倾斜管式行列电极阵型水下在线电脱水装置的制作方法

本发明涉及一种海洋工程领域预分离后原油水下直接电脱水用的装置，特别是涉及一种水下生产系统倾斜管式行列电极阵型的在线电脱水装置。

背景技术：

目前，国内外海上平台以及陆上采油厂和化工厂的典型油气处理配套设施为“油井产液→立管→海上平台管汇→三相分离器→二级加热器→热化学分离器→增压泵→电脱水器”，其中原油电脱水处理技术主要采用常规罐式的电脱水器，利用电场对原油破乳，并对油中的水颗粒实施分离沉降，整个原油电脱水处理设备体积庞大且分离时间较长；此外，原油电脱水处理之前的流程较为复杂，集输和分离处理中的电能和热能等额外损耗严重，极大增加了海上平台电站设施的电负荷以及热站设施的热能供应。

为了满足海上深水油田以及边际油田开发的需要，基于对适当湍流能够促进分散相水颗粒碰撞、聚结等问题的全面认识，近些年欧美一些石油大国的研究人员突破常规原油脱水器结构设计的惯性思维模式，提出了将水颗粒聚结长大与重力沉降两个过程分开的脱水方案，即紧凑型原油脱水技术，对应的代表性产品包括美国FMC Technologies公司的内联电聚结器(InLine ElectroCoalescer)、挪威Kvaerner Process Systems公司的紧凑型电聚结器(Compact Electrostatic Coalescer)等，该技术的缺陷是紧凑型脱水罐体通常采用卧式，电场中聚结变大的水颗粒可能会因剪切作用而再次破裂，从而影响了后面的重力沉降等分离过程和分离效果。然而，国内极少数科研院所近几年才开始关注高效紧凑型油水分离技术，其中对海上平台紧凑型电脱水技术的研究尚处于试验研究阶段；同时，针对水下生产系统专用的电脱水分离设备的研究，国内外均还处于起步和实验室研究的阶段。

由此，通过积极研制紧凑高效的水下在线电脱水装置，将现有的海上平台油气处理系统简化为海底管道在线电脱水分离系统，同时将常规电脱水器的大罐体变为管式结构，以便有效解决常规处理系统及其相关设施占地面积和重量大的弊端；而且，整个水下电脱水装置采用倾斜式布置，有效克服了卧式分离器油水界面和水出口距离短，分离时间不充分等缺点；同时，整个水下电脱水装置还采用行列式电极阵型，使得原油脱水处理的运行耗能显著下降，最终实现水下油水高效分离，达到提升深水油田尤其是深水边际油田开发效益的目的。

技术实现要素：

为了克服现有海上平台原油电脱水处理设施存在的缺陷和不足，并改善水下在线电脱水分离技术尚处于起步和试验阶段的研究现状，本发明的目的是提供一种适合水下生产系统预分离后原油直接脱水用的倾斜管式行列电极阵型在线电脱水装置。该水下在线电脱水装置将原油立式和卧式在线分离与平行高压电场快速脱水技术有机结合，实现海底管道在线安装和运行，并依据其倾斜管式构造和行列式电极阵型，具备油水高效分离、原油水下快速脱水、原油含水率低、生产水含油率低等特点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是开发一种倾斜管式行列电极阵型水下在线电脱水装置，主要由行列式裸电极、脱水分离管、稳流器、进液管、排水管和排油管组成，预分离后的原油经稳流器与破乳剂充分混合而形成原油乳化液并调整为均匀流，而后由进液管进入脱水分离管，实施行列式平行高压电场原油快速脱水处理，水下直接脱除预分离后原油中的剩余水相，电脱水处理后的合格原油经排油管而汇集于输油管道，而含油率低的生产水则经排水管而汇集于输水管汇。

脱水分离管主体部件的材质采用不锈钢且内衬金属陶瓷，同时通体涂覆玻璃胶，而稳流器、进液管、排水管和排油管的材质均选用超级双向不锈钢，同时通体涂覆玻璃胶。脱水分离管及其内的行列式裸电极均倾斜布置，脱水分离管的轴线与水平面之间的夹角为30°～40°，稳流器沿垂直方向朝上布置，同时排水管和排油管的轴线相互间保持平行，而且脱水分离管、稳流器、进液管、排水管以及排油管的轴线均处于同一平面上。

