油水分離器及其內(nèi)部構(gòu)件的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算方法的研究

李 巍，伊 鋒，孫章權(quán)，沈志恒，蘭 藍(lán)

（ 1.海洋石油工程股份有限公司特種設(shè)備公司，天津，塘沽 3004512.中海油有限公司天津分公司墾利油田群區(qū)域開發(fā)項(xiàng)目組 天津塘沽 3001152）

0 引言

海上油田的生產(chǎn)水來源于在油氣生產(chǎn)過程中所產(chǎn)出的地層伴生水。為獲得合格的油、氣產(chǎn)品，需先將伴生水與油氣進(jìn)行分離，分離后的伴生水中，含有一定量的原油及其他雜質(zhì)，這些含有一定量原油和其他雜質(zhì)的伴生水稱之為含油污水。海上油田大都采用各種油水分離器對含油污水進(jìn)行處理，將處理后的含油污水進(jìn)行排放或者作為油田回注水、人工舉升井動(dòng)力液等。而處理含油污水的目的是要求排放水或回注水達(dá)到相應(yīng)的排放或回注標(biāo)準(zhǔn)。

海上油田由于其特殊性使其與陸地油田在設(shè)備的要求與設(shè)計(jì)考慮上面有所差別。由于海上平臺(tái)面積比較小，并且在重量上要滿足結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性的要求，因此要求設(shè)備尺寸小，重量輕，效率高，同時(shí)還要兼顧經(jīng)濟(jì)性。處理含油污水的方法通常分為化學(xué)方法和物理方法兩種。主要包括:沉降法，混凝法，氣浮法，過濾法，生物處理法及旋流器法等等。目前沉降法是應(yīng)用較為廣泛且比較經(jīng)濟(jì)的油水分離方法。文中主要針對沉降分離方法分析油水分離器的設(shè)計(jì)工藝計(jì)算方法。

目前，國內(nèi)許多學(xué)者對分離器進(jìn)行了大量的研究，研究方法分為試驗(yàn)方法及數(shù)值模擬方法兩種。但無論是試驗(yàn)研究還是數(shù)值模擬的方法其主要都是針對分離器內(nèi)多相介質(zhì)的復(fù)雜流動(dòng)特性進(jìn)行的研究工作［1－3］。然而，對于整體的油氣分離器分離特性方面的設(shè)計(jì)計(jì)算方法的研究較少。而對于內(nèi)部構(gòu)件工藝設(shè)計(jì)計(jì)算的深入研究也較少。因此，本文系統(tǒng)地分析了油水分離器內(nèi)油水分離計(jì)算過程中所要考慮的若干問題，同時(shí)分析了對油水分離器的內(nèi)部構(gòu)件工藝設(shè)計(jì)的計(jì)算方法。其方法可以使設(shè)計(jì)人員很好的掌握油水分離器以及內(nèi)部構(gòu)件的工作原理，為提高設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)水平提供理論幫助。

1 油水分離器工作原理

對于海洋平臺(tái)上的油水分離器設(shè)備，由于受海洋平臺(tái)甲板之間的高度所限，海洋平臺(tái)上所使用的油水分離器大都采用臥式布置形式。因此，文中以典型的臥式油水分離器為例進(jìn)行介紹。

圖1 臥式油水分離器典型結(jié)構(gòu)示意圖

圖1表示為典型臥式油水分離器的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，油水混合物由混合相進(jìn)口進(jìn)入分離器，由于原油的密度小于水的密度，因此，在浮力作用下油滴在混合液中向上運(yùn)動(dòng)，而水由于重力的作用向下運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過足夠長的時(shí)間，油滴漂浮在油水界面上部，水沉降在油水界面下部，此時(shí)認(rèn)為油水開始分離。被分離出來的油滴在水池上方不斷積累，當(dāng)油層厚度達(dá)到一定高度時(shí)，原油流過堰板進(jìn)入油池。通常情況下，由混合相入口進(jìn)入的混合物中還含有一定量的氣體，這部分氣體經(jīng)分離器頂部的氣體出口排出。

由于單純的重力分離需要油水混合物在分離器內(nèi)停留較大時(shí)間，分離器尺寸也將相應(yīng)增加。為了減少分離時(shí)間，同時(shí)提高分離效率，通常在分離器內(nèi)部增加多種內(nèi)部構(gòu)件以加速油水的分離。通常在混合相入口增加均布裝置，使混合相的分布更加均勻，以降低來流對下部液面沖擊;同時(shí)，對油水中的氣體也起到初步分離作用。當(dāng)油水混合物流量較大，引起分離器內(nèi)液面產(chǎn)生較大波動(dòng)時(shí)，通常在油水分離內(nèi)部構(gòu)件前面增加整流內(nèi)件，以減弱或消除液面沿分離器徑向的波動(dòng)。當(dāng)分離器尺寸不能滿足油水重力分離停留時(shí)間的要求時(shí)，需要在分離器內(nèi)增加聚結(jié)板等油水分離構(gòu)件。當(dāng)油水混合物中含氣量較大時(shí)，氣體以較高流速流經(jīng)分離器上部空間，同時(shí)會(huì)夾帶部分液滴，為了分離出氣體所夾帶的液滴，通常在分離器的氣體出口處增加氣液分離裝置，如捕霧器等。

