引 言

海上原油开采都要经历含水开发期，在这一时期，水不仅是海上原油的伴生者，还可能在开采出的“原油”中占50%甚至更高的比例^[1-2]。在原油的存储、运送以及炼制过程中，高含水原油不仅会增加设备的负载，还会增加在升温过程中燃料的浪费，甚至因为“原油”中的海水含盐较高，引起设备、管道的结垢或腐蚀^[3-5]。因此，开展对海上开采出的高含水原油进行脱水处理对于油田降本增效具有重要的意义^[6-7]。

目前，对于高含水原油通常采用电脱水或者化学脱水的方法，大多处理含水率在30%以下的原油，针对含水率在50%以上的高含水原油电脱水研究难度较大^[8-10]。且当今原油开采过程中通常会用到各类化学添加剂，原油的导电性与黏度也因此大幅增加，在电脱水过程中也容易出现大电流、垮电场等现象，脱水难度也将增加^[11-13]。本文在研究高频高压电场对油水作用机理后提出了一种基于非均匀电场的新型高频电脱动态装置，实现对高含水原油的高效率脱水。通过对该装置进行动态实验验证，进一步说明了该装置的可行性，为实现高含水原油的脱水增加了解决方案。

1 高频电脱机理分析研究

当前在电脱领域所用到的电脱水装置大多采用平挂型电极，利用平挂型电极与外部壳体间形成不均匀电场，在该电场的作用下，水滴由电中性变为带电水滴，带电水滴在电场作用下进行定向运动，实现带电水滴的聚结，当小水滴聚结成为大水滴之后，依靠重力作用下发生自然沉降，实现油水分离，从而完成电脱水过程^[14-16]。

现有的电脱装置对于原油含水率在30%以内时，电脱效果较好，能很好地电脱出原油中的含水。但是在含水率高于30%时，由于含水率太高，在强电场的作用下，原油中的水滴易形成液滴链，高频电场将发生击穿现象，破坏电场的稳定性，导致电能的泄漏，造成电能的浪费，最终脱水效果也大幅降低^[17-20]。

高含水原油中的水滴在外加高频电场作用下被极化，极化电荷分散于水滴两端表面。平行板电极结构下的电场与同轴圆柱电极结构下的电场相比，前者为均匀电场，结构内各处场强值相等，被极化的水滴两端电荷均匀分布；而后者为不均匀电场，被极化的水滴在该电场中，两端场强值不等，水滴两端电荷分布不均匀。呈现出场强高的一端，电荷分布更密集的规律。水滴在平行板电极结构电场和同轴圆柱电极结构电场下的电荷极化、分布情况如图 1所示。

由于在同轴圆柱电极结构电场中各点的场强大小不同，则被极化的水滴在该电场中的受力与平行板电极结构电场中的受力也不同。由于被极化的水滴表面呈极化电荷分布，根据电场受力特点，极化水滴高场强一端所受电场力较大，极化水滴低场强一端所受电场力较小。在两端的受力差$\Delta F$作用下，整个水滴由低场强区域向高场强区域运动。宏观而言，容器内的众多被极化的水滴受力差$\Delta F$合力为$\Sigma \Delta F $。$\Sigma \Delta F $即为极化水滴在不均匀电场中受到的介电泳力。因此，在这一理论基础上，本文采用圆柱电极结合环形负极构建不均匀发散状电场，利用不均匀电场的介电泳力实现水滴的高效聚并，从而提高高频电场脱水效率。

但是，高频电场的场强值也并非越大越好，由于水滴在电场力的作用下，也会在外部电场力作用下发生形变，当形变量超过一定上限值时，超过水滴的表面张力极限值，水滴将被拉伸、破裂为无数小水滴。这种由于外加电场过大，使水滴被分裂为小水滴现象的临界场强被称为电分散场强。电分散场强值受水滴的表面张力大小、水滴粒径大小以及极化电荷密度等因素影响。为尽量避免水滴受强电场作用被拉伸为小水滴，增加水滴的电分散场强，可考虑增加水滴的表面张力、减小水滴粒径、降低极化电荷密度。但以上所述3个因素均为水滴的固有物理性质，难以改变。根据高含水原油内水滴将发生自然沉降的特点，高频电脱装置的上部含水率较低、粒径较小，装置下部含水量较高、粒径较大。因此，在装置的下部电分散场强低，上部电分散场强高，装置的下部更加容易因为场强值太高而影响脱水效果。

