘层72通过螺纹73连接于电极安装孔内，由此将圆柱形电极7固定。圆柱形电极7中金属电极71的顶部裸露(外表面无绝缘层)，插入导电件74下部的内孔中，如图3、图5所示。对于通电的圆柱形电极7，相应的导电件74与导电线75相连，导电线75与第一变压器31的高压引入线310相连，参见图3。对于接地的圆柱形电极7，相应的导电件74与接地线76相连，接地线76以及罐体1接地，参见图3。图3中接地圆柱形电极7的固定和接地局部放大图没有给出；可参考图5，将图5中的导电线75换成接地线76，即是接地圆柱形电极7的固定和接地局部放大图。图3中未示出进油管2、第一分配器21等部件。

圆柱形电极7中的金属电极71一般为横截面呈圆形的钢管(如图6所示)或钢棒(如图3、图4、图5所示)，外直径d一般为10～50毫米(参见图6)。设于金属电极71外表面上的绝缘层72的材料，要求介电常数在2～6之间，耐热温度为20～150℃，并耐原油脱水环境的腐蚀；一般为聚四氟乙烯、环氧树脂、石英或陶瓷。绝缘层72的厚度t一般为1～5毫米(参见图6)。相邻两根圆柱形电极7的间距s(圆心距)一般为50～200毫米(参见图4)。绝缘支架5的高度h(参见图3)一般为罐体1内直径的1/5～1/4。

第二腔室所设的第二电极9可以采用现有原油脱水器所常用的各种电极，例如水平式电极、垂直悬挂式电极、多层鼠笼式电极。由于进入第二腔室的原油已在第一腔室经过脱水，其含水量不高，所以第二电极中电极件的外表面不必设置绝缘层。本发明的优选方案是采用CN200999235Y所述两层结构的鼠笼式电极。参见图1和图2，该电极由内层电极91和外层电极92组成，每层电极由位于上部的圆弧面电极和位于底部的平面电极组成，圆弧面电极和平面电极均由外表面不设置绝缘层的、横截面呈圆形的钢管或钢棒组成。第二电极9用绝缘支撑及绝缘吊挂固定在罐体1的内表面上(图2中未示出)。详细的说明，参见CN200999235Y。如图2、图1所示，内层电极91和罐体1接地(罐体1接地未示出)，外层电极92与第二变压器32的高压引入线320相连。

第二腔室所设的第二分配器22可以采用现有原油脱水器所常用的各种分配器(例如平行管式分配器)，设于第二腔室罐底水层152之上。挡板8可以采用圆形板，圆周边缘连接于罐体的内壁上。在挡板的下部设置开孔，作为通道10下部的通道出口，第二分配器的入口与通道出口相连；有关的附图省略。参见图1和图2，本发明的优选方案是，挡板8为弓形板，其直边位于底部，圆弧边缘连接于罐体1的内壁上。第二分配器22设有上层平板221和下层平板222；上层平板221上设有多个分配孔，下层平板222为实心板。上层平板221上所设的分配孔一般为圆形孔，直径一般为20～30毫米；分配孔的数量，根据分配孔的直径、通过分配孔的含水原油流速和原油脱水器的处理量确定。通过分配孔的含水原油流速，一般为0.3～1米/秒。参见图2，上层平板221和下层平板222之间的距离n一般为10～20厘米。第二分配器22上层平板221的两条侧边和下层平板222的两条侧边分别连接于罐体1的内壁上。上层平板221一端的边缘与挡板8的直边相连，下层平板222一端的边缘连接于堰板6上；两条连接线与两条连接线两端之间罐体1的内壁所形成的区域，既作为通道10下部的通道出口，又作为第二分配器22的入口。上层平板221和下层平板222另一端的边缘与位于这两个边缘两端之间的罐体1的内壁之间设有封闭板223。

