碟片式離心機在重油乳狀液脫水中的問題

馬 強 程 濤 朱夢影 郭奕杉

(1. 中海石油(中國)有限公司蓬勃作業(yè)公司， 天津 300459; 2.中海石油(中國)有限公司天津分公司渤海石油研究院， 天津 300459)

原油脫水，包括原油中游離水和乳化水的脫除。其中，乳化水的脫除難度相對較大，因此WO型乳狀液的油水分離成為研究的重點內容[1]。

蓬勃號FPSO(浮式生產儲油卸油裝置)平臺處理的PL19-3油田原油屬于環(huán)烷-中間基重質原油，其特點是密度大、蠟含量低、輕組分含量少，而且該原油具有較高導電性。此外，該重質原油含有大量膠質瀝青質，易與原油中固體顆粒等雜質混合而形成穩(wěn)定的乳狀液?；赑L19-3油田原油特點，按重質原油乳狀液脫水常規(guī)做法選擇電脫水時，存在設備尺寸大、化學藥劑用量高、難以達到脫水標準等問題[2-3]；而選用碟片式離心機脫水的實驗效果好，化學藥劑用量小。因此，PL19-3油田選用碟片式離心機進行重油乳狀液脫水處理[4]；然而運行期間，頻繁出現(xiàn)故障，最終該離心機被停用。在此，總結這次大規(guī)模使用碟片式離心機進行重油乳狀液脫水的實踐經驗，供今后設計和應用時借鑒。

1 碟片式離心機工作原理

由斯托克斯公式可知，水滴的勻速沉降速度和重力加速度成正比，若將乳狀液置于離心力場內，則水滴所受的離心加速度大于重力加速度，有利于促進水滴沉降和油水分層。由于在離心機內水滴所受離心力幾百倍于其所受的重力，故離心機脫水速度遠高于重力沉降脫水速度。針對PL19-3油田原油高密度、高黏度、高導電率的特點，蓬勃號FPSO使用Westfalia公司生產的ODB 260-72-503型噴嘴碟片式離心機撬塊。該撬塊主要裝置有離心機、電機、水罐、循環(huán)泵、排放泵及控制盤等(見圖1)。外殼和頂部部件為靜止部分，中間轉鼓為旋轉部分，旋轉部分由底部電動機驅動。

1 — 油向心泵；2 — 水收集室；3 —上升通道；

原油乳狀液經過濾器和乳化油冷卻器后到達油離心機，從進料口進入離心機轉鼓，而從轉鼓碟片底部通過上升通道進入碟片，在離心力作用下油相、水相、砂礫因密度差而處于碟片的不同位置。密度較小的油相靠近旋轉中心軸，在碟片內側流至靜止的向心泵加壓后通過油出口排至油冷卻器冷卻下艙；密度居中的水相從碟片外側沿碟片下端流出，進入離心機上蓋水收集室后排至水罐；密度最大的砂和水在離心機轉鼓最外邊，通過轉鼓的噴嘴進入離心機下蓋排至水罐，水罐內水砂通過排放泵進入低壓分離器。

補充水來自水罐，通過循環(huán)泵加壓后進入離心機，其主要起到水封的作用，防止油經過噴嘴進入水相。補充水中，有一部分與砂水通過噴嘴排出離心機，大部分與水相混合，進入離心機上蓋水收集室，操作中要求水的出口流量不小于15 m3h。

碟片的作用是縮短液滴沉降距離，擴大轉鼓沉降面積，提高分離器的生產能力。但是，碟式離心機中液體的流態(tài)與分離過程不同于斜板沉降罐(見圖2)，待分離液體通過上升進入碟片間空間，砂和水被甩至碟片外延，較輕組分沿空間下部向中心流去，在離心力的作用下，微顆粒和水等沿碟片空間上部逆流至碟片外圍[5]。碟片能在逆流液體層中以高流動速度分離水和砂，使離心機具有分離小于幾微米尺寸的顆粒和水滴的能力。

圖2 碟片形狀與分離示意圖

碟片式離心機具有結構緊湊、處理量大、效率高的特點。采用機械分離的方式，不需要添加過多的化學藥劑，節(jié)省成本；分離所需的溫度較低，對乳狀液導電性能無要求，適用于高導電性稠油。該離心機配備了針對海洋石油行業(yè)專門設計的減震系統(tǒng)，能吸收大量外界和機器本身的振動[6]?；谶@些特點，將碟片式離心機應用于蓬勃號FPSO。

2 碟片式離心機運行期間的問題

2.1 應急機封水設計不合理

當離心機高速旋轉時，機械密封會產生大量熱量，必須用冷卻水進行機封冷卻。此時，如果失去機封水，機封可能會在10 s 后燒壞。設計中機封水來源于海水注水增壓泵出口，該泵流量大、壓力高、功率大，掛在正常電源上。油田失電時，離心機會失去機封冷卻水，從而可能導致機封燒毀。

為了避免這個問題，現(xiàn)場進行了相關改造，從消防系統(tǒng)取海水，經過濾降壓后與機封水主管連接，從而保證失電情況下消防水可以充當冷卻水。但此次改造也存在風險，消防水為沒有經過處理的海水，會腐蝕損壞機封。建議在離心機設計中增加應急電源驅動的專用泵，以滿足失電時機封水的正常供應。

2.2 離心機高速剪切導致部分原油高度乳化

離心機高速旋轉產生強大的離心力，也產生了高速剪切力，形成了原油的高度乳化現(xiàn)象?，F(xiàn)場取樣發(fā)現(xiàn)，原油離心機水中O/W值高達10-4，原油離心機高速旋轉產生高度乳化，從而使其脫出水中的油高度乳化?，F(xiàn)場進行了改造，最初脫出水進入生產水離心機，修改后水進入低壓分離器進一步沉降，并在該物流中注入破乳劑。設計中需要考慮離心機高速剪切產生的乳化問題，合理處理乳狀液。

2.3 離心機對進料的質量要求較高

在工程階段設備選型中，進行了含砂原油的離心機分離實驗。結果表明，在一定砂粒徑范圍內，離心機能夠較好地處理含砂原油。但此實驗沒有考慮黏性固體的影響，這些黏性固體易結塊，容易堵住砂噴嘴。在生產操作中，原油離心機處理能力遠低于設計處理能力，泥沙經常堵塞離心機的排砂口而沉降在離心機內，產生不平衡的離心力從而引起設備高振動停機。泥沙附著在離心機碟片和砂出口，非常牢固，清洗的工作量和難度都比較大。設計中可以考慮在自由水分離器和低壓分離器中增加水洗環(huán)節(jié)，可以將乳狀液中大部分固體并入水層，減少離心機進料中的固體含量。

3 結 語

實踐中發(fā)現(xiàn)，對未經離心機處理的乳狀液增大化學藥劑用量，下艙之后靜置12 h，大部分明水能脫除出來。此時，油中含水率低于0.5%，滿足商品原油的品質要求。離心機頻繁故障停機，維護費用高；艙容比較富余，可進行沉降脫水?；谶@兩方面原因，蓬勃號目前已停用此類離心機。

碟片式離心機雖然具有結構緊湊、節(jié)省藥劑、對原油導電性能沒有特殊要求等優(yōu)點，但由于其構造復雜、對進料要求高等問題，目前還不能替代傳統(tǒng)設備。