生產(chǎn)水除氣罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

于 洋，王金成，張孝光

(中海石油(中國)有限公司天津分公司遼東作業(yè)公司 天津300457)

1 研究背景

生產(chǎn)水除氣罐為生產(chǎn)污水系統(tǒng)第一級處理設(shè)備，對于生產(chǎn)水除油起著至關(guān)重要的作用。其主要作用是去除污水中的氣體，避免氣體影響水力旋流器的處理效果。同時(shí)靠油水密度差實(shí)現(xiàn)油水自然沉降分層，通過其內(nèi)部收油結(jié)構(gòu)回收污水中的分散油，生產(chǎn)水除氣罐基本結(jié)構(gòu)見圖 1。按照設(shè)計(jì)，混合室的液位應(yīng)該始終維持在 1,885,mm，當(dāng)混合室內(nèi)污水含油量逐漸累積后，混合室的液面逐漸升高，當(dāng)達(dá)到 1,900,mm時(shí)，混合室頂部分散的油膜將自動溢流至生產(chǎn)水除氣罐的收油槽內(nèi)。經(jīng)過沉降的水則經(jīng)過油室底部連通空間后溢過水室堰板進(jìn)入水室。

圖1 生產(chǎn)水除氣罐的內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.1 Internal structure of degassing vessel for wastewater

2 生產(chǎn)水除氣罐存在的問題分析

2.1 生產(chǎn)水除氣罐無法收油的可能原因

①根據(jù)圖1數(shù)據(jù)，生產(chǎn)水除氣罐內(nèi)水室的堰板高度是 1,885,mm，油室前堰板高度為 1,900,mm，現(xiàn)場實(shí)際尺寸與原設(shè)計(jì)不一致。②生產(chǎn)水除氣罐入口管線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，有因?yàn)槿肟谝毫髁枯^大，直接同時(shí)進(jìn)入混合室和油室的可能。③油室存在泄漏情況。

2.2 生產(chǎn)水除氣罐的相關(guān)數(shù)據(jù)核算

2.2.1 生產(chǎn)水除氣罐的設(shè)計(jì)指標(biāo)

通過對生產(chǎn)水除氣罐原設(shè)計(jì)的水力停留時(shí)間、流通能力等數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出原設(shè)計(jì)的水力停留時(shí)間、流通能力，為內(nèi)部優(yōu)化改造方案提供理論依據(jù)，要求內(nèi)部優(yōu)化改造后的水力停留時(shí)間和流通能力不小于原設(shè)計(jì)值。

污水處理中重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)包括水力停留時(shí)間、流通能力。其中水力停留時(shí)間HRT(Hydraulic Retention Time)，是指待處理污水在容器內(nèi)的平均停留時(shí)間，也就是污水在容器內(nèi)平均沉降時(shí)間。因此，水力停留時(shí)間為生產(chǎn)水除氣罐的處理能力的衡量指標(biāo)。如果容器的有效容積為 V(m3)，則：HRT＝V/Q(h)，即水力停留時(shí)間等于反應(yīng)器高度與水流速度之比。

在傳統(tǒng)的污水處理過程中，水力停留時(shí)間很大程度上決定了污水的處理程度，因?yàn)樗鼪Q定了污泥、油污的停留時(shí)間，污油停留時(shí)間越長，油水分離的時(shí)間越長，油污從水中分離的效果越好。

流通能力是指液體通過單位橫截面積流量的指標(biāo)，通常用流通截面流速 v表示，v＝Q/A，其中 A為橫截面積，Q為通過的流量[2]。圖 2為生產(chǎn)水除氣罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸，表1是生產(chǎn)水除氣罐操作參數(shù)。

目前實(shí)際工況下生產(chǎn)水除氣罐入口流量約為83,m3/h，而生產(chǎn)水除氣罐的設(shè)計(jì)處理量為 265,m3/h，本次研究以生產(chǎn)水除氣罐的設(shè)計(jì)處理能力 265,m3/h作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對生產(chǎn)水除氣罐進(jìn)行計(jì)算。

表1 生產(chǎn)水除氣罐操作參數(shù)Tab.1 Operation parameters of degassing vessel for wastewater

圖2 生產(chǎn)水除氣罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸Fig.2 Internal dimension of degassing vessel for wastewater

2.2.2 生產(chǎn)水除氣罐停留時(shí)間的計(jì)算[1]

將生產(chǎn)水除氣罐的內(nèi)部劃分為4部分，有效體積分別為 V1、V2、V3、V4，在正常進(jìn)液的情況下，水室的液位為 14,000,mm，混合室液位為 1,900,mm，Q＝265,m3/h，通過查詢圖 2生產(chǎn)水除氣罐的內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸可以分別計(jì)算出，V1＝0.175,m3、V2＝6.21,m3、V3＝0.986,m3、V4＝3.375,m3。

