伊拉克某油田污水處理廠污水沉降罐氣封系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙海龍

(中海油石化工程有限公司,山東 青島 266101)

伊拉克某油田污水處理廠處理油田采出的含油污水，含油污水經(jīng)處理后回用于油田注水，含油污水中溶解有大量硫化氫、硫醇等有毒、有害氣體，原油處理單元排出的含油污水在接入常壓含油污水沉降罐處的壓力為0.3MPa，進(jìn)入含油污水沉降罐后，含油污水中硫化氫、硫醇等揮發(fā)并在含油污水沉降罐頂部形成易燃、易爆環(huán)境，此外，油田回注水要求水中含氧量≤0.02mg/L。為避免有毒有害氣體的直接排放造成安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)為了隔絕空氣進(jìn)入污水處理系統(tǒng)，含油污水沉降罐設(shè)置氣封系統(tǒng)，使得罐頂氣相空間維持一定的壓力(正壓)，罐頂排出的氣封氣經(jīng)管網(wǎng)收集后接入低低壓火炬系統(tǒng)。本文主要論述含油污水沉降罐氣封通氣量的計(jì)算及氣封系統(tǒng)組成及控制流程。

1 含油污水沉降罐氣封系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案確定

含油污水沉降罐頂部氣相空間壓力變化原因主要包括：

(1)當(dāng)含油污水沉降罐進(jìn)水量小于出水量時(shí)，將導(dǎo)致罐內(nèi)氣相空間壓力降低，有可能導(dǎo)致產(chǎn)生負(fù)壓，當(dāng)進(jìn)入污水沉降罐的含油污水量超過(guò)流出的含油污水量時(shí)，可能導(dǎo)致罐頂氣相空間超壓。

(2)由于氣溫驟降或其他天氣變化使罐頂氣體壓縮或冷凝從而導(dǎo)致壓力降低。反之，環(huán)境溫度升高或其他天氣變化，引起氣體膨脹和汽化導(dǎo)致氣體壓力升高。

(3)含油污水儲(chǔ)罐周圍發(fā)生火災(zāi)，當(dāng)儲(chǔ)罐吸收外部火源的熱量造成液體汽化以及氣體膨脹將導(dǎo)致罐內(nèi)氣壓升高。

(4)由于設(shè)備故障或操作失誤導(dǎo)致的罐內(nèi)壓力變化等。

本項(xiàng)目含油污水沉降罐配置天然氣、氮?dú)鈨杉?jí)獨(dú)立氣源的氣封系統(tǒng)，廢氣經(jīng)管網(wǎng)收集后接入低低壓火炬，儲(chǔ)罐同時(shí)設(shè)置呼吸閥，呼吸閥負(fù)壓吸氣不作為正常運(yùn)行工況，僅在事故工況下，作為最終的負(fù)壓保護(hù)設(shè)施，其目的是盡量避免儲(chǔ)罐呼吸閥吸入空氣，造成安全隱患，確保系統(tǒng)安全運(yùn)行。天然氣、氮?dú)鈨杉?jí)獨(dú)立氣源可以滿足正常工況下含油污水沉降罐的低壓補(bǔ)氣要求。

2 呼吸量計(jì)算

含油污水處理廠中，設(shè)置2臺(tái)2×5000m3(23.7m I.D.×12.53m H)含油污水沉降罐，設(shè)計(jì)/操作壓力分別為-0.6～5.0kPa/-0.2～3.5kPa，設(shè)計(jì)/操作進(jìn)水溫度90℃/80℃，正常工況下兩臺(tái)污水沉降罐串聯(lián)運(yùn)行，污水沉降罐上部油層厚度通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)收油維持在0.8m以內(nèi)，污水沉降罐罐體及罐頂設(shè)有30mm厚復(fù)合硅酸鋁保溫。上游原油處理裝置排出的含油污水量相對(duì)穩(wěn)定，污水沉降罐出水經(jīng)污水提升泵提升后接入后續(xù)污水處理設(shè)備進(jìn)一步處理，污水提升泵規(guī)模為4×550m3/h(3用1備)。

