场强值对高频电磁场脱水效果的仿真研究

魏爱军，蒋华义，何 鹏，张书勤

(1. 陕西省油气田特种增产技术实验室，陕西 西安 710065；2. 延长石油集团研究院，陕西 西安 710075)

当前我国大多数的油田一进入高含水期，含水率高达 90%以上。在原油的储运过程中，增加了运行成本，降低了经济效率。同时，由于地层中的水有一定的矿化度，会在管道和设备的内壁结垢，堵塞管道，而高矿化度也增加了腐蚀，损坏设备穿孔与金属管道；若输送到炼厂的原油含水，会使塔内气流线速度增加，甚至出现冲塔现象，影响一次加工产品质量等。以此，为了确保油田的开发和炼油厂安全正常运行，必须对原油进行脱水处理。目前，原油脱水传统成熟方法主要包括：重力沉降脱水、旋流分离脱水、热化学脱水、电脱水等[1-2]。国内外使用的脱水装置主要包括：交直流电脱水[3-9]、脉冲电脱水技术[10]、高速电脱水、超声波强化电脱水[11-14]。

就高频电磁场(HPEMF)脱水而言，以往着重从辐射时间、功率、含水率等宏观物理量研究其量变关系，而从微观的角度研究其变化机理尚鲜见。电场强度应该是影响HPEMF脱水中起主要作用，应重点研究次物理参量。任何测量场强引入的探针都会引起场强的畸变，可以说场强是无法直接测量的。鉴于此，寻求通过数值计算和仿真研究电气工程中电场的分布和数值预测受到研究者的关注[15-16]。本文拟通过用Comsol软件仿真进行模拟，来探究场强与脱水率之间的关系，为HPEMF脱水得到一些的理论性引导，加速这一技术的实用化。

1 模型建立

平板电容器间的电场是理想均匀场，在忽略边缘效应的情况下，可根据板间电压、电容器几何尺寸及填充介质计算出场强。由于该研究中的介质为含水原油，为非均匀介质，各相中的场强不同。在低含水率情况下，乳状液为油包水型，油为连续相，水为内相。因此本文通过数值计算，建立仿真模型，来计算板间油水乳状液中内相的场强值，来分析乳状液中场强值对脱水效果的影响。

板间乳状液中场强分布宏观模型的几何示意图以及网格剖分图如下所示。

图1 几何模型图

图2 网格剖分图

建模时，先建连续油相模型，然后，将建立好的内相水滴模型置入油相中。

水滴理性模型通常为圆球形，半径r分布在5×10-7～5×10-5m，取球形水滴半径r=5×10-5，水滴在电场中由于极化作用下形变。在研究中假设：乳状液中的水滴是不可压缩；在极化作用下，水滴呈绕长轴旋转的椭球体，如图3所示。既然假设水滴不可压缩，那么水滴仅出现体积恒定的变形。设定水滴在场方向产生δx变形量，从变形的轴对称性可知，在另外两个方向上的变形量均为-kδx，则按照式(1)

(1)

由于水滴变形量一般小于其本身大小，即δx

(2)

取δx=0.02，当r=0.05 mm时，由式(2)可得k=1/2，则水滴的变形量a=0.04 mm，b=0.04 mm，c=0.07 mm。a，b，c分别为椭球型水滴的旋转半径(a=b)和旋转轴半径。

把椭球型水滴模型置在极板中心轴线中点处；激励电压加在两级板之上：上极板与高频功率源输出端内导体相连接，下极板与高频功率源输出端外导体相连接并接地。然后，对两极板间的油水乳状液及两级极板区域进行剖分，剖分单元最大为2 mm，最小为0.000 1 mm；水滴采用定制剖分：最大为0.01 mm，最小为0.001 mm。其余网格采用四面体自由剖分，最大单元尺寸20 mm，网格剖分如图3所示。选用频域稳态求解，频率f=27.12 MHz。

图3 椭圆形水滴剖分示意图

2 模型求解

通过模型的仿真与计算，得到在含水率为参变量时，油水乳状液在不同极板电压下的场强值，结果如表1所示。在极板电压为600 V时，水滴中的场强值分布如图4和图5所示。

表1 椭圆形水滴在中点处体平均场强值

图4 600 V椭圆形水滴场强值多切面示意

图5 600 V场强值在高度(Z)方向分布

计算结果表明，水滴的场强值随极板间电压的增大而增大。

3 理论分析

水滴在外加电场作用下极化变形，更主要的是，水滴中的场强是外电场与油水界面的束缚电荷产生的极化电场的叠加。在高频电场作用下，水滴中的极性分子会随电场矢量的交变而取向，由于极性分子之间的固有随机取向以及他们之间的分子力和偶极子静电力，使得极性分子在随外电场交变取向时会“迟滞”，即产生弛豫效应。弛豫效应就会耗散能量，并一热的形式表现出来，即高频介质加热，这也是高频脱水主要机理所在。水滴耗散的高频能量可用式(3)计算

(3)

表2 不同电压(场强值)下加热τ=15 min后，乳化水滴与油相的温度分布

由表2可以看出，计算水滴的温度达到了105.6 ℃和123.7 ℃，这显然是不可能的，这是因为在计算中没有考虑水的汽化蒸发的相变，当然也没有考虑油中轻质的气化。如果考虑高频作用过程中相变，该介质体系，就会出现从油水的两相体系变为油-水-气的三相体系，计算太复杂，难以完成。从表中也可以看出，水滴中场强值随外加电场的增加而增加，但脱水效果并非越来越好，这是因为场强过大，水水滴的极化变形会“撕裂”水滴，这便是在电脱水中出现电分散，恶化脱水效果。

4 实验验证

图6 高频功率源

图6和图7所示为本研究所用的高频功率源的高频脱水实验系统。平板电容器为圆盘型，极板为H86铜材。乳状液用延长油田原油和模拟矿化水配制。实验结果与仿真数据所反映的变化趋势大致相同。在实验过程中，当出现板间电压过高时，乳状液中有强烈的蒸汽冒出现象，这与表2中水滴的温度超过100 ℃大致“契合”。

图7 平板电容器脱水实验

5 结束语

通过用Comsol对高频电磁场脱水仿真，并且结合室内实验，得出以下结论与认识：(1)乳状液中水滴的场强值随极板间电压的增大而增大；(2)高频电磁场作用下，乳状液脱水存在场强值峰值，当场强值低于该值时，脱水率随场强值的增大而提高，但当高于该值时，反而不利于乳状液脱水。这是因为这时电分散现象，水滴并聚被破坏；(3)结合仿真与实验，得出场强值对脱水效果影响是通过改变乳状液温度场而体现的。