緊湊型水力旋流器在線清洗方法研究與實踐

王維誠，李智勇，蔣孟生，朱冬銀

（1.中海石油（中國）有限公司深圳分公司， 廣東 深圳 518000）

（2.海南民益工程技術(shù)有限公司， 海南 ?？?570100）

20世紀(jì)80年代以來，以水力旋流器技術(shù)在液-液分離領(lǐng)域的成功開發(fā)應(yīng)用為標(biāo)志，油田集輸處理系統(tǒng)進入一個新的技術(shù)改革期。目前，中海油的水力旋流器主要應(yīng)用于原油除砂、原油脫水和污水除油等方面，尤其是污水除油方面有大量應(yīng)用實例。海上油田普遍具有無水采油周期短、含水上升快、油田產(chǎn)液量大的特點，油田進入高含水期后，生產(chǎn)水的處理成了海上采油的核心工作[1]，由于油田生產(chǎn)水高礦化度，且含污油、泥沙和化學(xué)藥劑等雜質(zhì)，水力旋流器運行一段時間后，容易出現(xiàn)分流口堵塞問題，影響水力旋流器的除油效率[2]，而頻繁的開蓋清洗不僅影響油田產(chǎn)量，還增加采油成本。

針對水力旋流器分流口頻繁堵塞，水力旋流器處理效率下降問題，為減少開蓋清洗頻率，本文在水力旋流器現(xiàn)有的在線清洗措施上，進行深入研究和改造，提供了一種更高效、實用性更強的在線清洗方案。

1 水力旋流器的工作原理

水力旋流器是一種應(yīng)用于非均勻相混合物分離的設(shè)備，其工作原理是利用內(nèi)部建立的離心場將不同密度差的兩相液體混合物有效分離。如圖1所示，以應(yīng)用于污水除油為例，在壓力作用下，流體通過入口進入旋流管腔內(nèi)，沿軸向螺旋流動，在向下流動的錐段縮徑面上得以加速，逐漸產(chǎn)生油水分離所需要的強離心力。其中細錐段補充離心和摩擦損失以保持流體高速流動，作用在重質(zhì)水相的離心力使水沿錐段壁運動，輕質(zhì)油相移向中心形成低壓油芯[3]。最終，外部水相進入尾管段從水相出口流出，低壓油芯由于底流口的背壓沿逆水流方向流動，從同心設(shè)置的油相出口流出。

圖1 水力旋流管結(jié)構(gòu)圖

2 水力旋流器處理效果的影響因素

從水力旋流器工作原理可知，旋流器內(nèi)部流動結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響分離效果的因素較多，目前已確定的主要影響因素有油滴粒徑、溫度、含油濃度、密度差、壓力差和旋流管堵塞情況等[4]。

（1）油滴粒徑：油滴粒徑越大，其向中心軸部位運動的速度越快，旋流器的分離效率越高[5]；

（2）溫度：它同時影響液體密度和黏度；

（3）含油濃度：在一定的入口含油濃度范圍內(nèi)，分離效率隨著含油濃度的增加而增加；

密度差：油水分離的動力，密度差越大，兩相分離速度越快，當(dāng)油水密度差小于50kg·m-3時，不宜采用旋流器作為污水處理裝置使用；

（4）壓力差：壓差量不直接影響分離效率，但影響水力旋流器的流量和分流比，進而對分離效率產(chǎn)生影響；

（5）旋流管堵塞：進入水力旋流器的生產(chǎn)水多少含有污油和泥沙，當(dāng)水力旋流器長時間運行之后，這些污油和泥沙很可能就會堵塞旋流管內(nèi)部細小的孔徑，降低水力旋流器的處理效果。

上述影響因素中，如果改變含油濃度、油滴粒徑、溫度和壓力差，會引起系統(tǒng)波動，使整個生產(chǎn)流程受影響，在實際操作上存在很大的局限性。

旋流管堵塞，是每臺水力旋流器運行一段時間后都會面臨的問題，旋流管溢油口尺寸一般只有2mm左右[6]，在來液中油泥、懸浮顆粒較多的情況下容易堵塞，影響水力旋流器的除油效率。我們通過對水力旋流器工作原理，內(nèi)部結(jié)構(gòu)，外部流程進行分析，通過試驗-改造-再試驗，尋找一種實際應(yīng)用上具有使用價值和經(jīng)濟價值的操作方案，解決旋流管堵塞問題，提高水力旋流器處理效果。

3 水力旋流器在線清洗措施

南海某采油平臺目前日產(chǎn)液45000m3，綜合含水率94.4%，平臺含油生產(chǎn)污水經(jīng)一級分離器處理后（OIW＜150mg/L）進入撇油罐處理（OIW＜50mg/L），再經(jīng)生產(chǎn)水泵增壓進入水力旋流器處理（OIW＜30mg/L），最后進入開排沉箱，污水在開排沉箱以重力流形式流入海里，平臺水處理流程見圖2。

平臺在投產(chǎn)后采取過一系列方法以提高排海生產(chǎn)水質(zhì)量，如增注化學(xué)藥劑、容器擴容、加大設(shè)備開蓋清洗頻率，優(yōu)化維護保養(yǎng)等技術(shù)手段和措施，但收效甚微。平臺排海水OIW月均濃度為17mg/L，流程波動期間外排水質(zhì)變差，超過20mg/L。隨著國家對海洋環(huán)境污染問題治理力度的加大，各項環(huán)評指標(biāo)不斷提升，因而降低平臺生產(chǎn)排海水指標(biāo)成了勢在必行的工作目標(biāo)。