稳流器用来搅拌预分离后的原油和破乳剂并保证二者充分混合，同时将混合后形成的原油乳化液调整为均匀流以起到稳流作用，它包括稳流杆、稳流叶轮、稳流管体和进破乳剂管。稳流管体采用立式柱形长管体，稳流管体的管腔中部设有水平放置的进破乳剂管，且稳流管体的管腔内容纳有稳流叶轮和稳流杆，同时稳流管体通过法兰盘而上连进液管同时下接上一级预分离器的出液管，从而将水下在线电脱水器和上一级预分离器联接在一起。

稳流杆由上锥体、柱体和下锥体组合而成，其轴线与稳流器的轴线重合，稳流杆的下锥体将预分离后的原油顺利引流至稳流叶轮上，而稳流杆的上锥体则用来避免原油乳化液离开稳流叶轮后局部产生涡流，稳流杆的上锥体锥高大于其下锥体的锥高，且稳流杆上锥体和下锥体的大端圆面直径均等于稳流杆柱体的外径；同时稳流管体的上端面、稳流叶轮的上端面以及稳流杆上锥体的大端圆面相互间保持平齐，而且稳流叶轮的下端面与稳流杆下锥体的大端圆面相平齐。

稳流叶轮由8～12片沿稳流杆柱体外环面均匀排列的稳流叶片组成，稳流叶片叶顶面的上部通过过盈配合而外衬于稳流管体的管腔内，同时其叶顶面的中部及其下部与稳流管体的管腔之间采用间隙配合，且稳流叶片的叶根面通过圆周焊而内接于稳流杆上。稳流叶片采用组合曲面，且稳流叶片的中上部和中下部采用两个旋向相反且对称布置的上下螺旋叶片，进而不断改变预分离后的原油和破乳剂的流向和流速，以保证两种液体充分混合。稳流叶片中上部的上螺旋叶片及其中下部下螺旋叶片轮廓线的起始点和终点处的切线均与稳流杆的轴线保持平行，且进破乳剂管的出口管段与上螺旋叶片和下螺旋叶片结合处所在的叶面保持相切，以保证破乳剂可以平稳地流入稳流器中；同时稳流叶片的上部和下部均采用直板式叶片，由此稳流器入口处流入的预分离后原油以及稳流器出口处流出的混合后原油乳化液均可以调整为稳定的均匀流。

进液管通过焊接而上连脱水分离管并通过法兰而下接稳流器，进液管中混合后的原油乳化液调整流向后重新整合并变成平稳流，进液管包括进液弯管、进液轮轴和进液轮。进液弯管采用弯管体，其入口管段的轴线与稳流器的轴线重合，而其出口管段的轴线则与脱水分离管的轴线之间垂直相交布置，以保证原油乳化液整合为平稳流后可以平稳地流入脱水分离管的管腔中，同时进液弯管的出口管段内容纳有进液轮轴和进液轮。

进液轮轴和进液轮用来将原油乳化液整合为平稳流，同时为保持原油乳化液的流通性，进液轮轴采用薄壁圆管，且进液轮轴与进液弯管的出口管段同轴布置。进液轮通过焊接内接于进液轮轴上并通过过盈配合而外衬于进液弯管的管壁，进液轮由6～8片沿进液轮轴外环柱面均匀排列的进液叶片组成，进液叶片采用直板式叶片，进液叶片沿进液轮轴轴向的横截面呈类等腰梯形，并且里宽外窄，以保证进液叶片的刚度和强度，同时保持进液叶片上连续而稳定的油膜。而且，进液叶片沿进液轮轴轴向的两侧端均采用剖面为等腰三角形的尖端结构，且进液轮轴靠近进液弯管入口管段的侧端采用锥管，以便最大程度地减小原油乳化液切入和流出进液轮和进液轮轴时的摩阻损失。此外，进液轮靠近进液弯管入口管段的侧端面与进液轮轴锥管的大端圆面相平齐，且进液轮中的各进液叶片和进液轮轴的另一侧端面保持平齐。

