海上平臺用開排沉箱內(nèi)油水兩相分離性能試驗(yàn)

李東芳，高 華，馬晉雄

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

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海上平臺用開排沉箱內(nèi)油水兩相分離性能試驗(yàn)

李東芳，高 華，馬晉雄

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

為研究斜板布置對開排沉箱分離性能的影響，以PY5-1B平臺開排沉箱為基礎(chǔ)建立試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，分別對沉箱內(nèi)油水兩相分離性能進(jìn)行宏觀和微觀試驗(yàn)研究，分析沉箱內(nèi)水中含油濃度分布和油滴粒度分布以及油滴在斜板間的流動情況。結(jié)果表明：在沉箱內(nèi)加設(shè)斜板能構(gòu)造靜態(tài)區(qū)，同時(shí)增加油滴的停留時(shí)間，對油滴有碰撞聚結(jié)的作用，可有效提高油水分離和分離更小的油滴；適當(dāng)增加斜板數(shù)量、增大斜板間距和第一塊板距入口管口距離可進(jìn)一步優(yōu)化開排沉箱分離效率。為開排沉箱的生產(chǎn)和設(shè)計(jì)提升參考。

開排沉箱；斜板布置；油水分離；試驗(yàn)

0 引言

開排沉箱是海上平臺上生產(chǎn)污水、生活污水及甲板雨水的排海通道，為處理含油污水的最末一級設(shè)備，因其結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉、處理量大在海上平臺中獲得了廣泛的應(yīng)用，其中斜板式開排沉箱應(yīng)用最廣，它通過構(gòu)造流動靜態(tài)區(qū)能有效去除污水中含有的油滴等雜質(zhì)，對保障清潔海洋油氣生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1]。

提高沉箱分離效率、減小其結(jié)構(gòu)尺寸一直是工程人員們研究的方向，國外已經(jīng)形成一套完整的體系，但國內(nèi)起步晚，研究及設(shè)計(jì)都不完善，一般采用理論分析和數(shù)值計(jì)算。但是，由于油水兩相流動的隨機(jī)性，數(shù)值建模對油滴受力和運(yùn)動的理論分析及簡化建模使其結(jié)果不可避免地與實(shí)際情況存在一定誤差。因此，對開排沉箱內(nèi)分散相的濃度分布、停留時(shí)間及油水分離效率進(jìn)行深入的試驗(yàn)研究具有重要意義[2-3]。

通過參考工業(yè)應(yīng)用的開排沉箱，在保證開排沉箱內(nèi)油滴停留時(shí)間相同的條件下按1∶20的比例對開排沉箱進(jìn)行縮放，得到一套試驗(yàn)裝置，在充分測定其分離效率和內(nèi)部宏觀含油濃度分布的基礎(chǔ)上，對污油粒徑及粒級濃度等微觀參數(shù)進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)構(gòu)可對開排沉箱的實(shí)際生產(chǎn)及設(shè)計(jì)工藝提供參考，還可以給CFD多相流數(shù)值模擬的相關(guān)邊界條件及準(zhǔn)確性提供驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?/p>

本文參考的PY5-1B平臺開排沉箱筒體總長58.8 m，海平面以下49 m，沉箱內(nèi)徑1.6 m，污水處理量為1 120 m3/h?？紤]到試驗(yàn)場地條件及其他因素將其按1∶20的比例縮放，確定試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目傞L為3 m，內(nèi)徑為0.08 m，按照相似原理換算試驗(yàn)入口流量為0.14 m3/h，污油在沉箱內(nèi)的停留時(shí)間為375 s。根據(jù)文獻(xiàn)[2]可知含油污水至少應(yīng)在沉箱內(nèi)停留300 s才可滿足油水分離的需要，由此可知此試驗(yàn)?zāi)Ｐ湍軌虮ＷC足夠的停留時(shí)間。

沉箱內(nèi)的斜板除按等比例進(jìn)行縮放外，考慮到加工難度及可觀察性將內(nèi)部升油管進(jìn)行外置處理，通過減少接管長度以及對彎管進(jìn)行平滑處理以降低試驗(yàn)誤差。共設(shè)計(jì)4種沉箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究第1塊板距入口管口距離、斜板數(shù)量和間距對開排沉箱分離性能的影響，如圖1所示，其中：圖1a)為光管，作為空白對照；圖1b)中第1塊板距離入口管口的距離為100 mm，6塊斜板間隔80 mm均布排列，傾斜角為45°；圖1c)中第1塊板距離入口管口縮短至80 mm，6塊斜板之間按照120 mm，110 mm，100 mm，90 mm，80 mm變間距布置，傾斜角45°；圖1d)在圖1b)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了6塊板，共12塊板間隔80 mm均布，其他不變。