由于油中分離水滴與水中分離油滴的原理基本相似，因此可通過上述原理進(jìn)行油中分離水滴的工藝流程。由于分離器針對不同來流參數(shù)會(huì)采用多種不同的分離輔助內(nèi)件，文中僅針對含有聚結(jié)板，堰板的分離情況進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算及分析。

2 分離器工藝設(shè)計(jì)計(jì)算

海洋平臺(tái)的生產(chǎn)水有時(shí)要經(jīng)過幾級的分離才能達(dá)到排放的標(biāo)準(zhǔn)，而重力沉降分離器往往被用于分離的最后一級。由以往的研究［4－7］可知，只要保證足夠的停留時(shí)間，顆粒較大的油滴均可從水中被分離出來。

在流量一定及分離器內(nèi)徑尺寸一定的條件下，油水分離所需要的時(shí)間越長，所需分離器的長度就越大。因此，要確定分離器長度，需要計(jì)算油水分離所需要的時(shí)間。而油水的分離時(shí)間又取決于油滴的上浮速度，因此首先需計(jì)算出油滴的上浮速度。在層流條件下，可以應(yīng)用斯托克斯公式來計(jì)算，斯托克斯公式的表達(dá)式為:

式中:vt—油滴上浮速度，m/s;do—油滴直徑，m;ρw—水的密度，kg/m3;ρo—油的密度，kg/m3;μw—分離條件下水的動(dòng)力粘度，Pa·s;

在計(jì)算過程中，進(jìn)行如下假設(shè):(1)流體在分離器內(nèi)流動(dòng)處于層流狀態(tài);(2)油滴為球形，在分離過程中不破碎也不與其他油滴合并;(3)油滴與油滴、油滴與器壁及其他構(gòu)件間沒有作用力;(4)油滴在分離過程中沉降速度是穩(wěn)定不變的。

基于上述假設(shè)，可以計(jì)算出油滴上浮所需要的時(shí)間to，其解析式為:

式中:h—油水界面到分離器底部的距離，m;to—油滴上浮所需要的時(shí)間，s;

再根據(jù)入口混合液流量及液體潤濕周邊所圍成的面積計(jì)算出油滴在分離器內(nèi)的停留時(shí)間t，具體表達(dá)式為:

式中:L—油水有效分離長度，m;t—油滴上浮所需要的時(shí)間，s;Q—混合液體積流量，m3/s;A—分離器橫截面上被液體潤濕周邊所圍成的面積，m2;

當(dāng)to≤t時(shí)，認(rèn)為油滴可以從水中分離出來;當(dāng)to＞t時(shí)，認(rèn)為油滴不會(huì)被分離。為了提高油水分離速度，可以采取如下方法:(1)增大油滴粒徑，從而增大油滴上浮速度vt、進(jìn)而減小to;(2)降低油水界面高度，即降低h，從而減小to;(3)增加油水有效分離長度L，從而增大t。增加油水有效分離長度則要相應(yīng)增加分離器尺寸，降低油水界面高度會(huì)導(dǎo)致分離器內(nèi)部空間不能得到有效利用，因而后兩種方法都是不經(jīng)濟(jì)的。當(dāng)分離器內(nèi)的有效分離長度無法滿足油水重力分離所需的停留時(shí)間時(shí)，如何在不改變分離器尺寸的前提下加速油水分離，同時(shí)提高分離效率就成為了有待解決的問題。因此，在分離器的工藝設(shè)計(jì)中，通常通過增加分離內(nèi)部構(gòu)件的方法來解決這個(gè)問題。聚結(jié)板是一種被廣泛采用的加速油水分離的內(nèi)部構(gòu)件。

3 分離器內(nèi)部構(gòu)件工藝設(shè)計(jì)計(jì)算

為了滿足油水有效分離長度，分離器需要具有足夠大的容積，但海洋平臺(tái)上對設(shè)備的尺寸限制十分嚴(yán)格，而設(shè)備尺寸過大會(huì)導(dǎo)致設(shè)備重量增大，同時(shí)設(shè)備成本升高，為了解決上述問題，設(shè)計(jì)人員往往通過在油水混合液入口與堰板之間填加一些內(nèi)部構(gòu)件來實(shí)現(xiàn)油水的迅速分離，其不僅能夠達(dá)到減小設(shè)備尺寸和重量的目的，而且可以增加油水的分離效率。目前油水分離的內(nèi)部構(gòu)件形式多種多樣，例如聚結(jié)板，旋流管等，但由于旋流管通常造價(jià)較高，且對于油水混合物的物性參數(shù)要求相對比較嚴(yán)格，在設(shè)計(jì)內(nèi)部構(gòu)件時(shí)，往往優(yōu)先考慮采用聚結(jié)板。

