水力旋流器在生產(chǎn)污水處理中的應(yīng)用

代娜　國(guó)健

（1.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司　天津　300457　2.中海油節(jié)能環(huán)保服務(wù)有限公司　天津　300457）

水力旋流器在生產(chǎn)污水處理中的應(yīng)用

代娜1國(guó)健2

（1.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司天津3004572.中海油節(jié)能環(huán)保服務(wù)有限公司天津300457）

本文結(jié)合水力旋流器內(nèi)分散相顆粒的速度運(yùn)移公式，通過分析油品性質(zhì)對(duì)旋流器處理效果的影響，得出旋流器一般應(yīng)用于輕質(zhì)原油的結(jié)論；同時(shí)結(jié)合不同油氣田的具體情況，得出水力旋流器各種控制方案，說明其適用范圍；并結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目，驗(yàn)證了上述各種因素在污水處理流程設(shè)計(jì)中影響。

水力旋流；油品密度；膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量；油品粘度

1　背景

國(guó)內(nèi)研制靜態(tài)、動(dòng)態(tài)旋流式油水分離裝置始于90年代[3]，作為一種高效緊湊的分離設(shè)備，目前靜態(tài)旋流器作為污水處理設(shè)備在國(guó)內(nèi)某些海洋油田已得到應(yīng)用。分析影響水力旋流器處理效果的各種因素，總結(jié)各種不同工藝流程下旋流器的控制方案，說明其適用場(chǎng)合，并結(jié)合具體項(xiàng)目進(jìn)行說明，為以后類似項(xiàng)目開發(fā)提供借鑒。

2　旋流器工作原理

水力旋流器依靠混合流體進(jìn)入旋流器桶體內(nèi)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的加速度進(jìn)行分離，假設(shè)流體在進(jìn)入旋流器后的流動(dòng)為理想層流，分散相顆粒直徑為d，螺旋管的螺旋半徑為R，流體流速為u，且相間不存在剪切作用，則體積為v的分散相顆粒受到的離心加速度為（受力如圖1）：

a=u2/R （1）

圖1　分散相顆粒受力分析

由于考慮到顆粒還受到重力g作用，綜合這兩方面，體積為v的分散相顆粒受到加速度的方向并不是水平向外的，而是與水平方向存在一定的夾角，其值為：

則：

3　問題分析

水力旋流器作為一種高效分離設(shè)備，其體積小，重量輕，安裝形勢(shì)靈活這一特點(diǎn)一直備受海洋平臺(tái)青睞，在處理量相同的前提下，水力旋流器的體積僅相當(dāng)于常規(guī)分離設(shè)備的1/10左右，總重量不超過其它設(shè)備的1/30～1/40[4]。本文從影響旋流器處理效果的油品性質(zhì)角度進(jìn)行了比較說明。

3.1油品性質(zhì)的影響

本文從原油密度、污水粘度、旋流器進(jìn)口油滴直徑、污水處理量等因素進(jìn)行分析，評(píng)估其對(duì)水利旋流器處理效果的影響，主要進(jìn)行了以下對(duì)比：

（1）隨著油水密度差增大，旋流器可以分離的油滴直徑變小，即旋流器處理效果變好。根據(jù)公式（4）可知，油水兩相間的密度差是旋流分離的驅(qū)動(dòng)力，密度差越大，油和水在旋流器內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)獲得的離心力之差就越大，油和水越容易分離。

（2）隨著污水粘度的增加，旋流器可以去除的油滴直徑變大，即處理效果變差。污水粘度越大，小油滴聚結(jié)為大油滴的阻力就越大，從而就更難于脫除。

（3）當(dāng)油滴直徑大于30μm時(shí)，脫除效率為100％，油滴直徑在6μm左右時(shí)，脫除效率只有56％左右，因此，保證大的油滴直徑對(duì)處理效果至關(guān)重要。

（4）隨著流量的增加，旋流器可以去除的油滴直徑變小，即處理效果變好。在小流量時(shí)，其流量不足以產(chǎn)生足夠的離心力進(jìn)行油水分離，處理效果較差，一般最小流量要求在旋流器設(shè)計(jì)流量40％以上。隨著流量的增加，處理效果變好，但流量不宜過大，否則處理效果也會(huì)變差，這是因?yàn)殡S著流量的增加，流體剪切作用變強(qiáng)，促進(jìn)了油滴的分散。

從上面各項(xiàng)對(duì)比可以看出，原油密度、污水粘度、旋流器入口油滴直徑和污水處理量等，都會(huì)旋流器的處理效果形成比較大的影響。

3.2控制方案的選擇

旋流器的處理效果與控制方案密切相關(guān)，如進(jìn)出口壓力差、溢流比、處理量的變化范圍、控制閥對(duì)油滴的剪切等，均需要根據(jù)具體的油氣田工藝流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，避免不利因素，盡力提高處理效果。

圖2和圖3的控制方案都直接利用了三相分離器的壓力，不通過增壓泵直接進(jìn)入旋流器進(jìn)行處理，因而這兩種方案適用于分離器操作壓力較高的場(chǎng)合，特別是氣田。在具體工藝流程設(shè)計(jì)時(shí)，一般在旋流器下游增加一級(jí)脫氣罐，作用為進(jìn)一步脫出旋流器水出口中油滴，同時(shí)釋放生產(chǎn)水中的溶解氣，以滿足排放要求。