行列式裸电极采用行列式电极阵型，并且行列式电极阵型内形成平行高压电场，平行高压电场内预分离后原油乳化液中的水颗粒迅速聚结并长大，由此实施行列式平行高压电场原油快速脱水处理，行列式裸电极包括接线盒、电极端子、电极板、高压电极、接地电极和支撑板。

高压电极和接地电极均采用裸电极，其材质选用铜质圆管，且高压电极的管径大于接地电极的管径。同时，高压电极沿脱水分离管截面的横向等间距行式排列，并沿脱水分离管截面的纵向对称分层列式布置，所有高压电极整体上呈现出行列整齐的电极阵型。此外，接地电极也采用横向等间距排列和纵向对称分层布置的行列式电极阵型，且高压电极和接地电极所构成电极阵型中的行间和列间的各电极均交错布置。

高压电极的下端采用半球形盲端结构，并通过螺纹紧固件而固定于支撑板上，且高压电极上端的外表面均匀涂覆聚四氟乙烯的绝缘材料，高压电极的上端贯穿电极板后接于相应的电极端子上。同时，接地电极的下端也采用半球形盲端结构，并通过过盈配合而固定于支撑板上，而接地电极的上端则通过密封性管螺纹直接定位于电极板上。

电极板作为高压电极和接地电极行列式电极阵型的母板，同时实现行列式裸电极与脱水分离管间的密封，它采用铜质法兰盘构造，并与脱水分离管一起通过接地端子接地，电极板上钻有与高压电极相同位置和规格大小的圆形孔眼，并车制有与接地电极相同位置和规格大小的密封性管螺纹孔。

支撑板由一组条形的支撑板单体组成，支撑板中与高压电极相联接的支撑板单体上钻有等间距排列的大圆孔，而与接地电极相联接的支撑板单体上则钻有等间距排列的小圆孔，且与高压电极相联接的支撑板单体和与接地电极相联接的支撑板单体相互之间采用隔一布一的方式进行布置。每行高压电极和接地电极的下部分别贯穿各自支撑板单体上的大圆孔和小圆孔，避免脱水处理过程中由于温升变化而引起电极的端部相互间发生接触。同时支撑板单体之间保持有间隙，且每个支撑板单体的两端均钻有矩形孔眼，以便于最大限度地保障原油乳化液脱水过程中各相态的流动性。

高压电极上端连接的各电极端子的另一侧端汇于一根水下高压电缆，而后经接线盒引出并与海上平台的变压器相联接。接线盒采用柱形管式结构，并通过电极板和双头螺柱将行列式裸电极接于脱水分离管上。

脱水分离管内实施水下在线电脱水分离处理，脱除预分离后原油中的剩余水相。脱水分离管的左侧端设置电极板而与行列式裸电极相连，且其右侧端通过法兰盘与排水管相连，从而将脱水分离管封隔成独立的密闭腔室。脱水分离管采用分体式等径厚壁管体，它包括左主管、中主管和右主管，且各分体式管体相互间通过法兰盘连接在一起，脱水分离管的管腔内径大于稳流器和进液管的管径，且其管腔由左至右依次为左主管所在的电脱水区、中主管所在的重力分离区和右主管所在的生产水区。

电脱水区的平行高压电场内预分离后原油乳化液的水颗粒迅速聚结长大并下降至重力分离区，而原油乳化液中的油相则反向上升至电脱水区的上部，重力沉降区内水颗粒继续增大并在重力作用下沉降至中主管的管壁，再以缓慢的流速顺沿着右主管的管壁向下聚集于生产水区。左主管的中上部和电脱水区顶部的内腔壁上设置圆孔并通过焊接与排油管进行连接，中主管的中上部和重力沉降区底部的内腔壁上设置圆孔并通过焊接与进液管进行连接。

排油管采用弯管体，其入口管段的轴线与脱水分离管的轴线之间垂直相交布置，同时排油管的出口管段水平放置，以保证电脱水处理后的合格原油可以从脱水分离管内的电脱水区顶部平稳地进入排油管中，并经由排油管的出口管段汇集于输油管道中。