液相在混合室的停留時(shí)間為：

液相在整個生產(chǎn)水除氣罐罐內(nèi)的停留時(shí)間為：

2.2.3 生產(chǎn)水除氣罐的流通能力計(jì)算

根據(jù)生產(chǎn)水除氣罐的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可知，影響其流通的因素為罐內(nèi) U 型連通的截面積，截面高h(yuǎn)＝210,mm，罐體直徑 D＝2,500,mm，截面長l＝1,300,mm，流通截面積為A。

2.2.4 生產(chǎn)水除氣罐的壓降和水頭損失的計(jì)算

生產(chǎn)水除氣罐內(nèi)流體通過底部橫截面時(shí)存在沿程水頭損失和局部水頭損失。沿程水頭損失是指流體流經(jīng)一定管道時(shí)由于內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的阻力；局部水頭損失是指流體流經(jīng)管件、閥門等局部地方由于流速大小及方向的改變而引起的阻力[3]。

目前油室的前堰板和水室堰板的高度差為△H＝15,mm，油室的前堰板高度為 1,900,mm，水室堰板高度為 1,885,mm，流通截面積為A，作用水頭為H，局部阻力系數(shù)為 ζ≈1.3，沿程阻力系數(shù)λ＝0.045,5，長度為 L＝1,100,mm，有效半徑d＝50,mm，壓降△p。

流通截面水頭損失包括沿程水頭損失和局部水頭損失[4]：

流通截面壓降：

由上面公式計(jì)算的結(jié)果可知，高度差為ΔH不足以推動液流通過油室底部的流通截面，同時(shí)考慮水溢流進(jìn)入水室時(shí)會產(chǎn)生一定的水頭高度，因此需要對油室和水室的堰板高差進(jìn)行調(diào)整。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，對生產(chǎn)水除氣罐的水室液位尚未上漲的情況下，油室液位上漲的原因分析如下：①油室的前堰板和水室的堰板的液位高度差較小，且在液溢流過水室堰板時(shí)會產(chǎn)生一定的水頭高度，導(dǎo)致水室在尚未進(jìn)液的情況下，油室液位在一直上漲。②生產(chǎn)水除氣罐進(jìn)液對液面造成擾動，使得液面不穩(wěn)定，油室兩側(cè)的混合室無法形成有限的液位高差去克服底部流通截面的摩擦阻力損失。③初始階段進(jìn)液量較小，加上進(jìn)液對液面產(chǎn)生擾動，油水混合物會同時(shí)進(jìn)入油室和水室，由于進(jìn)入水室的水量較少，在還未達(dá)到可觀測的液位時(shí)就已經(jīng)被出口的提升泵打走，而出現(xiàn)始終未進(jìn)液的情況，此時(shí)水室的液位調(diào)節(jié)閥LV-3003(泵的出口調(diào)節(jié)閥)全開，并逐漸有液進(jìn)入到生產(chǎn)水除氣罐內(nèi)，入口液量增加，水室的液位才會逐漸升高，同時(shí)油室液位也逐漸上漲。

2.3 核算內(nèi)部優(yōu)化改造數(shù)據(jù)

2.3.1 切除部分水室的堰板

水的密度取 1,000,kg/m3，油的密度近似取830,kg/m3，當(dāng)混合室油層厚度維持在 300～400,mm時(shí)開始收油，水室的堰板高度為：

如果將水室的堰板高度調(diào)整為 1,850,mm，V1＝0.175,m3，V2＝6.13,m3，V3＝0.976,m3，V4＝3.375,m3，液液相在混合室的停留時(shí)間為：

液相在整個生產(chǎn)水除氣罐內(nèi)的停留時(shí)間為：

從計(jì)算結(jié)果看滿足原設(shè)計(jì)要求的水力停留時(shí)間。

2.3.2 切除部分油室堰板

由于水室液位計(jì)的可調(diào)范圍為 300～1,800,mm，為了滿足 LT-3003的調(diào)節(jié)范圍，且最大限度地保證液流在罐內(nèi)的停留時(shí)間，將 LT-3003的設(shè)定點(diǎn)調(diào)整為1,600,mm，并取消其高報(bào)警點(diǎn)，同時(shí)維持混合室的油層厚度在 100,mm時(shí)開始進(jìn)行收油，基于以上內(nèi)容，油室前堰板的高度需要調(diào)整為：

需要將油室前堰板高度調(diào)整為1,618,mm以滿足要求。如果將油室前堰板的高度調(diào)整為 1,620,mm，V1＝ 0.175,m3，V2＝ 5.27,m3，V3＝ 0.196,m3，V4＝3.866,m3，液相在整個生產(chǎn)水除氣罐內(nèi)的停留時(shí)間計(jì)算如下：

若將 LT-3003設(shè)定點(diǎn)調(diào)整為 1,800,mm，油室前堰板的高度需要調(diào)整為 1,820,mm，液相在整個生產(chǎn)水除氣罐罐內(nèi)的停留時(shí)間為：

