Внутрикорпусной электростатический коагулятор VIEC

Инновации в инженерном искусстве
Внутрикорпусной
электростатический
коагулятор VIEC
Новая технология разделения нефти и воды
Войцех Пясецки, Марек Флорковски, Марек Фульчик, Якуб Сипович,
Ханс-Кристиан Зундт
При морской добыче нефти на выходе из скважины
многих случаях для обеспечения выхода из сепаратора
получают смесь нефти, газа и воды. Смесь
продукта с содержанием воды 5 -10% требуется
освобождается от газа при снижении давления на разных
длительное время и возникает необходимость вводить
стадиях технологического процесса, однако разделение
химические реагенты-деэмульгаторы.
нефти и воды, особенно в случае высоковязкой нефти
– значительно более сложная задача.
Компании АББ удалось значительно усовершенствовать
этот процесс, с успехом применив технологию
Мелкие капли воды распределены в нефти и образуют
электрокоагуляции на первой ступени процесса
водонефтяную эмульсию, которая может быть очень
сепарации. Результатом работы стала разработка
устойчивой из-за молекул поверхностно-активных
модульного устройства, получившего название VIEC
веществ, устилающих поверхность границы раздела
(Vessel Internal Electrostatic Coalescer, внутрикорпусный
между водной и нефтяной фазами.
электростатический коагулятор). Применение
устройства VIEC позволяет уменьшить количество
Обычно применяется многоступенчатый процесс
эмульсии в сепараторе первой ступени, а также
сепарации, при этом сепаратор первой ступени является
сократить необходимое количество вводимого
одним из самых крупных аппаратов на платформе. Во
деэмульгатора с 10 до 2 ppm (об.).
АББ Ревю
4/2004
67
Инновации в инженерном искусстве
А
ппарат VIEC, разработанный АББ – это модульное устройство, подходящее как для новых установок, так и для модернизации существующих. Его
разработка – это продолжение работ над изначальным замыслом нового аппарата (с впечатляющей
способностью разрушения эмульсии), в котором
сочетаются функции механического спрямителя
потока (перфорированной перегородки в аппарате
первой ступени сепарации) и электростатического
коагулятора [1].
Описание технологии
Применение электростатических сил для разрушения водонефтяных эмульсий и увеличения размеров
водяных капель – это давно известная и проверенная технология [2]. Классические электрокоагуляторы, однако, должны быть последним элементом в
процессе сепарации, поскольку большое содержание
воды приведет к короткому замыканию между электродами.
В течение многих лет на морских нефтяных платформах во всем мире электростатические коагуляторы используются для обеспечения максимально
допустимого содержания воды в нефти, равного
0,5%. Коагулятор заставляет мельчайшие капли воды
сливаться с образованием более крупных, а значит,
быстрее оседающих, капель. Скорость оседания
капель воды в нефти зависит не только от вязкости
среды и разности в плотности, но и от квадрата
радиуса капли. Если средний размер
капли увеличивается в два раза, время
разделения уменьшается в четыре раза.
1
С помощью электрокоагулятора как
раз и добиваются увеличения размера
капель.
Теоретические принципы
работы коагулятора
Основной особенностью электростатического коагулятора является воздействие
электростатического поля на электропроводные капли (вода) и изолирующую среду (нефть). Под влиянием электрического
поля капли воды превращаются в диполи,
сила притяжения электрических зарядов
которых при достаточно высокой напряженности поля может преодолеть силы
отталкивания, возникающие при соприкосновении, в результате чего нефтяная
пленка выдавливается из пространства
между каплями, а капли сливаются.
68
АББ Ревю
4/2004
На процесс коагуляции капель оказывают влияние,
в первую очередь, электростатические силы, реологические свойства пленки, частота столкновений
(она зависит от степени турбулентности) и концентрация. Силы пропорциональны напряженности
электростатического поля в квадрате и обратно пропорциональны расстоянию между поверхностями
в четвертой степени. Это означает, что расстояние
между каплями (а значит, концентрация воды)
определяет ход процесса электрокоагуляции. Если
расстояние между каплями превышает один диаметр
капли, то электрокоагуляция на практике неосуществима, потому что напряженность поля превышает
разумные значения. Из приведенных фактов следует,
что чем выше
концентрация
воды, тем выше
эффективность
электрокоагуля-
до 2 кВ/см, в то же время, для тяжелой нефти требуется наибольшая напряженность поля [3].
При создании электрического поля с напряженностью в этом диапазоне в водонефтяной эмульсии наличие соленой воды может привести к образованию
мостиков между электродами. Поскольку традиционно в качестве электродов использовались открытые
стальные пластины (на которые требуется подать
разность потенциалов в десятки киловольт), существует высокая вероятность короткого замыкания.
Это, фактически, и было основным препятствием
к применению электрокоагуляторов на первой ступени. Размещение диэлектрика между электродами
и жидкостью может исключить это
явление. Однако
изоляция электродов – это сложная
задача, поскольку
материал, необходимый для
этого, должен быть
способен выдержать пребывание
в агрессивной среде, характерной для сепаратора
первой ступени.