排水管位于脱水分离管中生产水区的底部，用来及时排出电脱水处理后含油率低的生产水，排水管由排水弯管、防涡轮轴、防涡轮和防涡垫板组成，排水弯管由锥状封头、弯头和排水直管组合而成，锥状封头的外锥面锥度大于其内锥面的锥度，且锥状封头内的生产水在流动过程中流道截面逐渐缩小而使其流压和流速不断提升；弯头和锥状封头通过内外圆周焊的方式相连，且弯头的入口管段和锥状封头与脱水分离管同轴布置，而弯头的出口管段和排水直管则水平布置，同时弯头的出口管段内容纳有防涡轮和防涡轮轴。防涡垫板采用盘状法兰盘，用来实现排水弯管中弯头和排水直管间的密封，同时防涡垫板的中央部位钻有与排水弯管中弯头和排水直管内径相等的孔眼，防涡垫板的孔眼通过过盈配合而实现防涡轮和防涡轮轴在排水弯管管腔内的定位。

防涡轮和防涡轮轴用来防止生产水排出的过程中由于虹吸作用而产生漩涡。防涡轮轴由左锥体、轴体和右锥体组合而成，防涡轮轴的左锥体锥度大于其右锥体的锥度，且防涡轮轴右锥体的大端圆面和防涡轮的右侧端面与防涡垫板的端面相平齐。防涡轮的材质选用60Si2Mn，调质处理布氏硬度大于230，防涡轮通过焊接内接于防涡轮轴上并通过间隙配合而外衬于排水弯管的管壁，防涡轮的各防涡片沿防涡轮轴轴体的外环面均匀排列。防涡片的轮廓线为螺旋线和直线组合而成的曲线，防涡片轮廓线的左侧为沿防涡轮轴外环面展开的螺旋线，该螺旋线的螺距沿轴向逐渐增大，而防涡片轮廓线的右侧则为与防涡轮轴的轴线相平行的直线，且该直线与防涡片螺旋线的结合处保持相切。

倾斜管式行列电极阵型水下在线电脱水处理流程为，预分离后的原油与进破乳剂管提供的破乳剂在稳流管体内通过稳流杆和稳流叶轮搅拌均混后形成原油乳化液并调整为均匀流，而后原油乳化液在进液弯管内通过进液轮轴和进液轮重新整合成平稳流并进入脱水分离管；电脱水区的平行高压电场内预分离后原油乳化液的水颗粒迅速聚结长大并下降至重力分离区，而原油乳化液中的油相则反向上升至电脱水区的上部，重力沉降区内水颗粒继续增大并在重力作用下沉降至中主管的管壁，再以缓慢的流速顺沿着右主管的管壁向下聚集于生产水区；电脱水处理后的合格原油经电脱水区的顶部进入排油管并汇集于输油管道，而含油率低的生产水则经生产水区的底部进入排水管并汇集于输水管汇中。

本发明所能达到的技术效果是，该水下在线电脱水装置将原油立式和卧式在线分离与平行高压电场快速脱水技术有机结合，实现海底管道在线安装和运行，并依据其倾斜管式构造和行列式电极阵型，具备油水高效分离、原油水下快速脱水、原油含水率低、生产水含油率低等特点；稳流器通过稳流杆和稳流叶轮搅拌预分离后的原油和破乳剂并将形成的原油乳化液调整为均匀流，而后原油乳化液通过进液管的进液轮轴和进液轮重新整合成平稳流再流入脱水分离管；行列式裸电极采用行列式电极阵型，并且行列式电极阵型内形成平行高压电场，由此实施行列式平行高压电场原油快速脱水处理；脱水分离管的管腔由左至右依次为电脱水区、重力分离区和生产水区并实施水下在线电脱水分离处理，脱除预分离后原油中的剩余水相；排油管采用弯管体将电脱水处理后的合格原油排出并汇集于输油管道中，排水管及时排出电脱水处理后含油率低的生产水，并依据其防涡轮和防涡轮轴防止生产水排出的过程中由于虹吸作用而产生漩涡。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但本发明并不局限于以下实施例。