從計(jì)算結(jié)果看，滿足原設(shè)計(jì)要求的水力停留時(shí)間。

2.4 生產(chǎn)水內(nèi)部優(yōu)化改造方案

根據(jù)理論計(jì)算，在排除設(shè)計(jì)與實(shí)際存在偏差和有污物堵塞流通截面的情況下，需要對罐內(nèi)水室堰板進(jìn)行切割，通過改造實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)處理能力。

切除水室堰板分為兩種形式：切除部分堰板和全切堰板?，F(xiàn)場進(jìn)行簡單的改造后，進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試，在生產(chǎn)水除氣罐進(jìn)液的過程中，觀察油室、水室和混合室液位的變化情況。

2.4.1 切除部分水室堰板方案

切除部分水室堰板，根據(jù)理論計(jì)算第一套方案，水室堰板從頂部向下切除35～55,mm(見圖3、4)。

2.4.2 切除部分油室堰板方案

圖3 生產(chǎn)水除氣罐內(nèi)部示意圖Fig.3 Schematic of the interior layout of degassing vessel for wastewater

圖4 生產(chǎn)水除氣罐切除部分水室堰板示意圖Fig.4 Schematic of cutting off partial weir plate in hydroecium of degassing vessel for wastewater

圖5 生產(chǎn)水除氣罐內(nèi)部示意圖Fig.5 Schematic of the interior layout of degassing vesselfor wastewater

圖6 生產(chǎn)水除氣罐切除部分油室堰板示意圖Fig.6 Schematic of cutting off partial oil cavity weir plate of degassing vessel for wastewater

切除部分油室堰板，降低油室前板高度，將油室前板高度降至 1,620,mm，并全部切除水室堰板(見圖5、6)。

3 生產(chǎn)水除氣罐內(nèi)部優(yōu)化改造效果分析

3.1 生產(chǎn)水除氣罐內(nèi)部優(yōu)化改造情況

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際施工情況，采取切除部分油室堰板的方案，切除油室前板 280,mm，將油室前板高度降至1,620,mm，并切除水室堰板至500,mm。

3.2 生產(chǎn)水除氣罐內(nèi)部優(yōu)化改造后水質(zhì)化驗(yàn)情況分析

3.2.1 優(yōu)化改造前生產(chǎn)水除氣罐進(jìn)出含油情況(見表2)

從表 2生產(chǎn)水除氣罐優(yōu)化改造前化驗(yàn)數(shù)據(jù)中數(shù)可以看出，在 2017年 8月 1日～8月 20日之間，8月13日化驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示除油率達(dá)到6.38%，為20天內(nèi)最高，其他時(shí)間除油率大多低于5%，并且出口最低值為8月1日的化驗(yàn)值166,mg/mL，無論從出口水中含油還是除油率上均未達(dá)到生產(chǎn)水除氣罐的設(shè)計(jì)要求。

表2 生產(chǎn)水除氣罐優(yōu)化改造前化驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Test data of degassing vessel for wastewater before the optimization

3.2.2 優(yōu)化改造后生產(chǎn)水除氣罐進(jìn)出含油情況

從表 3生產(chǎn)水除氣罐優(yōu)化改造后化驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，優(yōu)化改造后，生產(chǎn)水除氣罐入口含油變化不大的情況下，出口化驗(yàn)含油在下降，在 2017年 8月25日～8月 26日兩天的化驗(yàn)數(shù)據(jù)中，可以明顯看到化驗(yàn)含油明顯下降，除油率達(dá)到 39.89%,，并且出口最低值為110,mg/mL，與優(yōu)化改造前相比明顯變好。

表3 生產(chǎn)水除氣罐優(yōu)化改造后化驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 Test data of degassing vessel for wastewater after the optimization

4 結(jié) 論

通過現(xiàn)場實(shí)際測試并結(jié)合流體力學(xué)計(jì)算，尋找出該生產(chǎn)水除氣罐設(shè)備無法正常收油、除油的原因，并針對引發(fā)問題的原因，設(shè)計(jì)出對該設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造方案。切除生產(chǎn)水除氣罐的油室部分前堰板和全切水室堰板?，F(xiàn)場進(jìn)行內(nèi)部優(yōu)化改造后，進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試，觀察生產(chǎn)水除氣罐進(jìn)液過程，油室、水室和混合室液位的變化情況，并且對比改造前后生產(chǎn)水除氣罐入口與出口污水含油變化情況，得出以下結(jié)論：①內(nèi)部優(yōu)化改造后，設(shè)備投入使用時(shí)，水室的液位先上漲，液位達(dá)到1,650,mm時(shí)，油室液位逐漸上漲，將油室液位調(diào)節(jié)閥調(diào)整為自動控制后，油室液位可以控制在設(shè)定值1,500,mm。②內(nèi)部優(yōu)化改造后，水室的液位可控，油室液位可控。③通過化驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，內(nèi)部優(yōu)化改造后，設(shè)備出口污水含油量明顯下降，水質(zhì)得到改善?！?/p>

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