参见图1和图2，对于气体含量比较高的含水原油，可以在通道10的上方设置除雾器12，以除去原油脱水过程中形成的雾沫。除雾器12可以采用工业上常用的各种除雾器(例如纤维丝网除雾器、挡板除雾器或静电除雾器)，用紧固件固定于罐体1顶部的内壁上。

本发明所用的第一变压器31和第二变压器32是现有的，输出直流脉冲电压(可以是矩形、半波形等)。主要技术指标一般是：脉冲频率为50～2000Hz，占空比为20％～80％，输出电压(峰值电压)为0.5～6万伏特。

本发明原油脱水器，绝缘支架5的材料一般为聚四氟乙烯或环氧树脂。绝缘支架5一般采用铸造方法制造，制造时直接将导电件74、导电线75、接地线76固定在其内部。导电线75、接地线76、导电件74的材料一般是导电性金属材料，例如铜。圆柱形电极7中的金属电极71的材料一般是碳钢。根据圆柱形电极7中绝缘层72使用的材料，可以将绝缘层72制成绝缘套状、将金属电极71插入绝缘套内而制成圆柱形电极7，或是直接将绝缘层72使用的绝缘材料喷涂在金属电极71的外表面上、使该绝缘材料形成绝缘层72而制成圆柱形电极7。罐体1、堰板6、挡板8、第一分配器21、第二分配器22的材料一般为碳钢。其余未说明部件的材料以及有关部件之间的连接方式，按本技术领域的常识确定。

第一腔室所设第一电极70中横排与竖排圆柱形电极7的数量，主要根据罐体1的内直径、第一腔室长度、相邻两根圆柱形电极7的间距s、原油脱水器的处理量、进入第一腔室的原油性质(包括含水量)、对第一腔室内原油脱水后的含水量要求等因素来确定。全部圆柱形电极7安装完成后所形成的第一电极70，整体上呈长方体形，长方体的长边沿罐体1的轴向。第一电极70整体上一般位于罐体1的中上部，或者说圆柱形电极7底端至绝缘支架5下表面之间长度的中点一般位于罐体1轴心线的上方。第二腔室所设第二电极9的尺寸，主要根据罐体1的内直径、第二腔室长度、原油脱水器的处理量、进入第二腔室的原油性质(包括含水量)、对第二腔室内原油脱水后的含水量要求等因素来确定。第二电极9整体上一般位于罐体1的中上部，或者说其自身高度的中点一般位于罐体1轴心线的上方。

第一变压器31经第一变压器高压引入线310、导电线75、导电件74向设于第一腔室内的第一电极70中的通电圆柱形电极7通电后，每个通电圆柱形电极7与周围的多个接地圆柱形电极7之间形成多个不均匀电场，参见图4；对于一个通电圆柱形电极7，这些不均匀电场包括：4个Ea电场，4个Eb电场，8个Ec电场。由于每个通电圆柱形电极7与周围的多个接地圆柱形电极7远近的不同，所形成的Ea、Eb、Ec三种电场的电场强度不相同；Ea电场的电场强度＞Eb电场的电场强度＞Ec电场的电场强度。其中，Ea电场的电场强度一般为500～2000伏特/厘米，Eb电场的电场强度为Ea电场电场强度的0.7倍，Ec电场的电场强度为Ea电场电场强度的0.45倍。Ea、Eb、Ec三种电场的电场强度，均是指相应单独一对通电-接地圆柱形电极7之间所形成电场的电场强度，并且都在相应单独一对通电-接地圆柱形电极7之间距离的中点处测量。Ea、Eb、Ec三种电场均为脉冲电场，其电场强度均按第一变压器31输出的直流脉冲电压的峰值电压计算。确定第一变压器31的输出电压、圆柱形电极7的结构与结构参数和相邻两根圆柱形电极7的间距s时，要使Ea、Eb、Ec三种电场的电场强度处于本发明提出的范围内。