图1是根据本发明所提出的倾斜管式行列电极阵型水下在线电脱水装置的典型结构简图。

图2是倾斜管式行列电极阵型水下在线电脱水装置中稳流器的结构简图。

图3是倾斜管式行列电极阵型水下在线电脱水装置中进液管的结构简图。

图4是倾斜管式行列电极阵型水下在线电脱水装置中行列式裸电极的结构简图。

图5是图4的仰视图。

图6是倾斜管式行列电极阵型水下在线电脱水装置中脱水分离管和排油管的结构简图。

图7是倾斜管式行列电极阵型水下在线电脱水装置中排水管的结构简图。

图8是倾斜管式行列电极阵型水下在线电脱水装置的行列式平行高压电场水下脱水流程简图。

图中 1－行列式裸电极，2－排油管，3－脱水分离管，4－排水管，5－稳流器，6－进液管，7－稳流杆，8－稳流叶轮，9－稳流管体，10－进破乳剂管，11－进液轮轴，12－进液轮，13－进液弯管，14－接线盒，15－电极端子，16－电极板，17－高压电极，18－接地电极，19－支撑板，20－左主管，21－中主管，22－右主管，23－生产水区，24－重力分离区，25－电脱水区，26－排水弯管，27－防涡垫板，28－防涡轮，29－防涡轮轴。

具体实施方式

在图1中，倾斜管式行列电极阵型水下在线电脱水装置由行列式裸电极1、排油管2、脱水分离管3、排水管4、稳流器5和进液管6组成。该水下在线电脱水装置通过稳流器5的稳流管体与上一级预分离器联接在一起，进液管6通过焊接而上连脱水分离管3并通过法兰而下接稳流器5，且排油管2与输油管道之间通过法兰进行联接，同时排水管4通过排水弯管和法兰与输水管汇联接在一起，由此该水下在线电脱水装置与海底管道有机结合，并可实现海底管道在线安装和运行。

在图1中，倾斜管式行列电极阵型水下在线电脱水装置的脱水分离管3及其内的行列式裸电极1均倾斜布置，稳流器5沿垂直方向朝上布置，同时排油管2和排水管4的轴线相互间保持平行，而且排油管2、脱水分离管3、排水管4、稳流器5和进液管6的轴线均处于同一平面上。

在图1中，倾斜管式行列电极阵型水下在线电脱水装置的规格大小以及水下在线电脱水装置所在撬块间并联的数量均需要依据预分离后原油的流量大小和原油中的含水率情况等物性参数进行综合考虑。

在图1中，倾斜管式行列电极阵型水下在线电脱水装置调试时，需要首先对整个水下在线电脱水装置进行耐压试验和气密性试验，试验压力需达到设计压力的1.25倍；然后再依次检查电脱水装置中各管线系统接头是否有泄露。整个水下在线电脱水装置维护时，需要依次严格检查脱水分离管3的左主管、中主管和右主管，排水管4的排水弯管以及稳流器5的稳流管体内是否有异物堆积，排水管4的防涡轮、稳流器5的稳流叶轮和进液管6的进液轮表面是否有锈蚀，最小壁厚接近1mm时，需要进行更换；同时，依次检查行列式裸电极1的高压电极、接地电极和支撑板上的污垢，厚度大于3mm时，需要进行清洗。

在图2中，稳流器5中稳流管体9的规格依据预分离后原油的最大流量进行选取，同时稳流管体9的规格需与上一级预分离器出液管的规格保持一致，稳流叶轮8的规格大小与稳流管体9的管径相对应。

在图2中，通过稳流杆7上所设置的稳流叶轮8，预分离后的原油先是在稳流管体9的入口处调整为均匀流，而后破乳剂通过进破乳剂管10进入稳流管体9的管腔中，并与预分离后原油的均匀流汇合且进行充分搅拌而形成原油乳化液，最后在稳流管体9的出口处，混合后的原油乳化液通过稳流叶轮8再次调整为稳定的均匀流。