圖1 四種沉箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.2 試驗(yàn)裝置及相關(guān)器材

試驗(yàn)裝置如圖2所示，整個(gè)試驗(yàn)臺主要由動力部分、管路混合部分、測控部分及沉箱主體等組成。沉箱筒體總長3 000 mm，直徑90 mm，壁厚5 mm，整個(gè)筒體按照入口段、斜板段和水底出口段進(jìn)行分節(jié)安裝。為保證沉箱出口位于2.5 m深的靜水壓下，通過連通器原理用1個(gè)充滿水的密閉真空容器將沉箱與另外1根細(xì)管的底部相連，控制細(xì)管中的液位在2.5 m處，從而在沉箱底部構(gòu)造真實(shí)的壓力出口環(huán)境。連通器及沉箱各部件為有機(jī)玻璃材質(zhì)，用以觀察試驗(yàn)過程中沉箱內(nèi)部的流場。

試驗(yàn)臺各組成部分用聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride,PVC)軟管連接，根據(jù)各部分位置及口徑使用相應(yīng)的彎頭、三通、喉箍、變徑以保證其連接緊密。為保證取樣質(zhì)量、避免影響沉箱內(nèi)部流場，取樣口使用直徑為10 mm的鋼芯球閥，圖2中2個(gè)取樣口距頂端入口的距離分別為1 490 mm和2 805 mm。

圖2 試驗(yàn)裝置圖

試驗(yàn)中使用的其他設(shè)備還包括：用于油水乳化的電動攪拌器、萃取油相的石油醚及相關(guān)玻璃器皿、測試含油濃度的UV-6000 PC紫外可見分光光度計(jì)、用于微觀分析的Winner 99顯微顆粒圖像分析儀等。

1.3 介質(zhì)物性

本次試驗(yàn)所用的分離介質(zhì)為馬林原油，密度為917.5 kg/m3，用UV-6000 PC紫外可見分光光度計(jì)測定其不同濃度下的吸光度，以擬合原油標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行后期測試。測試原理主要基于朗伯-比爾定律[4]，經(jīng)掃描得最佳測試波長為390 nm。通過制得已知濃度試樣繪制出標(biāo)準(zhǔn)工作曲線如圖3所示，并擬合出通用公式為C=486.81A-0.124 5。

圖3 馬林原油標(biāo)準(zhǔn)曲線

將油和水按比例在混合桶內(nèi)充分?jǐn)嚢韬蟮玫酱蛛x進(jìn)料，取試樣后，使用Winner 99顯微顆粒圖像分析儀拍得照片如圖4所示。經(jīng)分析可知：油滴粒徑在0～100 μm的范圍內(nèi)，油相在水中存在形式復(fù)雜，主要有浮油、分散油和乳化油，且乳化呈油包水、水包油的復(fù)雜形式。因此，該進(jìn)料可模擬實(shí)際生產(chǎn)中的含油污水。

圖4 進(jìn)料微觀照片

1.4 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時(shí)首先將沉箱內(nèi)的水位調(diào)至2.5 m處以保證出口的壓力，然后打開自吸泵將混合好的油水混合物注入沉箱內(nèi)，通過球閥控制入口和出口的流量，使沉箱內(nèi)的水位不變并且達(dá)到動態(tài)平衡。待超過標(biāo)準(zhǔn)停留時(shí)間后，使用取樣瓶對入口和各采樣口進(jìn)行取樣，過程中須做到迅速、全流、放樣穩(wěn)定且取樣適量。將樣品分為2部分：一部分加入表面活性劑后使用顯微顆粒圖像分析儀進(jìn)行粒度分析；另一部分則使用石油醚萃取出水中的油分制得試樣進(jìn)行含油濃度測試。

2 結(jié)果與分析

2.1 停留時(shí)間對分離性能的影響

開排沉箱是利用重力沉降的油水分離設(shè)備，水中油滴在沉箱內(nèi)的運(yùn)動一般屬于層流運(yùn)動或流線狀運(yùn)動，根據(jù)Stokes公式和淺池原理[5]可知：在油滴浮升速度一定的條件下，增加油滴逃逸前在水中的停留時(shí)間可提高分離效率。

沉箱內(nèi)油水分離的停留時(shí)間主要由入口流量決定，這組試驗(yàn)使用不加斜板的沉箱模型以排除停留時(shí)間外的其他影響因素，分別控制入口流量為100 L/h，120 L/h和140 L /h進(jìn)行試驗(yàn)。

