Авторы: Ю.В. Пушнин, З.Т. Тениешвили (ООО «ЭК ЭИП»); Г.С. Яицких (АО «ИПН»)
Опубликовано на портале «Химическая техника», декабрь 2022
Электрообезвоживание и обессоливание нефти осуществляется как на нефтепромыслах, так и на нефтеперерабатывающих заводах, различие лишь в требованиях к качеству обессоленной нефти на выходе блока ЭЛОУ. В настоящее время эксплуатируются сотни электродегидраторов самых различных конструкций. Эффективность и экономичность их работы зависит от конструктивных решений, реализованных в каждом конкретном аппарате, а также от применяемого навесного оборудования.
Сырую нефть необходимо очищать от солей и других примесей. Соли, как правило, содержатся в составе сырой нефти в остаточной (пластовой) воде и вымываются из нее добавлением промывочной воды. Так как пластовая вода содержится в нефти в виде маленьких капель широкого диапазона размеров, их удаление только гравитационным методом малоэффективно и не экономично. Гравитационная сепарация воды и нефти может быть ускорена с помощью электрической коалесценции, которая реализуется в аппаратах с электрическим полем – электродегидраторах. Гравитационное отделение воды из нефти с помощью электрического поля называется электрической коалесценцией.
На рис. 1 представлена принципиальная схема работы электрообессоливающей установки (ЭЛОУ). Перед подачей сырой нефти непосредственно в электродегидратор ее предварительно готовят, что позволяет интенсифицировать процессы электрической коалесценции в электродегидраторе. На старте процесса в сырую нефть вводится деэмульгатор, затем подготовленная таким образом сырая нефть поступает в смесительный комплекс (СМ), где происходит массообмен сырой нефти с промывочной водой, в процессе которого соленые капли пластовой воды многократно контактируют с каплями промывочной воды. В результате после смесителя концентрация соли в каплях воды должна усредниться. От этого процесса в значительной степени зависит содержание солей в обезвоженной нефти на выходе электродегидратора.
Подготовленная таким образом водонефтяная эмульсия вводится в электродегидратор, в электрическом поле которого происходит электрическая коалесценция капель воды. При движении капли воды в нефти укрупняются и осаждаются в нижней части аппарата под действием сил тяжести. Обессоленная и обезвоженная нефть через штуцер с верха аппарата выводится из электродегидратора и направляется на переработку, вода с растворенными в ней солями выводится с низа аппарата через штуцер и регулирующий клапан, автоматически поддерживающий уровень воды в электродегидраторе. Таким образом, одновременно с обезвоживанием идет и обессоливание нефти.
Эффективность работы электродегидратора (ЭДГ), а также удобство его эксплуатации зависит от конструкции внутренних устройств аппарата – коллектора ввода водонефтяной эмульсии (ВНЭ), коллектора вывода обезвоженной нефти, коллектора вывода соленой воды, конструкции электродной системы. Кроме того, эффективность работы ЭДГ в значительной степени зависит от применяемой системы электропитания электродегидратора.
Современной и высокоэффективной системой электропитания оснащаются электродегидраторы, например, конструкции ООО «ЭК ЭИП».
Такая система электропитания в расчете на один электродегидратор (ЭГ-160) включает:
- 2 высоковольтных источника питания ИПМ-35/15(25/15) (ТУ 3683-009-00220302–96);
- 2 блока управления источником питания БУ-02ш, ТУ 4218-001-24641880–2008;
- 2 проходных фторопластовых изолятора ИПФ-25 (ТУ 3689-033-00220302–00);
- 2 высоковольтных присоединительных кабеля.
Формирование значения и длительности действующего напряжении в зависимости от свойств нефти, контроль и индикацию высокого напряжения и тока ИПМ осуществляет блок управления БУ-02 на базе микропроцессора с установленным в нем программным обеспечением, разработанным ООО «ЭК ЭИП» с учетом всех возможных доработок, проведенных на протяжении 25 лет работы системы электропитания электродегидраторов при работе на различных типах нефти. БУ-02 также обеспечивает защиту источника питания ИПМ от нештатных режимов работы.