Основной особенностью
электростатического коагулятора
является воздействие
электростатического поля
на электропроводные капли (вода)
и изолирующую среду (нефть).
тора. Этим объясняется, почему
рассматриваемый
электрокоагулятор
был разработан
для применения на
первой ступени процесса.
Все соррта нефти характеризуются критической
напряженностью поля, которая варьирует от 0,2
Модуль VIEC фирмы АББ и преобразователь частоты.
Проектирование VIEC с точки зрения
механики и электротехники
Конструкция традиционных коагуляторов состоит из неизолированной
металлической сетки, горизонтально
подвешенной в большом заполненном
жидкостью сосуде, находящемся под
давлением. Сетка подвешена на изоляторах и подключена к трансформатору 50/60 Гц, расположенному сверху
емкости. С учетом опасности короткого замыкания и других неприятностей,
некоторые производители используют
изолированные или композитные
электроды для борьбы с этими проблемами.
С точки зрения электротехники, при
использовании двух изолированных
пластин создается схема, подобная
двум конденсаторам, соединенным последовательно. Один конденсатор образован слоем изоляции на пластинах,
тогда как второй представлен эмуль-
Инновации в инженерном искусстве
Чтобы преодолеть эту трудность, в аппарате VIEC
применен специальный преобразователь частоты,
сдвигающий рабочую частоту в килогерцовую
область. Сочетание высокой частоты и толстого
слоя изоляции позволяет устройству VIEC лучше
выдерживать, а фактически, обращать на пользу,
неблагоприятные условия внутри сепаратора первой
ступени.
Модуль VIEC напоминает высоковольтные устройства АББ, герметизированные эпоксидной смолой,
такие как трансформаторы тока или напряжения.
Он состоит из электродов, на которые подается
напряжение с трансформаторов, залитых в перфорированную эпоксидную перегородку внутри сепаратора. В отливке находятся тефлоновые трубки, с
помощью которых создаются отверстия для турбулизации потока жидкости. Турбулентность увеличивает
частоту столкновений водяных капель, за счет чего
возрастает эффективность аппарата. Трубки также
выполняют роль миниатюрных сепараторов и стимулируют слияние капель в жидкую пленку.
Время, в течение которого жидкость находится внутри элемента VIEC, зависит в значительной степени
от свойств нефти и геометрической конфигурации
всей установки и составляет обычно от одной до трех
секунд.
модуля не более чем до 50 Вт, за счет чего потреб-
2
первой ступени с установленным
аппаратом VIEC.
Установка аппарата VIEC на платформе
Troll C
Платформа Troll C (см. иллюстрацию на стр. 67)
была сдана в эксплуатацию оператору Norsk Hydro
в 1999 году, она предназначена для разработки
тонких нефтеносных пластов под газовым куполом
месторождения Troll. На месторождении Troll в настоящее время достигнуты самые высокие объемы
добычи среди месторождений континентального
шельфа Норвегии. Добыча на платформе Troll C
составляет 220000 баррелей нефти в сутки.
Процесс сепарации на сепараторе первой ступени
платформы Troll C, однако, обладал низкой производительностью и неудовлетворительным качеством
контроля содержания воды. В результате этого содержание воды в нефти на выходе из сепаратора превышало 10%. Проблема требовала срочного решения.
Экспериментальная установка VIEC компании АББ
на платформе Troll C [4] была сдана в эксплуатацию
в июне 2003 года. Установка (рис. 2) состоит из
36 модулей (расположенных в сепараторе первой
ступени), подключенных к блоку питания, в котором расположены 36 преобразователей частоты.
Уровень, м
Вся система разделена на две секции, каждая из
которых питается от отдельного источника питания
постоянного тока.
С момента запуска системы усредненное качество
нефти на выходе из сепаратора первой ступени
в конце 2003 года оказалось в три раза выше: содержание воды сократилось до 3-5%. Условия работы
сепаратора значительно улучшились, что явно видно
по сокращению слоя эмульсии (на рис. 3 показан
профиль плотности жидкости в сепараторе). При
выключенных модулях VIEC, как видно из профиля,
наблюдается лишь очень медленное изменение
плотности в вертикальном направлении. Это означает, что большая часть технологической среды в
сепараторе – это эмульсия, а в верхней и нижней
частях сепаратора располагаются тонкие слои нефти
и воды, соответственно.
Профиль плотности технологической среды. Очевидно повышение эффективности раз-
3
Размеры модуля VIEC таковы, что его можно поместить внутрь сепаратора через лаз для обслуживания.
