降低原油沉降脱水热能消耗的研究

郭长会，何利民，刘会友

(1.中国石油大学(华东)，山东 青岛 266555;2.胜利石油管理局，山东 东营 257026)

0 引言

提高沉降脱水温度，可以加快原油沉降脱水速度，缩短流程;延长脱水流程，利用长时间的沉降，也可以达到原油脱水的目的。提高脱水温度，加热能耗增加;长时间沉降中热量散失，也增加加热能耗。目前，在设计和运行中还缺少对脱水温度和沉降时间的优化研究[1－9]。

本文通过室内原油沉降试验研究，对常规原油沉降脱水数据进行分析，得到了脱水效果相同的沉降时间与沉降温度间的等效关系。利用该等效关系，提出了原油沉降脱水热能消耗的计算方法，并且对加热量、散热量和总的热量消耗进行了计算，结果表明延长脱水的时间，降低脱水温度，有利于降低脱水热能消耗。

1 实验

(1)实验仪器

恒温水浴、100 mL具塞比色管、旋转粘度计。

(2)实验方法

执行SY/T 5281－2000标准，利用室内瓶试的方法进行评价。取100 mL新鲜原油倒入100 mL具塞比色管中，加入质量分数为0.1%的破乳剂，在试验温度下恒温15 min后，左右手各摇100次，恒温静置于水浴中，记录不同沉降时间的出水量，观察油水界面、脱出水色和粘壁等状况。

(3)原油性质

用胜利油田东一联进站井排原油作为试验油品。原油物性数据见表1，原油粘度与温度的关系见图1，可以看出原油为重质稠油。由于沉降脱水原油为三相分离器后综合含水80%，乳化油含水63.4%的原油，所以按照现场情况配制乳化液进行室内沉降试验研究。

表1 原油物性分析Table 1 The properties of the oil

图1 原油粘度与温度关系曲线(剪切速率:11.49 s－1)Figure 1 The relationship between viscosity and temperature of the oil

2 实验结果分析

在 40℃、55℃、70℃、85℃下，投加270 mg/L(按纯油量计)现场在用SH型破乳剂，进行沉降模拟脱水实验，试验结果如表2、图2所示。

图2 原油沉降曲线Figure2 The crude oil water cut curve

表2 东一联原油沉降脱水试验结果Table 2 The data of the thermal chemistry precipitation dewatering experiment

由于原油属于重质稠油，以含水率2%作为脱水目标。表2中带*号的为脱水达到要求部分，可以看出温度升高、时间延长有利于达到脱水目标。

将达到2%含水率的时间与温度，在以温度为横轴、沉降时间为纵轴的坐标系中连接成线如图3所示。该线为加药量为270 mg/L时，沉降温度与沉降时间的等效关系曲线。在线上各点的温度和沉降时间条件下，沉降含水都可以达到2%。在这一曲线上，温度和时间是等效的，降低温度、延长时间或者提高温度、缩短时间都可达到相同的原油脱水效果。温度、时间等效线右上方为原油沉降含水率低于等效线含水率的区域。温度、时间等效线左下方为原油沉降含水率高于等效线含水率的区域。

图3 原油脱水的温度、时间等效曲线Figure3 The equivalence curve between temperature and time

式中t——沉降时间/h;

T——沉降温度/℃;

a——系数，a=55.6;

b——系数，b= －0.49。

式(1)说明加药量为270 mg/L的条件下，达到2%脱水效果的温度、时间之间为线性比例关系。

3 热量消耗分析

式中Qo——原油处理量/kg·h－1;

ω——原油含水率/[%]。

原油携带的水量为

所以，单位原油的沉降加热能耗为[9－10]

式中T0——原油加热前温度/℃;

T——沉降分离温度/℃;

Co——原油的比热容/kJ·kg－1·℃－1，C0=2.1 kJ/(kg ·℃);

Cw——水的比热容/kJ·kg－1·℃－1，Cw=4.2 kJ/(kg·℃)。

如果沉降时间和沉降罐确定，那么处理液量

式中V——沉降罐有效容积/m3;

η——沉降罐的容积利用率，无量纲;

t——沉降时间/h。

将式(2)代入式(5)得到沉降时间和沉降罐确定情况下的处理油量

容积为V的油罐散热量为[7－8]

原油和水的总液量为

式中K——沉降罐传热系数/W·m－2·℃－1;

A——沉降罐散热面积/m2;

Th——环境温度/℃。

那么单位原油的散热量为

即

将式(1)、式(6)代入上式得

总的单位原油热量消耗是

东一联来液经三相分离器后原油含水率为80%左右，温度为40℃。沉降罐容积按照5 000 m3考虑，有效容积为 4 959.79 m3，罐的表面积为1 961.14 m2，平均传热系数为 0.93 W/(m2·℃)，假定沉降罐的容积利用率为80%。不同环境温度下，单位原油沉降脱水的热量消耗情况如图4所示。

图4 单位原油脱水所需热量曲线Figure4 The heat of unit oil in thermal chemistry precipitation dewatering

由停留时间产生的散热损失与沉降温度和环境温度的差值成正比，与沉降罐的散热系数、散热面积和沉降时间成正比，散热量可以作为停留时间的成本(为了保证效果需要加热或者提高进罐温度，以保证沉降温度)。

为提高来液温度而产生的加热量与脱水温度和来液温度的差值成正比。脱水温度升高，加热升温过程能耗增加。

根据原油脱水的温度、时间等效关系，可以对不同沉降温度和沉降时间条件下的能耗进行综合分析对比。从图4可以看出，由于温度升高，脱水速度增加，散热量降低;加热量随脱水温度升高而增加。散热与加热的总能耗随脱水温度的升高单调增加，因此在满足脱水要求的前提下，延长脱水的时间，降低脱水温度，有利于节能降耗。

从式(10)可以看出随着原油含水率的升高，原油的热量消耗增加。因此，提高原油预分水设备的效率，降低原油沉降脱水时的含水率，可以降低脱水热能消耗。

4 结论

(1)实验结果表明，原油脱水的沉降温度、沉降时间等效曲线为直线，达到2%脱水效果的温度和时间之间为线性比例关系。

(2)根据沉降温度、沉降时间的等效关系可以获得不同沉降温度下的加热和散热能耗。

(3)在满足脱水要求的前提下，延长脱水时间，降低脱水温度，有利于节能降耗。

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