本項(xiàng)目含油污水沉降罐呼吸量計(jì)算依據(jù)為 API RP2000，含油污水沉降罐呼吸量至少應(yīng)為最大進(jìn)液量與熱呼出量之和或最大出液量與熱呼入之和，熱呼吸是由于環(huán)境溫度變化或儲(chǔ)罐表面降溫導(dǎo)致的氣體吸入、排出量，對(duì)于立式儲(chǔ)罐，通常按照罐體容積計(jì)算通氣量。

污水沉降罐頂部油層主要成分為原油，閃點(diǎn)小于37.8℃，為易揮發(fā)液體[1]。

2.1 呼出量計(jì)算

Vout=Y·Vtk0.9·Ri+ 2.0Vpf

其中：

Y 地理緯度影響系數(shù)，可參見(jiàn)表1；

表1 地理緯度影響系數(shù)

Vpf——含油污水最大進(jìn)水量，m3/h；

Vtk——儲(chǔ)罐體積，m3；

Ri——儲(chǔ)罐保溫影響系數(shù)，對(duì)于非保溫儲(chǔ)罐Ri=1，部分保溫儲(chǔ)罐Ri=Rinp，全保溫儲(chǔ)罐Ri=Rin：其中：Rinp=Ainp/Atts·Rin + (1- Ainp/Atts)

Atts——儲(chǔ)罐總表面積(罐體及罐頂)，m2；

Ainp——儲(chǔ)罐保溫面積，m2；

Rin=1/(1+(h·lin)/λin)；

h——內(nèi)部熱傳遞系數(shù)，W/(m2·K)；

lin——保溫層厚度；

λin——保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

考慮到該地區(qū)夏季高溫期間存在雷暴天氣，污水沉降罐采用全保溫形式，保溫材料為復(fù)合硅酸鹽，保溫厚度30mm，導(dǎo)熱系數(shù)按0.05W/m·K計(jì)。

經(jīng)計(jì)算,熱呼出量為200 m3/h，呼出總量為3500 m3/h。

2.2 吸入量計(jì)算

Vin=C·Vtk0.7·Ri+ Vpf

Vpf——含油污水最大出水量，m3/h；

C——液體蒸氣壓、平均儲(chǔ)存溫度影響系數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 液體蒸氣壓、平均儲(chǔ)存溫度影響系數(shù)

Vtk——儲(chǔ)罐體積，m3；

Ri——同呼出。

該油田緯度小于42度，C取6.5，經(jīng)計(jì)算，熱呼入量約為750m3/h，總吸氣量為2400m3/h。

2.3 緊急泄放量計(jì)算

根據(jù)API RP 2000 中火災(zāi)工況緊急泄放氣量：

q=906.6·Q·F/L·(T/M)0.5

其中：

Q——火災(zāi)輻射熱量，W，按4129700W計(jì)；

F——環(huán)境影響系數(shù)，取0.3；

L——在泄放壓力及溫度下，儲(chǔ)存液體的汽化潛熱，J/kg；

T——泄放蒸汽的絕對(duì)溫度，單位為K，通常假定泄放蒸汽的溫度等同在泄放壓力下的液體沸點(diǎn)。

對(duì)于立式儲(chǔ)罐，濕潤(rùn)面積等同于地面以上至9.4m高度的罐體表面積，不計(jì)算罐體底面積[1]，含油污水沉降罐9.4m高度以內(nèi)的罐體表面積為699.5m2，大于260m2，根據(jù)API RP 2000，緊急泄放量按19910Nm3/h計(jì)，考慮環(huán)境影響系數(shù)F值，此處取0.3，通氣量乘以環(huán)境影響系數(shù)，此外，火災(zāi)工況下可以不考慮用于正常通氣的通氣設(shè)施，且火災(zāi)工況不考慮進(jìn)液，保溫儲(chǔ)罐實(shí)際緊急泄放量5973Nm3/h。