每个通电圆柱形电极7与周围的多个接地圆柱形电极7之间都会形成4个Ea电场、4个Eb电场、8个Ec电场；图4只示出了一个通电圆柱形电极7的情况。进入第一腔室的含水原油流经Ea、Eb、Ec三种电场时，原油中的水滴在不均匀电场中会受到介电泳力的作用，倾向于向强电场(Ea电场)方向运动(无论水滴带电还是不带电)。因此，介电泳聚结力增强了水滴的聚结效应。当进入第一腔室的原油含水量较高或要求第一腔室内的原油脱水后含水量较低时，Ea、Eb、Ec三种电场的电场强度取较大的数值。

参见图2，第二变压器32经第二变压器高压引入线320向设于第二腔室内鼠笼式电极中的外层电极92通电后，内层电极91的圆弧面电极与外层电极92的圆弧面电极之间形成圆弧形电场Ed，内层电极91的平面电极与外层电极92的平面电极之间形成平面电场Eg，外层电极92的圆弧面电极与罐体1的内壁之间形成圆弧形电场Ef。Ed、Ef、Eg电场的电场强度一般均为500～2000伏特/厘米。其中，圆弧形电场Ed、Ef的电场强度，分别在这两个圆弧形电场的最顶部测量。Ed、Ef、Eg三个电场均为脉冲电场，其电场强度均按第二变压器32输出的直流脉冲电压的峰值电压计算。确定第二变压器32的输出电压、内层电极91和外层电极92的位置以及结构参数时，要使Ed、Ef、Eg三个电场的电场强度处于本发明提出的范围内。当进入第二腔室的在第一腔室部分脱水的原油含水量较高或要求第二腔室内的原油脱水后含水量较低时，Ed、Ef、Eg三个电场的电场强度取较大的数值。

下面以图1所示的原油脱水器为例说明本发明的操作过程。温度为50～60℃的含水原油(含水量通常为40w％～80w％)进入进油管2，经第一分配器21上的分配孔均匀分配后进入第一腔室，在第一腔室内流动。流经第一电极70中通电圆柱形电极7与接地圆柱形电极7之间所形成的Ea、Eb、Ec电场时，原油中的一部分水滴聚结，向下沉降至第一腔室罐底水层151。第一腔室罐底水层151中的水，经第一排水管41排出。图1以及图3中，附图标记141表示第一腔室油水乳化层；第一腔室油水乳化层141的上方为进行脱水处理的原油。在第一腔室部分脱水后的原油(含水量一般为15w％～20w％)，经堰板6的顶部进入通道10。在上述操作过程中，所处理的原油温度一般为50～60℃，在第一腔室的停留时间一般为10～15分钟。

第一腔室部分脱水的原油经堰板6的顶部进入通道10后向下流动，由通道10下部的通道出口流入第二分配器22，经上层平板221上的分配孔均匀分配后进入第二腔室，在第二腔室内流动。流经内层电极91、外层电极92、罐体1的内壁之间所形成的圆弧形电场Ed、Ef和平面电场Eg时，原油中一部分粒径较小、相距较远的水滴可以在上述电场中聚结。聚结的水滴向下沉降至第二腔室罐底水层152。第二腔室罐底水层152中的水，经第二排水管42排出。图1以及图2中，附图标记142表示第二腔室油水乳化层；第二腔室油水乳化层142的上方为进行脱水处理的原油。在第二腔室脱水后的原油，最后由出油管11排出。在上述操作过程中，所处理的原油温度一般为50～60℃，在第二腔室的停留时间一般为10～15分钟。由出油管11排出的脱水后原油的含水量一般低于10w％。

图1和图2中，未注明附图标记的箭头分别表示上述含水原油、部分脱水原油、脱水后原油和水的流动方向。

本发明的静电聚结原油脱水器，主要用于海上和陆地油田开采出来的含水量很高或乳化比较严重的原油的脱水。

Claims (7)