结合高含水原油的水滴分布特点，可考虑构建竖直方向上的不均匀电场实现高效电脱水。圆柱电极加环形负极的结构虽然在水平层面上实现了不均匀电场，可以在一定程度上提高含水原油的脱水效率，但这一结构不能实现装置上部、下部构成不均匀电场分布，因此，难以适应高含水原油的水滴分布的特点。若高频电场场强值太高，可满足装置上部的脱水要求，但下部的水滴粒径较大，则可能发生电分散现象，使得脱水效率降低。同理，若高频电场场强值较低，则不利于装置上部实现高效脱水。

为解决上述问题，本文提出一种新型异径圆柱电极与环形负极构成不均匀电场的方式来实现高频电脱。异径圆柱电极与环形负极不仅可以满足同一水平面的电场不均匀分布，还可以满足竖直方向上的不均匀电场分布。装置的上部电极与负极间距较小，因此场强较大，能有效地促进粒径较小的水滴聚结；装置的下部电极与负极间距较大，场强较小，能尽量避免粒径较大的水滴发生电分散现象。这种电场分布形式能更好地适应高含水原油水滴分布的特点，有效提升高含水原油的电脱水效率^[21-22]。

2 新型高频电脱装置设计 2.1 设计原理

新型电脱设备的电场为从上层到下层电场强度逐渐减弱的电场构造。电场强度为

$ \begin{array}{l} E = \dfrac{U}{d} \end{array} $

(1)

式中：

$E$—电场强度，V/m；

$U$—极板间电压，V；

$d$—极板间距，m。

根据式(1)可知，影响电场强度的参数为电压$U$与极板间距$d$。因此，不均匀电场的构造考虑使得这两个参数不均匀。由于罐体与电极均为导电金属，无法实现同一结构上电压不均匀，因此，考虑改变参数，使得正负“极板”间距不均匀。以此方式实现不均匀电场的构建。

依靠不均匀电场构建的特点，将电极设计为竖直悬挂式电极，电极的形状设计为上端半径大、下端半径小的异径圆柱体。电极上端半径大，电极与极板间距$d$较小，电场强度$E$较强，满足上层含水较低的原油电脱水要求；电极下端半径小，电极与极板间距$d$较大，电场强度$E$较小，满足下层含水率较高原油的电脱水要求^[23-26]。

在电极加工前，对其进行了电场强度理论分析。异径电极电场分布如图 2模型所示，根据模型尺寸可对其进行电场理论分析。

实验时，将环形负极接地，并对异径圆柱电极施加电压值为$U$的电压，由于异径圆柱电极与环形负极间形成电场，故两柱形面间无电荷，则可用拉普拉斯方程$\nabla {u^2} = 0$计算两柱形面之间某点的场强。

$ \begin{array}{l} \dfrac{1}{{{R_0}}}\dfrac{\partial }{{\partial r}}\left( {{R_0}\dfrac{{\partial u}}{{\partial r}}} \right) + \dfrac{1}{{R_0^2}}\dfrac{{{\partial ^2}u}}{{\partial {\varphi ^2}}} + \dfrac{{{\partial ^2}u}}{{\partial {z^2}}} = 0 \end{array} $

(2)

取柱体底面截面为例分析，故$z$坐标轴方向上积分为0。同时，不同半径下不同方向上的场强不受方位角的影响，故对角度积分也为0。该场强公式可化简为

$ \begin{array}{l} \dfrac{1}{{{R_0}}}\dfrac{\partial }{{\partial r}}\left( {{R_0}\dfrac{{\partial {{u}}}}{{\partial r}}} \right) = 0 \end{array} $

(3)

式(3)进行两次积分可得

$ \begin{array}{l} u = {A_1}\ln {R_0} + {A_2} \end{array} $

(4)