圖5為不同入口流量下沉箱分離效率的對比圖。從圖中可以看出：隨著入口流量增大，污水中的油滴在沉箱內(nèi)的停留時(shí)間減少，對于浮升速度慢的油滴在有限的時(shí)間內(nèi)不足以到達(dá)頂層油水界面而從出口逃逸；隨著入口流量的增大，水流對浮升油滴的曳力作用逐漸增大，當(dāng)其與重力的和大于浮力時(shí)，油滴會逃逸，導(dǎo)致宏觀上除油效率指標(biāo)下降，研究結(jié)果與重力分離的理論模型一致。因此，降低沉箱入口流量，增加含油污水的停留時(shí)間可有效提高分離效率。

圖5 不同入口流量下沉箱分離效率對比圖

2.2 加入斜板后對分離性能的影響

試驗(yàn)中選擇入口流量為140 L/h，分別對6塊斜板均布(圖1b)和12塊斜板均布(圖1d)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)，測得其分離效率，并與不加斜板的結(jié)構(gòu)(圖1a)進(jìn)行的對比，如圖6所示。

圖6 不同斜板數(shù)量的沉箱分離效率對比圖

由圖6可知：在定流量下加入斜板后，沉箱分離效率得到了大幅提升，這是由于含油污水在斜板不斷的折流作用下，在沉箱內(nèi)的停留時(shí)間增加，且斜板構(gòu)造出很多流動緩慢的靜態(tài)區(qū)，使得進(jìn)入靜態(tài)區(qū)的油滴不必浮升至頂層的油水界面即可脫離主流被捕獲，通過升油管將各處聚集的連續(xù)油相統(tǒng)一收集；此外，油水分離效率隨斜板數(shù)量的增多而增大，這是由于隨著斜板數(shù)量增加油滴的停留時(shí)間會增加，形成了更多的靜態(tài)區(qū)，隨主流運(yùn)動的油滴被捕獲的概率大幅增加，從而提高了沉箱的分離效率。但是增加斜板數(shù)不僅增加造價(jià)，還會增加開排沉箱的重量，增加平臺的負(fù)荷，所以在實(shí)際生產(chǎn)中需要布置最佳斜板數(shù)。

圖7 不同斜板數(shù)量的沉箱內(nèi)含油濃度分布對比圖

圖7為不同斜板數(shù)量的沉箱內(nèi)部含油濃度分布的對比，可以看出：增加斜板后沉箱內(nèi)部水中含油濃度的降幅變大，可見油滴在斜板間流過時(shí)是被逐級捕捉的；但是，由于斜板的折流作用，與不加斜板相比，其內(nèi)部濃度場不再單一穩(wěn)定，某些點(diǎn)會出現(xiàn)濃度陡增的波動，這一方面是由于靜態(tài)區(qū)油滴正常聚集造成的濃度升高，另一方面是由于貼近斜板的層流流速緩慢，而遠(yuǎn)離斜板處水流速度大，在斜板之間形成旋渦，造成靜態(tài)區(qū)油滴的返混，不利于油水分離。

2.3 不同斜板布置方式對分離性能的影響

斜板布置的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有：傾斜角、板距和第1塊板距離入口關(guān)口的距離等。試驗(yàn)中將圖1b)的結(jié)構(gòu)作為基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，圖1c)與圖1b)的結(jié)構(gòu)相比縮短了距入口管口的距離，同時(shí)逐級減小了板間距，圖1d)與圖1b)結(jié)構(gòu)相比增加了斜板數(shù)量。試驗(yàn)入口流量為140 L/h，通過對比分析得到各結(jié)構(gòu)形式下分離效率的對比圖，如圖8所示。

圖8 不同斜板布置方式的沉箱分離效率對比圖

由圖8可以看出：減小斜板間距結(jié)構(gòu)(圖1c)的分離效率較另外2種結(jié)構(gòu)有所降低。分析斜板間流體運(yùn)動可知：斜板間距變小則流通截面積減小，斜板間流體的流速增大，容易與近壁面的層流形成漩渦，且其湍動更加劇烈，更容易影響本就縮小的靜態(tài)區(qū)。在實(shí)際生產(chǎn)中，增加斜板間的間距可有效減少漩渦的形成，從而提高分離效率。但是，斜板間距過大會使沉箱內(nèi)的流體不足以折流而失去斜板的作用。

2.4 沉箱內(nèi)油滴粒徑的微觀研究

開排沉箱作為平臺生產(chǎn)最末一級的處污設(shè)備，為保障環(huán)保的海洋油氣開采，對其出口指標(biāo)的要求非常嚴(yán)格，因此，有必要對沉箱內(nèi)部油滴的微觀參數(shù)進(jìn)行研究，并與宏觀結(jié)論相互印證。通過Winner 99顯微顆粒圖像分析儀對所取試樣進(jìn)行測定，得到各取樣口中油滴粒徑與粒級濃度的分布如圖9所示。

