三相分離器結構優(yōu)化設計與應用

吉效科

（1.西南石油大學機電工程學院，四川成都 610500；2.長慶油田公司設備管理處，陜西西安 710018）

0 引言

隨著油田的日益開采，原油含水率不斷上升，原油處理成本居高不下。解決好原油脫水，確保油氣密閉處理工藝的正常運行，使原油處理保持較低的生產成本，已經成為油田地面工程發(fā)展的迫切需要[1]。長慶油田于2003年在西一聯成功試驗油氣水三相分離器技術，并在油田全面推廣應用。但是，隨著油田開采工況和工藝條件的變化，三相分離器在運行過程中出現4個問題：①油水界面調整費時費力，可調范圍??；②來液波動大，影響分離效果，處理效率降低；③設備內部部件腐蝕嚴重，使用壽命縮短；④沖砂、清淤、防泥砂能力不足。

針對長慶油田三相分離器在應用過程中存在的上述問題，結合油田場站的生產工況和簡化的地面工藝現狀，于2013年開始積極探索、引進三相分離器先進的工藝技術，優(yōu)化改進三相分離器結構、配置和工藝，并在油田試驗評價和規(guī)模應用，取得顯著效果。

1 三相分離器的技術分析

1.1 工作原理

油氣水混合來液進入三相分離器后，初步進行液氣兩相分離。伴生氣通過一級分離、二級捕霧器處理后，進入站內氣處理系統。油水混合物進入預分離室，經過整流、消泡、聚集等處理后，至沉降室開始分離，形成油水層。通過調節(jié)水室導水管的高度，形成穩(wěn)定的油水界面。沉降室上部的油溢流進油室，通過浮子液面調節(jié)閥調節(jié)出油閥的開度，自動控制油室液面高度。而沉降室底部的水通過導水管流入水室，通過浮子液面調節(jié)閥調節(jié)出水閥的開度，自動控制水室液面高度。

1.2 結構改進

1.2.1 采用旋流分離技術

將傳統三相分離器重力沉降分離結構改為旋流分離結構。在入口構件上，采用旋流分離器作為氣、液預分離，并輔以二級氣體旋流除沫器設計。氣相基本不進入沉降室，這樣減少了氣流對預分離室內的液相擾動，有利于沉降室的油水分離。根據Trapp和Mortensen提出的離散顆粒模型理論，用拉格朗日法將流體主相視為連續(xù)相并求解其Navier-Stokes方程，同時選擇通用性較好的歐拉方法結合雷諾應力湍流模型優(yōu)化設計。氣液旋流預分離器、氣沫旋流除沫器結構型式如圖1、圖2所示。

1.2.2 采用消能器技術

經旋流預分離器分離出的液相進入三相分離器沉降室，設計安裝橢圓型消能器進行消能，流體通過消能器轉向整流，減少流體對設備的沖擊、沖蝕。消能后的來液通過布液板、整流板整流后形成平穩(wěn)流態(tài)。

1.2.3 內部結構優(yōu)化改進

（1）布液、整流裝置采用防腐性能好的非金屬材質加工，并設計采用可拆裝結構。

（2）罐內設計整流凝聚、一級捕霧填料。整流凝聚、一級捕霧填料采用316不銹鋼材料的刺孔壓延波紋填料，提高油水分離效果；依據潤濕、聚結作用原理，除去>50 μm的液滴。

圖1 氣液旋流預分離器

圖2 氣沫旋流除霧器

（3）油出口設計內置式油室，采用非金屬防腐材料。分離出的原油通過溢流進入油室，起到原油緩沖存儲作用，使流體流態(tài)平穩(wěn)，溢流口設置在流體路徑的最遠端，盡量延長油相的有效停留時間。出水口設置于盡量遠的油室結構下方，增大有效停留容積，且有更佳的防渦效果。

（4）沉降室設計集砂斜板、沖砂排管和多個集砂斗。分離器液相出口設置防渦流擋板，分離器氣出口設置擋板，減少氣相夾帶霧沫。

1.2.4 沉降技術優(yōu)化設計

沉降室的總體尺寸計算主要取決于液相有效停留時間。所需的有效停留時間與分離器內部結構、運行參數、流體的物性參數等有關。液相流經沉降室中有效停留時間取決于沉降室的有效停留容積。沉降室的有效停留容積為穩(wěn)流狀態(tài)、油水共存。因此確定液相的有效停留時間需考慮2個方面：①原油沉降時間要保證水足以從油中脫出；②水的沉降時間要保證油足以從水中脫出。

根據沉降理論中的Navier-Stokes方程式，計算進入沉降室的氣相和液相的體積比，確定為1∶5。

1.2.5 防腐處理工藝技術

（1）在工藝設計、結構設計過程，選用耐腐蝕材料，簡化罐內結構，內構件拆裝方便，便于組裝部位在防腐處理時不留死角

（2）防腐處理采用內表面及內構件噴鋁工藝，厚度指標（150～200）μm，并加涂厚度 50 μm 的環(huán)氧樹脂。

（3）增加電流陰極保護系統，提供三相分離器內部所需的保護電流，使內壁的各種材料整體達到保護電位，消除電偶腐蝕。

優(yōu)化后的三相分離器主體結構如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后的三相分離器結構示意

2 應用實例

2015年7月，長慶油田A聯合站改進后的三相分離器投產使用。該站來液量2000 m3/d，波動范圍較大，含水率60%～80%。2016年3月1—3日連續(xù)對該三相分離器的運行狀況連續(xù)跟蹤，取樣時間間隔為1 h，測試數據見表1。

從表1可以看出，改進后三相分離器進口原油含水率>73%，出口原油評價含水率<0.15%，出口水中含油<98 mg/L，三相分離器運行平穩(wěn)，滿足現場需要。

表1 A聯合站改進后的三相分離器運行測試數據

3 結論

（1）針對長慶油田三相分離器在應用過程中出現的問題，結合油田實際工況和工藝要求，優(yōu)化改進三相分離器內部結構，采用旋流分離、消能器消能、沉降室優(yōu)化等技術，采用特殊的防腐處理工藝，提高三相分離器的油氣水分離能力，延長內部部件的使用壽命。

（2）改進后的三相分離器出口原油含水率<0.15%，出口水中含油<98 mg/L，三相分離器運行平穩(wěn)，達到優(yōu)化設計的目的。