圖2　流量穩(wěn)定時(shí)水力旋流器控制方案

圖3　流量變化較大時(shí)水力旋流器控制方案

圖4在旋流器入口增加了增壓泵以滿足旋流器的入口壓力要求，可以應(yīng)用于壓力較低的油田。當(dāng)分離器液位降低時(shí)，回流管線上的液位控制閥打開，保證泵的流量要求。

圖4　流量變化較大且分離器壓力較低時(shí)水力旋流器控制方案

圖5是旋流器與除砂器聯(lián)合使用時(shí)的控制方案。地層中的砂會(huì)隨著油氣開采進(jìn)入平臺(tái)生產(chǎn)處理流程，如不及時(shí)除去，會(huì)堵塞下游工藝處理設(shè)備，造成腐蝕和原油處理不達(dá)標(biāo)，因而需在上游流程除砂，避免影響下游工藝設(shè)備正常操作。旋流器可以和除砂器聯(lián)合使用，三相分離器生產(chǎn)水?dāng)y帶砂首先進(jìn)入除砂器進(jìn)行旋流除砂，分離出的油水進(jìn)入水力旋流器進(jìn)一步除油，最終處理合格的生產(chǎn)污水進(jìn)行排海。

圖5　與除砂器聯(lián)合使用時(shí)水力旋流器控制方案

圖6是旋流器有多個(gè)流體來源時(shí)控制方案。兩個(gè)分離器的生產(chǎn)污水匯總后進(jìn)入旋流器1&2進(jìn)行處理，當(dāng)生產(chǎn)水量較小時(shí)，可以只啟用一臺(tái)旋流器，當(dāng)生產(chǎn)水量較大時(shí)，兩臺(tái)旋流器同時(shí)使用，增加了處理系統(tǒng)水負(fù)荷適應(yīng)范圍，保證了處理效果。

4　具體項(xiàng)目分析

現(xiàn)結(jié)合具體項(xiàng)目，說明水力旋流器在污水處理中的應(yīng)用。

某油田通過一座鉆采平臺(tái)和一座FPSO聯(lián)合進(jìn)行開發(fā)，原油在平臺(tái)經(jīng)過一級(jí)分離器簡(jiǎn)單分離后外輸至FPSO進(jìn)行進(jìn)一步處理，生產(chǎn)污水進(jìn)入污水系統(tǒng)進(jìn)行處理，處理達(dá)50ppm排海。

項(xiàng)目油品性質(zhì)如表1。

從表1可以看出原油的密度較小，最大粘度不超過30MPa·s，是典型的輕質(zhì)低粘原油，滿足水力旋流器對(duì)流體性質(zhì)的要求。

圖6　多入口旋流器控制方案

表1　原油密度與不同溫度下的粘度

表2　不同年份生產(chǎn)污水處理量

從表2可以看出，生產(chǎn)水量最小年份與最大年份差值達(dá)3倍，屬于水量變化范圍較大的工況。

該油田操作壓力較低，進(jìn)入污水系統(tǒng)操作壓力在70kPaG左右，因而需要增壓泵加壓至800kPaG再進(jìn)入旋流器進(jìn)行處理。

根據(jù)上述信息，生產(chǎn)污水首先進(jìn)入污水工藝處理流程的脫氣罐進(jìn)行脫氣，然后由增壓泵增壓后進(jìn)入旋流器進(jìn)行處理，達(dá)標(biāo)后排入開排沉箱。

脫氣罐有以下作用：①降低旋流器入口含油，減輕旋流器處理負(fù)荷；②便于旋流器處理；③脫出污水中的溶解氣，降低其對(duì)旋流器處理效果的影響。

污水增壓泵利用低轉(zhuǎn)速、高效率的離心泵，加壓滿足旋流器壓力要求?？紤]到生產(chǎn)水量變化幅度較大，設(shè)計(jì)了4臺(tái)增壓泵和4臺(tái)水力旋流器，其對(duì)一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，即一臺(tái)增壓泵為一臺(tái)水力旋流器進(jìn)行增壓，此種設(shè)計(jì)利用多臺(tái)旋流器和旋流器本身錐管的流量處理能力很好的滿足了流量變化幅度較大的問題，保證了處理效果。

5　結(jié)論

（1）油品性質(zhì)直接影響旋流器的處理效果，特別是高密度原油，由于其油水密度差小，處理效果差；原油和污水的粘度越小，越有利于小油滴的聚結(jié)，從而提高處理效果。

（2）不同油氣田，其生產(chǎn)水量變化范圍、操作壓力大小及是否需要除砂等，在設(shè)計(jì)過程中，特別要注意控制閥、增壓泵等對(duì)油滴的剪切作用，根據(jù)旋流器進(jìn)口污水的含油量，調(diào)整PDR設(shè)定值，保證最終污水含油量。

[1]賀杰，蔣明虎.水力旋流器[M].北京：石油工業(yè)出版社，1996.

[2]Martin Thew.Hydrocyclone redesign for liquid-liquid separation[J].The chemical Engineer，1986（7，8）：1723.

[3]王尊策，陳維勤，等.動(dòng)態(tài)水力旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)選設(shè)計(jì)[J].石油學(xué)報(bào)，2001，22（4）：104～107.

[4]K Sandeep.Alternatives to conventional gravity separation methods.Offshore，2002（12）：71～72.

TE96

A

1673-0038（2015）17-0142-03

2015-4-10

代娜（1981-），女，遼寧朝陽人，中級(jí)，本科，從事海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)管理工作。

國(guó)?。?984-），男，遼寧阜新人，中級(jí)，本科，從事海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)管理工作。