Каждый эпоксидный модуль VIEC подключается
к отдельному преобразователю частоты (рис. 1),
управление которым осуществляется с пульта оператора посредством отдельного ПО для управления
VIEC. Преобразователи частоты вырабатывают
напряжение синусоидальной формы по принципу
широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Генератор
на базе цифрового сигнального процессора (DSP)
позволяет оперативно регулировать частоту и амплитуду на выходе, чтобы обеспечивать оптимальные
параметры работы. Благодаря такому подходу стало
возможным снизить энергопотребление отдельного
Платформа Troll C: сепаратор
ление энергии типовой установкой, содержащей 40
модулей, оказывается ниже 2 кВт. По сравнению с
традиционными электрокоагуляторами, в которых
применяются тяжелые силовые трансформаторы на
50/60 Гц, блок питания модуля VIEC представляет
собой достаточно миниатюрное устройство.
деления фаз.
3.46
2.35
Уровень, м
сией, расположенной между пластинами. Эмульсия
характеризуется большим значением коэффициента
диэлектрических потерь, вследствие чего создание
изолированного коагулятора, работающего от тока
частотой 50/60 Гц, оказывается затруднительным.
Причина в том, что низкий импеданс эмульсии
приводит к большому падению напряжения на слое
диэлектрика.
1.23
0.11
3.46
2.35
1.23
0.11
0
0.25
0.5
0.75
1.0
1.25
0
Плотность среды, г/см3
VIEC выключен
0.25
0.5
0.75
1.0
1.25
Плотность среды, г/см3
VIEC включен
АББ Ревю
4/2004
69
Инновации в инженерном искусстве
4
Усовершенствование технологии сепарации с помощью аппаратов VIEC.
Нефть с содержанием воды
10-15%
Деэмульгаторы
Водонефтяная эмульсия (30-50% воды)
Водонефтяная эмульсия (30-50% воды)
Сепаратор
Традиционная технология
После включения установки стали заметны четко
очерченные границы раздела. В верхней части
резервуара расположена нефтяная фаза, а вода находится в нижней части. Слой эмульсии располагается
между нефтяной и водной фазами. Толщина промежуточного слоя легко определяется, за счет чего
становится возможным точный контроль уровня
границы раздела, а значит, и времени пребывания
нефти и воды в сепараторе. Слой эмульсии при
включенном VIEC сокращается в три раза. Кроме
того, после установки VIEC оказалось возможным
сократить количество вносимого деэмульгатора
с 10 ppm (об.) до 1,5 ppm (об.), планируются эксперименты по дальнейшему сокращению количества
деэмульгатора.
Испытания показали, что повышенная степень
сепарации за счет VIEC дает возможность: понизить
содержание воды в нефти, уменьшить количество
вносимого деэмульгатора или повысить производительность аппарата при неизменном качестве. В зависимости от свойств нефти и различных аспектов
процесса сепарации может преобладать один или
несколько эффектов. Сравнение между традиционной технологией и новым процессом сепарации
на основе VIEC приведено на рис. 4.
Вода, загрязненная
нефтью
Нефть с содержанием
воды 3-5%
Коагуляция мельчайших капель
воды в VIEC
Сепаратор
Процесс после установки аппарата VIEC
Вода более высокого качества
Выводы
Успешное экспериментальное внедрение новейшей
системы VIEC от компании АББ на платформе Troll
C – это первый в мире случай применения активной
коагуляции в сепараторах первой ступени. Этот факт
привлек внимание на Конференции по технологиям
разработки морских месторождений, проходившей
в Хьюстоне (OTC 2004), где аппарат VIEC был удостоен престижной награды в области технологии.
Аппарат VIEC открывает дорогу другим технологиям,
в которых требуется многоканальная реализация
процессов с применением электричества внутри
технологических аппаратов.
Дальнейшее развитие этой новой технологии может
вскоре привести к реализации подводной сепарации с достижением за одну стадию содержания
воды ниже 2%! Это позволит исключить проблемы
образования гидратов в подводных нефтепроводах. Поскольку проблема сепарации нефти и воды
существует не только на морских месторождениях,
рассматривается возможность установки аппаратов
VIEC в системах подготовки на суше.
Войцех Пясецки
Марек Флорковски
Марек Фульчик
Якуб Сипович
ABB Corporate Research
Краков, Польша
wojciech.piasecki@pl.abb.com
Ханс-Кристиан Зундт
ABB Offshore Systems
Биллингстад, Норвегия
hans-kristian.sundt@no.abb.com
Литература
[1] Sande, G., Piasecki, W., Nilsen, P.J., ‘A coalescing device’, patent NO-316109, 2001.
[2] Harris, F.W., ‘Dehydrator for petroleum emulsions and water controlled system for same’, US patent 1 405 124, 1922.
[3] Aske, N., Kallevik, H and Sjöblom, J., ‘Water-in-crude oil emulsion stability studied by critical electric field measurements. Correlation to physico-chemical parameters and near-infrared spectroscopy’, Journal of Petroleum Science and Engineering, 2002, 36.
[4] Wolff E., Knutsen T. L., Piasecki, W., Hansson, P., and Nilsen P.J., ‘Advanced electrostatic internals in the 1st stage separator enhance oil/water
separation and reduce chemical consumption on the Troll C platform Offshore Technoloy Conference’, Houston 2004.
70
АББ Ревю
4/2004