3.1 水力旋流器在線清洗方案一

平臺根據(jù)水力旋流器廠家推薦的在線清洗做法，制定了一套水力旋流器在線反沖洗方案一，

圖2 某采油平臺生產(chǎn)水處理流程

具體過程如下：

（1）關(guān)閉油相出口管線上的閥門NO.5和NO.6（如圖3）；

（2）打開旋流器進口管線至油相旁通管線上的閥門NO.2，此時高壓水通過旋流器油腔經(jīng)旋流管小孔反向進入旋流器水出口線，旋流管中的雜物在反向高壓下被沖走；

（3）為保證更好的反沖洗效果，反沖洗時可反復(fù)開關(guān)反沖洗閥NO.2數(shù)次，利用水力沖擊作用，沖洗堵塞的旋流管溢油小孔；

（4）反沖洗結(jié)束后，恢復(fù)正常流程，調(diào)整PDV開度，PDR控制在推薦值1.8-2.5之間。

圖3 水力旋流器處理流程

3.2 水力旋流器在線清洗優(yōu)化方案二

通過對水力旋流器的工作原理分析，旋流器運行期間大腔室液相處于一個相對穩(wěn)定流態(tài)[7]，流體中攜帶的污油、泥沙等大顆粒物會在腔室內(nèi)沉淀聚集，積累一段時間后會掩埋底部旋流管，現(xiàn)場開蓋清洗時也多次驗證部分旋流管被沙埋。另外部分分散態(tài)油滴及輕質(zhì)顆粒物會在腔室內(nèi)上浮，在頂部聚集[8]，隨時間增加逐漸占滿腔室上部空間，通過現(xiàn)場在線排放，并取樣化驗證實該項分析正確。

基于上述分析結(jié)果，在方案一的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場流程和管線安裝情況，對水力旋流器在線清洗措施進行優(yōu)化，新增一條從水力旋流器大腔室頂部排放至污油罐的管線，如圖4，優(yōu)化后的在線清洗措施如下：

（1）全開油相PDV閥，大水量正向沖洗旋流器油相，將旋流器油腔污油向污油罐排放，沖洗5-8分鐘；

（2）排放腔室頂部污油：打開排放閥NO.8，將旋流器腔室頂部懸浮的污油雜質(zhì)排放至污油罐，排放2-3分鐘，取樣口觀察無污油后關(guān)閥；

（3）清洗旋流管：關(guān)閉油相出口管線上的閥門NO.5和NO.6，打開旋流器進口管線至油相旁通管線上的閥門NO.2，為達到更好的反沖洗效果，反復(fù)開關(guān)閥門NO.2，利用水力沖擊作用力疏通堵塞的旋流管溢油小孔，清洗2-3分鐘；

（4）沖洗腔室底部污泥：打開旋流器腔室至閉排罐的出口閥NO.3和NO.4，沖洗1-2分鐘；

（5）清洗結(jié)束后，恢復(fù)正常流程，調(diào)整PDV開度，PDR控制在推薦值1.8-2.5之間。

圖4 水力旋流器處理流程優(yōu)化改造

4 效果對比分析

針對兩種不同的水力旋流器在線反洗方式，我們在反洗結(jié)束，流程穩(wěn)定后，通過提取水力旋流器水相出口的水樣，化驗水中含油濃度OIW值來分析這兩種反沖洗方案對水力旋流器除油效果的影響。

表1 單臺水力旋流器在線清洗調(diào)試數(shù)據(jù)

結(jié)合表1數(shù)據(jù)和圖5曲線分析，正常工況運行下的水力旋流器，采用方案一或方案二的方法進行在線清洗，均能在一定程度上降低水相OIW濃度，有效解決旋流管堵塞問題，但是方案二的除油效率明顯比方案一高。在確定兩種水力旋流器在線清洗方案均有理想效果后，下一步，確定哪種方案將水力旋流器水相出口OIW值維持在較低的理想值的時間更長。

圖5 兩種水力旋流器在線清洗方案的除油效率（PDR=2.1）

圖6 對比三個在線沖洗周期內(nèi)方案一和方案二的效果

根據(jù)圖6中兩種方案的對比結(jié)果分析，可看出方案二在線清洗結(jié)束后，水力旋流器水相出口OIW能降至一個較低值，之后會緩慢上升，上升速度比方案一慢，上升至20mg/L的時間比方案一長。如果采用方案二的在線清洗方式，可延長水力旋流器的在線清洗周期，減少人員工作量。

5 結(jié)論

（1）水力旋流器旋流管的溢油口較小，尺寸一般只有2mm左右，在懸浮顆粒較多的情況下，容易形成堵塞，導(dǎo)致油水分離效果不佳；

（2）經(jīng)過優(yōu)化改造后的水力旋流器在線清洗措施，對水力旋流器清洗得更全面，可以滿足現(xiàn)場操作要求，保持旋流器處于一個較高的處理效率，將排海水指標(biāo)控制在較低值；

（3）對長時間連續(xù)運行的水力旋流器要進行清洗保養(yǎng)，保持在線清洗和定期停機拆卸清洗的方法相結(jié)合，能有效保護水力旋流器旋流管，維持較好的工況；

（4）海上平臺由于空間受限，維修作業(yè)成本高，水力旋流器開蓋清洗難度大、費用高。方案二的水力旋流器在線清洗方式對海上污水處理具有重要實用價值。目前，我國海上大部分采油平臺上，基本都配備水力旋流器進行污水處理，而環(huán)保部門對生產(chǎn)排海水指標(biāo)要求越來越高，提高水力旋流器的處理效果已成為海上原油生產(chǎn)的瓶頸問題。此操作方法簡單、可行性高、效果明顯，在經(jīng)濟、安全、環(huán)保等方面有重要意義。

◆參考文獻

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