聚結(jié)板是由一組由幾組具有一定傾斜角度的波紋板組合而成的填料裝置，其內(nèi)部為孔隙空間結(jié)構(gòu)。其工作原理為:通過波紋板間的間隙將油水混合液分隔在一個(gè)一個(gè)的小空間中，有效的改善水流的穩(wěn)定性，同時(shí)降低了油滴上浮的距離，并且通過對其表面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效增大了油滴之間碰撞聚結(jié)和油滴在波紋板上粘附聚結(jié)的概率，從而縮短油水分離時(shí)間;同時(shí)可以大量吸附水中的油滴，使油滴不斷碰撞聚結(jié)，增大油滴的直徑，從而增加油滴上浮速度，有效的提高分離效率，降低分離器的尺寸［8－9］。

目前，聚結(jié)板的生產(chǎn)已經(jīng)作為一項(xiàng)較為成熟的技術(shù)在我國廣泛應(yīng)用，市場上廣泛采用的聚結(jié)板主要參數(shù)見表1。

表1 聚結(jié)板主要參數(shù)

圖2為聚結(jié)板內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡化示意圖。根據(jù)相應(yīng)聚結(jié)板尺寸計(jì)算油滴在波紋板間隙內(nèi)上浮所需要的時(shí)間to，在計(jì)算to時(shí)，可采用如下表達(dá)式:

式中:h'—波紋板間間隙，m;vt—油滴上浮速度，m/s;α—波紋板傾斜角度，°;to—油滴上浮所需要的時(shí)間，s;

計(jì)算油水分離時(shí)間t時(shí)，可按下述公式進(jìn)行計(jì)算:

式中:n—聚結(jié)板組數(shù);W—每組聚結(jié)板的寬度，m;Q—混合液體積流量，m3/s;A—分離器橫截面上被液體潤濕周邊所圍成的面積，m2;ε—聚結(jié)板空隙率，通常為0.94～0.95左右;t—油滴在聚結(jié)板內(nèi)停留的時(shí)間，s;

圖2 聚結(jié)板局部簡化示意圖

當(dāng)to≤t時(shí)，認(rèn)為油滴可以從水中分離出來;當(dāng)to＞t時(shí)，認(rèn)為油滴不會(huì)被分離。當(dāng)現(xiàn)有聚結(jié)板不能滿足油水分離要求時(shí)，可采用如下幾種方法:(1)增加聚結(jié)板組數(shù)n，從而增大t;(2)降低聚結(jié)板內(nèi)波紋板的波高，即降低h'，從而縮短to;(3)增加聚結(jié)板內(nèi)波紋傾斜角度α，從而縮短to。由于市場上作為成品供貨的聚結(jié)板均有一系列相對固定的尺寸，后兩種方法可行性不高;如果單獨(dú)加工訂貨，經(jīng)濟(jì)性也較差。因此，在分離器內(nèi)空間充許的范圍內(nèi)，增加聚結(jié)板組數(shù)是相對比較簡便經(jīng)濟(jì)的方法。

有一點(diǎn)值得引起注意的是，上述計(jì)算方法是基于油水混合物在分離器內(nèi)的流動(dòng)是處于層流條件下的假設(shè)，因而，在計(jì)算的之前應(yīng)該對雷諾數(shù)進(jìn)行核算。如果分離器內(nèi)液體流動(dòng)為非層流流動(dòng)，應(yīng)該考慮在聚結(jié)板前加設(shè)整流內(nèi)件，或在混合液入口處增加均流裝置，使油水混合相在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)，以利于油水更加快速的分離。

4 結(jié)論

文中主要介紹了臥式油水分離器的工作原理及分離器內(nèi)油水重力分離的原理。分析結(jié)果表明，針對不同的油水混合物的流動(dòng)情況，可以通過增加不同形式的分離內(nèi)部構(gòu)件來達(dá)到縮短分離時(shí)間，提高分離效率的效果。同時(shí)，文中著重分析了油水分離器內(nèi)部構(gòu)件(聚結(jié)板)對油水分離工藝的影響以及聚結(jié)板的工作原理，并提出了一種簡便，易于工程中使用的計(jì)算方法來確定油水分離器的內(nèi)部構(gòu)件，為今后對臥式油水分離器的內(nèi)件工藝設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

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