式中：

$A_1$，$A_2$—积分常量。

根据边界条件：

(1) $R_0$=$R$时，取$u=U$(两极板间电压)；(2) $R_0$=$R_1$时，取$u=0$(零电势面)，可得到

$ \begin{array}{l} {A_1} = \dfrac{U}{{\ln \dfrac{R}{{{R_1}}}}} \end{array} $

(5)

$ \begin{array}{l} {A_2} = - {A_1}\ln {R_1} \end{array} $

(6)

将式(5)、式(6)代入式(4)中，可得

$ \begin{array}{l} u = \dfrac{U}{{\ln \dfrac{R}{{{R_1}}}}}\ln {R_0} - \dfrac{U}{{\ln \dfrac{R}{{{R_1}}}}}\ln {R_1} \end{array} $

(7)

电场强度大小为

$ \begin{array}{l} E = - \dfrac{{\partial {{u}}}}{{\partial r}} = \dfrac{U}{{\ln \dfrac{{{R_1}}}{R}}}\dfrac{1}{{{R_0}}} \end{array} $

(8)

由几何相似可得到

$ \begin{array}{l} \dfrac{{{R_2}}}{{{h_1} + {h}}} = \dfrac{x}{{{h_1} + {h} - z_0}} \end{array} $

(9)

$ \begin{array}{l} \dfrac{{{R_2}}}{{{h_1} + h}} = \dfrac{{{R_1}}}{{{h_1}}} \end{array} $

(10)

式中：

$z_0$—竖直轴向距离，m。

对于竖直轴向方向上$z_0$处，异径圆柱电极上截面半径为$r$处的场强大小为

$ \begin{array}{l} E = \dfrac{U}{{{R_0}\ln\dfrac{R}{{{R_2} - \dfrac{{{R_2} - {R_1}}}{h}z_0}}}} \end{array} $

(11)

由式(11)可看出，在电压值$U$与异径圆柱电极长度$h$确定时，电场值$E$受水平径向距离$R_0$和竖直轴向距离$z_0$影响。因此，在外加条件确定时，在竖直方向上，电场强度$E$随着竖直轴向距离$z_0$的增加而减小。这与设计所需的装置上部场强值高，下部场强值低的要求符合。

对于电脱罐实际电脱过程中，两极板间为密封区域，且中间介质为油水乳化液，并非空气。因此，实际电场强度大小还应考虑介质因素影响。由式(12)可计算得到介电常数

$ \begin{array}{l} \dfrac{1}{\varepsilon }{\rm{ = }}\dfrac{{\rm{1}}}{{{\varepsilon _{\text{绝}}}}}{\rm{ + }}\dfrac{{\rm{1}}}{{{\varepsilon _{\text{乳}}}}} \end{array} $

(12)

式中：

$\varepsilon$—电极相对介电常数，无因次；

$\varepsilon _{\text{绝}}$—电极外层绝缘材质相对介电常数，无因次；

$\varepsilon _{\text{乳}}$—油水乳化液相对介电常数，无因次。

实际电场大小可由式(11)与式(12)计算而得

$ \begin{array}{l} {E_{\text{实}}}{\rm{ = }}\dfrac{E}{\varepsilon }{\rm{ = }}\dfrac{U}{{{R_0}\ln\dfrac{r}{{{R_2} - \dfrac{{{R_2} - {R_1}}}{h}z_0}}}}\left( {\dfrac{{\rm{1}}}{{{\varepsilon _{\text{绝}}}}}{\rm{ + }}\dfrac{{\rm{1}}}{{{\varepsilon _{\text{乳}}}}}} \right) \end{array} $

(13)

式中：

${E_{\text{实}}}$—电脱罐实际电脱电场强度，V/m。

2.2 电场仿真

结合理论分析结果，采用有限元分析，通过建模仿真，对新型电脱器结构下的电场强度进行分析。由于影响电脱水效率的最关键因素为不均匀电场的构建，因此在仿真中，本文重点关注了电场的不均匀性。