Обратная связь между блоком управления БУ-02 и источником питания ИПМ позволяет в зависимости от характеристик (электропроводимости) обрабатываемой среды, производительности и т.п. поддерживать в автоматическом режиме заданные значения подаваемого на электроды электродной системы напряжения, а также обеспечивать контроль рабочих параметров процесса, гибкость управления. Предусмотрена возможность интегрирования БУ-02 в систему АСУТП предприятия.
Необходимо отметить, что все перечисленные современные функции, реализованные во взрывозащищенной системе на базе ИПМ, полностью отсутствуют в морально устаревших системах электропитания, например, в трансформаторах со 100%-ным реактивным сопротивлением, в которых во время пусконаладочных работ вручную устанавливают уровень выходного напряжения из возможных пяти значений.
Из опыта эксплуатации электродегидраторов с установленной, взрывозащищенной системой электропитания на базе источника питания ИПМ потребляемая мощность электродегидратора ЭГ-160(200) составляет от 14 до 20 кВт, при этом удельное потребление электроэнергии электродегидратором составляет 0,02…0,05 кВт/ч на 1 т нефти при обеспечении всех качественных показателей обессоленной нефти. Это подтверждается результатами промышленной эксплуатации на НПЗ и НГДУ России и СНГ.
Для сравнения: при работе электродегидратора с трансформатором со 100%-ным реактивным сопротивлением потребление электроэнергии на 1 т обрабатываемой нефти в 3–5 раз выше.
Узел ввода высокого напряжения является очень важной частью электродегидратора. Требования, предъявляемые к узлу ввода:
- он должен передавать высокое напряжение от источника питания (трансформатора) через корпус аппарата под давлением на электроды в условиях высокой разности температур внутри и снаружи аппарата, высокого давления и высокого напряжения;
- простота обслуживания и минимальные затраты;
- минимальное время и простота замены узла ввода высокого напряжения в случае необходимости.
Особенно важен последний пункт требований, так как любые сбои в работе приводят к остановке работы электродегидратора и технологического комплекса в целом, поэтому необходимо минимизировать время простоя в случае нештатной ситуации.
В настоящее время в электродегидраторах российского производства применяются два типа взрывозащищенных вводов высокого напряжения в электродегидратор:
- тип 1 – маслозаполненный;
- тип 2 – «сухой» – проходной фторопластовый изолятор ИПФ-25 совместно с высоковольтным присоединительным кабелем, разработанный и изготавливаемый ООО «ЭК ЭИП».
Следует отметить, что вышеперечисленным требованиям соответствует только ввод высокого напряжения второго типа. На рис. 2 показан источник питания ИПМ, подключенный к «сухому» вводу высокого напряжения ИПФ-25 посредством высоковольтного присоединительного кабеля.
Коллектор ввода и распределения водонефтяной эмульсии (ВНЭ) должен отвечать следующим требованиям:
- минимизировать потоки водонефтяной эмульсии через неактивные зоны электродегидратора;
- обеспечить равномерную раздачу ВНЭ в горизонтальном сечении электродегидратора;
- снизить унос нефти с солёной отстоявшейся водой.
Коллектор сбора и вывода обезвоженной нефти должен обеспечивать равномерный сбор обезвоженной нефти в горизонтальном сечении электродегидратра. Несоблюдение данных требований ведет к перекосу потоков внутри электродегидратора.
Для решения этих задач в ООО «ЭК ЭИП» разработана математическая модель, алгоритм которой реализован в соответствующей программе расчета коллекторов. Расчеты по данной программе позволяют проектировать конструкцию коллекторов в зависимости от физико-химических характеристик нефти, обеспечивая равномерное распределение (раздачу) водонефтяной эмульсии и сбора обезвоженной нефти в горизонтальном сечении электродегидратора, что позволяет наиболее эффективно использовать весь объем электродегидратора.