圖9 沉箱內(nèi)油滴微觀照片和粒度分布

由圖9可以看出：各取樣口所取試樣中的油滴中位粒徑分別是16.5 μm，24.8 μm，14.8 μm，呈由小到大再到小的趨勢。分析沉箱內(nèi)斜板間的流動情況可知：由于污水在入口處速度較大，與第1塊板碰撞的剪切作用導(dǎo)致油滴分散返混，大粒徑油滴數(shù)量減少、小粒徑油滴數(shù)量增多；隨后含油污水進(jìn)入斜板段，在各斜板間不斷地折流增加了小油滴的碰撞聚結(jié)概率，形成更易被重力分離的大油滴；隨著曲折流動繼續(xù)進(jìn)行，小油滴不斷聚結(jié)而大油滴不斷被靜態(tài)區(qū)捕集，所以沉箱內(nèi)從入口往下水中含油濃度逐步降低且油滴粒徑不斷減小，這與宏觀分析是一致的。

油滴粒徑的變化證明了斜板的碰撞聚結(jié)作用，開排沉箱內(nèi)加設(shè)斜板可提高分離效率，且能分離粒徑更小的油滴[6]。

3 結(jié)論

本文對4種不同結(jié)構(gòu)形式的開排沉箱進(jìn)行試驗(yàn)研究，在得到沉箱內(nèi)污水含油濃度分布和油滴粒度分布的基礎(chǔ)上，分析油滴在斜板間的運(yùn)動情況，得到以下結(jié)論：

(1) 減小入口流量、增加停留時(shí)間可以提高開排沉箱的分離效率，但同時(shí)減少了處理量；在沉箱內(nèi)加設(shè)斜板，可在入口流量不變的條件下增加內(nèi)部油滴重力分離的停留時(shí)間，提高沉箱分離效率。

(2) 斜板的布置方式直接影響沉箱的分離效率，增加斜板數(shù)量可增加停留時(shí)間和靜態(tài)區(qū)數(shù)量，適當(dāng)增大斜板間距能減少漩渦產(chǎn)生，增大第1塊板距入口管口的距離能減少沖擊返混，這些結(jié)構(gòu)改變都可提高沉箱的分離效率，但同時(shí)增加了沉箱的尺寸和重量，在實(shí)際生產(chǎn)過程中需綜合考慮。

(3) 從入口到出口，沉箱內(nèi)油滴粒徑呈現(xiàn)由小變大再變小的趨勢，證明了斜板的折流對油滴有碰撞聚結(jié)的作用，沉箱內(nèi)加設(shè)斜板可分離粒徑更小的油滴。

[1] 張樹寶，李傳凱，陳欣.開排沉箱在海上平臺開式排放系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].石油化工設(shè)備,2014,43(3):48-53.

[2] 劉華君，李雙勝，郝寶齊，等.斜板設(shè)計(jì)對沉箱分離作用影響的研究[J].中國海洋平臺,2011,26(4):47-50.

[3] 孫治謙,金有海,王振波.油水重力分離原理及聚結(jié)破乳機(jī)理初探[J].化工機(jī)械,2009,36(6):636-639.

[4] 霍瑞崗.朗伯-比伯定律在化學(xué)分析中的應(yīng)用及局限性[J].化學(xué)周刊：C版，2013(11):1673-9132.

[5] 徐應(yīng)波,王樹祥,楊相偉.應(yīng)用淺池理論與聚結(jié)技術(shù)改進(jìn)油田污水處理系統(tǒng)[J].水處理技術(shù),2010,36(10):115-118.

[6] 劉亞莉,吳山東,戚俊清,等.用于油水分離的聚結(jié)技術(shù)及其進(jìn)展[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008,30(1):129-132.

Test on Separation Performance of Oil and Water in
Open Drain Sump Caisson for Offshore Platform

LI Dongfang,GAO Hua,MA Jinxiong

(Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300451,China)

In order to study the separation performance of the open drain sump caisson influenced by inclined plate arrangement.Experimental model is established based on open drain sump caisson of offshore platform PY5-1B,macro and micro test are made respectively on se-paration performance of oil and water phases in sump caisson.The concentration distribution and particle size distribution of oil in water flow in sump caisson,and the flowing condition of oil between inclined plates are analyzed.The test results demonstrate that adding inclined plates in sump caisson can structure quiescent flowing region,also increase oil residence time and have collision coalescence effect on oil droplets.And increasing number of inclined plate,spacing of inclined plates and the first plate distance from the nozzle appropriately can optimize the separation efficiency of open drain sump caisson.It provides reference for produce and design of open drain sump caisson.

open drain sump caisson; inclined plate layout; separation of oil and water； test

2017-02-20

李東芳(1982-)，女，工程師

1001-4500(2017)03-0062-07

TE53

A