1.一种静电聚结原油脱水器，设有卧式圆筒形罐体(1)，罐体(1)内设有堰板(6)，罐体(1)的内部分为第一腔室和第二腔室，第一腔室设有进油管(2)、第一排水管(41)、绝缘支架(5)、第一电极(70)、第一变压器(31)，第一电极(70)由带有绝缘层的垂直悬挂电极件组成，电极件的顶部固定于绝缘支架(5)上，第二腔室设有出油管(11)，其特征在于：第一电极(70)中的电极件为圆柱形电极(7)，圆柱形电极(7)由金属电极(71)和设于金属电极(71)外表面上的绝缘层(72)组成，在水平面上按正方形网格点阵式排列，圆柱形电极(7)中的金属电极(71)为横截面呈圆形的钢管或钢棒，外直径d为10～50毫米，绝缘层(72)的厚度t为1～5毫米，相邻两根圆柱形电极(7)的间距s为50～200毫米，横排和竖排的圆柱形电极(7)，每间隔一横排或一竖排全部接地，其余未接地的圆柱形电极(7)通电，堰板(6)与第二腔室之间设有挡板(8)，堰板(6)与挡板(8)之间形成通道(10)，通道(10)的下部设有通道出口，第二腔室设有第二电极(9)、第二变压器(32)、第二分配器(22)、第二排水管(42)，第二分配器(22)的入口与通道出口相连，所述第一变压器(31)和第二变压器(32)均为脉冲变压器，设于罐体(1)的外部。

2.根据权利要求1所述的静电聚结原油脱水器，其特征在于：绝缘支架(5)内设有导电线(75)、接地线(76)以及与圆柱形电极(7)数量相同的导电件(74)，导电件(74)为圆柱形，下部带有内孔，各导电件(74)的下方均设有电极安装孔，圆柱形电极(7)顶部的绝缘层(72)通过螺纹(73)连接于电极安装孔内，圆柱形电极(7)中金属电极(71)的顶部裸露，插入导电件(74)下部的内孔中，对于通电的圆柱形电极(7)，相应的导电件(74)与导电线(75)相连，导电线(75)与第一变压器(31)的高压引入线(310)相连，对于接地的圆柱形电极(7)，相应的导电件与接地线(76)相连，接地线(76)接地。

3.根据权利要求1或2所述的静电聚结原油脱水器，其特征在于：设于金属电极(71)外表面上的绝缘层(72)的材料为聚四氟乙烯、环氧树脂、石英或陶瓷。

4.根据权利要求1或2所述的静电聚结原油脱水器，其特征在于：第二腔室所设的第二电极(9)为鼠笼式电极，由内层电极(91)和外层电极(92)组成，每层电极由位于上部的圆弧面电极和位于底部的平面电极组成，圆弧面电极和平面电极均由外表面不设置绝缘层的、横截面呈圆形的钢管或钢棒组成，内层电极(91)和罐体(1)接地，外层电极(92)与第二变压器(32)的高压引入线(320)相连。

5.根据权利要求4所述的静电聚结原油脱水器，其特征在于：挡板(8)为弓形板，其直边位于底部，圆弧边缘连接于罐体(1)的内壁上，第二腔室所设的第二分配器(22)设有上层平板(221)和下层平板(222)，上层平板(221)上设有分配孔，上层平板(221)的两条侧边和下层平板(222)的两条侧边分别连接于罐体(1)的内壁上，上层平板(221)一端的边缘与挡板(8)的直边相连，下层平板(222)一端的边缘连接于堰板(6)上，上层平板(221)和下层平板(222)另一端的边缘与位于这两个边缘两端之间的罐体(1)的内壁之间设有封闭板(223)。

6.根据权利要求1或2所述的静电聚结原油脱水器，其特征在于：通道(10)的上方设有除雾器(12)。

7.根据权利要求1或2所述的静电聚结原油脱水器，其特征在于：第一变压器(31)和第二变压器(32)输出直流脉冲电压，脉冲频率为50～2000Hz，占空比为20％～80％，输出电压为0.5～6万伏特。

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