在仿真过程中，利用有限元仿真完成建模过程，构建异径圆柱电极与环状负极。之后，对异径圆柱电极施加50 V的直流电压，同时将外圈的环状负极进行接地。再对该模型进行电场分析，结果如图 3所示。图 3按照等势面进行显示，可明显看出，电场强度在同一水平面上，呈现出中心电场强度高，外圈电场强度低的特点；在同一竖直面上呈现出异径圆柱电极上部的电场强度高于下部电场强度的特点。

为得到更加直观的观察效果，将图 3仿真结果进行剖面观察，其电场剖面图如图 4所示。图 4可更清晰地显示出：受圆柱电极影响，同一水平面上，由内层到外圈，电场强度逐渐降低；受异径电极的影响，同一竖直方向上，电场从上到下依次减小。上述两项特征与理论分析结果相同，完全符合新型高频电脱器的设计要求。

根据理论分析与仿真结果，选择了异径圆柱电极方案。本文加工出不同异径比电极进行实验，最终选择最优异径比完成方案设计。加工出的不同异径比的异径圆柱电极如图 5所示。它们的异径比分别为1.00:1.25，1.00:1.50与1.00:2.00。

2.3 新型高频电脱装置组成

如图 6所示，新型高频电脱装置分为加热、搅拌、输送、电脱4个主要部分。将搅拌装置直接放置于电磁加热装置上方，由电磁加热装置对搅拌装置进行加热，再由输送装置(计量泵)将搅拌均匀后的高含水原油液体泵入到电脱装置中进行高频电脱水。

常温状态下，稠油的黏度极高，因此，高含水原油内的水滴在稠油中运动需要克服较大的阻力才可以完成，而电场力过大又容易导致水滴电分散现象发生。因此，电脱装置的加热部分主要用于将电脱装置内的高含水原油加热到预定温度，提高电脱水效率。

搅拌与输送部分主要实现高含水原油的均匀加热以及在整个装置内的循环。由于稠油黏度大，直接加热的方式容易发生加热不均匀等现象。因此，对电脱装置内增加搅拌、输送环节可实现电脱过程中高含水原油的均匀加热。同时，也可完成高含水原油加热后从加热罐到电脱罐的转移。

电脱部分为新型高频电脱装置的核心部分。它主要由电脱罐与异径圆柱电极构成，通过在高频电场作用下的电脱处理，实现高含水原油内的油水分离。异径圆柱电极竖直悬挂于电脱罐的正中心，将电脱罐的外部罐体接地，起到环状负极的作用。

新型高频电脱装置的整体构成如图 7所示。从右到左依次为加热及搅拌部分、输送部分与电脱部分。其中，搅拌部分通过搅拌器在加热部分的罐内搅拌实现。

3 新型高频电脱装置实验验证

动态装置进行一次实验通常所需时间较长，直接对新型高频电脱装置进行动态实验的方式寻求最佳参数效率较低。因此，先利用该装置进行一系列的静态实验。通过大量的静态实验，找到最佳参数点后，再通过在静态装置的最佳参数点附近进行动态实验的方式，验证新型高频电脱装置的可行性。

本装置的测试实验分为3部分。首先，对不同异径比电极进行实验验证，选择最优异径比电极。然后，利用该电极进行静态实验选择静态实验下的最佳电压参数。最后，在静态实验下的最佳参数附近进行动态实验，验证该电压参数的可行性，并针对动态电脱实验时间进行测试，验证该动态装置的动态实验可行性。

3.1 不同异径比下的静态实验

在进行不同异径比实验时，电压为5 kV、频率为3.6 kHz、占空比为80%，同时保持高含水原油温度恒定为70 ℃。本实验分为3组完成，将含水率为50%左右的高含水原油加热到70 ℃，进行恒温处理。再将3组高含水原油分别加入到电脱罐中，在3组电脱罐内放置异径比为1.00:1.25，1.00:1.50与1.00:2.00的异径圆柱电极。三组电脱装置接通电源按设置的电压，电脱45 min后，分别完成取样100 mL进行蒸馏，测试电脱后的原油含水率，结果显示，异径比分别为1.00:1.25，1.00:1.50与1.00:2.00的电极，最终脱水后原油含水率分别为1.31%，1.06%和1.94%。