4 含油污水沉降罐氣封系統(tǒng)組成及控制流程

本項(xiàng)目含油污水沉降罐氣封系統(tǒng)主要由調(diào)節(jié)閥、呼吸閥、緊急泄壓人孔及壓力檢測(cè)儀表等組成，見(jiàn)圖1。超壓保護(hù)措施主要包括排氣調(diào)節(jié)閥、呼吸閥及泄壓人孔。低壓保護(hù)措施包括罐頂?shù)蛪簣?bào)警及低壓連鎖停污水提升泵、低低壓連鎖開(kāi)啟氮?dú)夤芫€調(diào)節(jié)閥、呼吸閥吸入空氣，罐頂氣相空間壓力維持在0.5～1.5kPa之間。

圖1 含油污水沉降罐罐頂氣封設(shè)施組成

4.1 高壓保護(hù)流程

當(dāng)含油污水沉降罐罐頂氣壓達(dá)到2.35kPa時(shí)，排氣管線調(diào)節(jié)閥打開(kāi)，廢氣排至低低壓火炬燃燒，壓力繼續(xù)升高，達(dá)到呼吸閥設(shè)定壓力3.35kPa時(shí)，呼吸閥開(kāi)啟，呼吸閥全開(kāi)啟壓力3.70kPa(超壓值10%)，回座壓力2.85kPa(啟閉壓差15%)，當(dāng)壓力繼續(xù)升高到泄壓人孔設(shè)定壓力的4.4kPa，泄壓人孔打開(kāi)，泄壓人孔全開(kāi)啟壓力為4.84kPa(超壓值10%)，泄壓人孔回座壓力為3.74kPa(啟閉壓差15%)。

4.2 低壓保護(hù)流程

當(dāng)含油污水沉降罐罐頂氣相空間氣壓低于1.5kPa時(shí)，天然氣補(bǔ)氣管線調(diào)節(jié)閥自動(dòng)開(kāi)啟補(bǔ)氣，當(dāng)天然氣補(bǔ)氣系統(tǒng)故障導(dǎo)致含油污水沉降罐罐頂氣壓降低到0.5kPa時(shí)低壓報(bào)警，壓力繼續(xù)降低到0.25kPa時(shí)連鎖停污水提升泵，當(dāng)壓力繼續(xù)降低到0.00kPa時(shí)，氮?dú)夤芫€上的調(diào)節(jié)閥自動(dòng)打開(kāi)補(bǔ)氣，當(dāng)?shù)獨(dú)庋a(bǔ)氣管線也故障的情況下無(wú)法補(bǔ)氣，導(dǎo)致壓力繼續(xù)降低到-0.3kPa時(shí)，呼吸閥吸入空氣同時(shí)報(bào)警，罐頂設(shè)置有氧含量分析儀，當(dāng)氧含量達(dá)到5%時(shí)[2]，超過(guò)API 2028中安全要求時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)停產(chǎn)檢修。

4 結(jié)論

(1)設(shè)置天然氣、氮?dú)鈨蓚€(gè)獨(dú)立的補(bǔ)氣系統(tǒng)，使得補(bǔ)氣更加可靠，同時(shí)設(shè)置了呼吸閥吸入空氣，通過(guò)合理設(shè)定呼吸閥開(kāi)啟壓力，既能有效的防止含油污水沉降罐吸入空氣，同時(shí)在滿足規(guī)范要求的前提下，又能確保儲(chǔ)罐在出現(xiàn)負(fù)壓情況下的安全性。

(2)設(shè)定合理的天然氣及氮?dú)庋a(bǔ)氣壓力、呼吸閥吸氣壓力可以有效的避免儲(chǔ)罐吸入空氣。排氣調(diào)節(jié)閥、呼吸閥、泄壓人孔的設(shè)定壓力及10%超壓值，正常情況下，可以有效地減少氣封氣泄漏帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)。