Конструкция коллекторов сбора и вывода отстоявшейся солёной воды из аппарата помимо равномерности сбора также должна обеспечивать минимальный унос нефти со стоками соленой воды из электродегидратора.
При наличии большого количества механических примесей в ВНЭ в нижней части электродегидратора устанавливают коллекторы с форсунками для размывания донного осадка.
При наличии в электродегидраторе устойчивого промежуточного слоя в этой зоне устанавливают коллекторы для вывода промежуточного слоя.
Электродные системы электродекгидратора
Существующие конструкции электродных систем можно разбить на два типа: горизонтальные и вертикальные. Конструкцию горизонтальных электродов можно также подразделить на два основных вида:
а) двухэлектродную (рис. 3): на каждый электрод подается высокое напряжение в противофазе. Межэлектродное расстояние устанавливается примерно равным 300 мм из условия создания максимальной напряженности электрического поля равной 1,2…1,5 кВ/см;
б) трехэлектродную. Эту систему применяют для увеличения объема электрического поля. В данной системе средний электрод – заземленный, а на нижний и верхний электроды подают напряжение; при этом расстояние между нижним и средним электродом равно ~200 мм, а между верхним и средним ~150 мм. Таким образом, добиваются напряженности поля равной 1,2…1,5кВ/см. Дальнейшее увеличения объема электрического поля при применении горизонтальных электродных систем невозможно.
В последнее время в конструкции электродегидраторов стали применяться вертикальные электродные системы (рис. 4), которые изготавливаются из нержавеющих трубок (для обеспечения долговечности), при этом масса электродов уменьшается, что позволяет надежно эксплуатировать современные фторопластовые подвесные изоляторы.
Главное преимущество конструкции вертикальной электродной системы в том, что она позволяет максимально увеличить объем электрического поля в электродегидраторе с обеспечением максимальной напряженности электрического поля, равной 1,55…1,8 кВ/см, что необходимо для эффективной электрической коалесценции капель при максимальном действующем значении питающего напряжения 15 кВ. Таким образом, достигается увеличение объема электрического поля вертикальной электродной системы при сохранении необходимого значения напряжённости электрического поля.
При применении вертикальной электродной системы действуют сразу несколько механизмов коалесценции капель в электродегидратре – традиционный в объеме электрического поля и дополнительный в приэлектродной области с осаждением субмикронных капель на электроды с последующим выводом их из потока.
Эффективность применения описанных конструкций внутренних устройств электродегидраторов конструкции ООО «ЭК ЭИП» и взрывозащищенной системы электропитания на базе источника питания ИПМ подтверждается многолетней промышленной эксплуатацией как на нефтеперерабатывающих заводах, так и на нефтегазодобывающих предприятиях (АО «НК РОСНЕФТЬ», ПАО «Газпромнефть», ПАО «ЛУКОЙЛ», Афипский нефтеперабатывающий завод, ООО «КНГК-Ильский НПЗ», АО «ННК-Хабаровский НПЗ», филиал ООО «РУСИНВЕСТ»-ТНПЗ» и др.).
При выборе оборудования для строительства новых и реконструкции старых установок ЭЛОУ необходимо учитывать не только стоимость его приобретения, но и его технико-экономические преимущества (или недостатки) в процессе эксплуатации. Без учёта последнего фактора ошибочный выбор оборудования может нанести существенный экономический ущерб НПЗ или нефтегазодобывающему предприятию. Единственный правильный вариант оценки претендентов на поставку оборудования предусматривает сравнение суммы затрат на приобретение оборудования плюс эксплуатационные затраты (за период 10…20 лет эксплуатации) по каждому претенденту.
Определение победителя конкурса на поставку оборудования ЭЛОУ только по стоимости «железа» сегодня наносит в конечном итоге экономический ущерб производству в сотни миллионов рублей.