从电脱后的原油含水率可以看出，在该电源参数特征下的高含水原油电脱效果整体较好，含水率为50%左右的原油经过高频电脱装置处理后，含水率均在2.00%以内。不过随着异径比的增加，电脱效率也有较为明显的变化。最佳电极的异径比为1.00:1.50左右。因此，采用异径比为1.00:1.50的电极进行最佳电脱水实验研究，以确定最佳电脱参数。

3.2 不同频率下静态实验

在进行不同频率下的静态实验时，选择异径比为1.00:1.50的电极，设置电压为5 kV，占空比为80%，频率为2.8，3.2，3.6，4.2及4.8 kHz。不同频率电脱后原油的含水率分别为2.02%，1.91%，1.11%，1.42%及1.87%，可以看出最佳电脱频率为3.6 kHz左右。

3.3 不同占空比下静态实验

在进行不同占空比下的静态实验时，选择异径比为1.00:1.50的电极，设置电压为5 kV，频率为3.6 kHz，占空比分别为60%，70%，80%，90%及100%。不同占空比电脱后原油的含水率分别为1.89%，1.66%，1.87%，1.11%及1.93%，可以看出最佳电脱占空比为80%左右。

3.4 不同电压下静态实验

通过多种电极的大量静态实验得到最佳的电源频率为3.6 kHz，占空比为80%。因此，在本装置的静态实验过程中，电压频率、占空比两个参数均参考该值，将高含水原油电脱水环境温度设置为70 ℃。将电脱装置内倒满含水率为50%的高含水原油放置在电磁炉上，利用电磁炉对其进行加热，同时在加热过程中搅拌，使其加热均匀，加热到温度为70 ℃左右后调小电磁炉功率，使罐内液体恒温即可。对电极施加不同强度的电压，在电脱45 min后对其取样100 mL，再对取样的油品进行蒸馏，测试电脱后的原油含水率。测试结果显示，电极电压参数分别为1，3，5，6及7 kV下，电脱后的含水率分别为2.59%，1.70%，1.06%，0.73%及1.08%。

可以得到电压大小与电脱水效率的关系：随着施加电压值的增加，电脱效果越来越好，当电压参数达到6 kV时，电脱效果最佳，且满足电脱后水含量低于1.00%的要求。随着电压的持续增加，电脱后含水率先降低再增加。因此，电脱水装置的最佳电压参数为6 kV，选用这一参数进行后续动态实验。

3.5 新型高频电脱装置动态实验

在进行新型装置动态电脱实验前，先对原水平极板动态电脱装置进行实验，发现该设备在处理含水率为50%以上的原油效果不佳，处理后原油的含水率普遍还是高达5%及以上。

通过静态实验确定动态实验参数为：占空比80%、频率3.6 kHz、温度70 ℃、电压6 kV，将电源参数设置为该值。使用的电脱装置体积约为22 L，泵的最大流量为34 L/h，调节泵的流量大小，使得每隔40 min左右，电脱罐内的原油完成一次更换。因此，在动态电脱开始后45，90，135，180 min分别取样100 mL，通过蒸馏方式测试动态电脱后的原油含水率，分别为0.83%，0.96%，0.82%及0.37%。

通过实验数据可得取样时间与动态电脱后原油含水率的关系：该装置在动态电脱过程中，性能比较稳定。随着动态电脱时间的增加，动态电脱后原油含水率呈现下降的趋势，为保证高效、节能的目标，对于入口原油含水率达50%左右的原油，选择适当的电压参数，在电脱处理45 min时，即可保证动态电脱后的原油含水率在1.00%以内。经过该组动态实验可发现，新型高频电脱装置满足设计要求。动态电脱完成后的水样与油样如图 8所示。

4 结论

(1) 新型异径圆柱电极能构建出水平不均匀且上下不均匀的电场。

(2) 通过大量的静态实验，优选出场强、频率以及占空比的最佳脱水参数，为动态实验的顺利开展奠定基础。

(3) 不均匀电场作用下，能使高含水原油的动态电脱效果提高至油中含水1.00%以内。

(4) 所设计的新型高频电脱动态实验装置脱水效果良好，对于后续的中试设备研制并推广现场应用具有重要的指导意义。