在图3中，进液管6中进液弯管13的规格与稳流器5中稳流管体9的规格保持一致，同时进液轮12的规格大小与进液弯管13出口管段的管径相对应。进液弯管13中混合后原油乳化液的流向由沿稳流管体9入口处的轴向朝上调整为与脱水分离管3的轴向垂直相交，同时在进液弯管13出口管段的管腔中，通过进液轮轴11上的进液轮12原油乳化液重新整合并变成平稳流，而后平稳地流入脱水分离管3中。

在图4和图5中，行列式裸电极1中高压电极17和接地电极18的规格和电极数量依据预分离后原油的最大流量、预分离后原油中的含水率以及电脱水处理后合格原油中的含水量等因素进行设计，同时电脱水处理后合格原油中的含水量通过高压电极17和接地电极18的行列式电极阵型中的行布置间距和列布置间距、各电极的长度及其倾斜度进行调整，接线盒14和电极板16的规格与脱水分离管3的规格保持一致。

在图4和图5中，行列式裸电极1通过接线盒14和电极板16与脱水分离管3连为一体，高压电极17和接地电极18均采用行列式电极阵型并且内置于脱水分离管3的管腔，同时各电极的下部均通过支撑板19进行支撑并加以分隔。每个高压电极17均接于电极端子15上并在接线盒14内汇于一根水下高压电缆，再由海上平台的变压器进行供电，而接地电极18则通过电极板16与脱水分离管3联接在一起，并通过接地端子接地，由此在行列式电极阵型中产生平行高压电场并实施行列式平行高压电场原油快速脱水处理。

在图6中，脱水分离管3的左主管20、中主管21和右主管22的规格依据预分离后原油的最大流量以及预分离后原油中的含水率等因素进行设计，脱水分离管3与水平面间的倾斜度θ依据电脱水处理后合格原油中的含水量以及生产水中的含油率进行调整，排油管2的规格依据合格原油的最大流量进行选取，同时排油管2的规格需与输油管道的规格保持一致。

在图6中，脱水分离管3的左主管20、中主管21和右主管22的管径相等，且其管腔依次对应电脱水区25、重力分离区24和生产水区23，电脱水区25的轴向长度与高压电极17和接地电极18的长度保持一致，同时电脱水处理后生产水中的含油率通过调整重力分离区24和生产水区23的轴向长度和倾斜度θ来实现，预分离后的原油经进液弯管13进入中主管21管腔内的重力分离区24，合格原油经左主管20管腔内的电脱水区25顶部并由排油管2进入输油管道。

在图7中，排水管4中排水弯管26锥状封头入口处的管径与脱水分离管3的管径保持一致，而排水弯管26中弯头和排水直管的管径则依据电脱水处理后生产水的最大流量进行选取，同时排水弯管26中弯头和排水直管的规格需与输水管汇入口管道的规格相对应，防涡轮28的规格和防涡垫板27孔眼的孔径均与排水弯管26中弯头和排水直管的管径保持一致。电脱水处理后含油率低的生产水经由生产水区23底部的排水弯管26排出，排水弯管26管腔中的生产水通过防涡轮28和防涡轮轴29进行整流并避免生产水在排出过程中产生漩涡。

在图8中，该水下在线电脱水装置的行列式平行高压电场水下脱水流程为，预分离后的原油先经稳流杆7和稳流叶轮8进行整流，再与由进破乳剂管10进入稳流管体9内的破乳剂充分搅拌混合并形成原油乳化液，接着原油乳化液再次调整为均匀流并进入进液弯管13的管腔中，而后通过进液轮轴11和进液轮12原油乳化液重新整合而变成平稳流并平稳地流入中主管21中，电脱水区25的平行高压电场中原油乳化液的水颗粒迅速聚结长大并下降至中主管39的重力分离区24，而油相则反向上升至电脱水区25的上部，水颗粒在重力分离区24内继续增大并在重力作用下沉降至中主管21的管壁，再以缓慢的流速顺沿着右主管22的管壁向下聚集于生产水区23，电脱水处理后的合格原油经排油管2并由输油管道外输，而含油率低的生产水则经防涡轮28和防涡轮轴29整流后，由排水弯管26排出并汇集于输水管汇内。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。