氣浮選器溶氣裝置升級改造

梁波

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司，天津 300452)

氣浮選器是石油化工企業(yè)中重要的生產(chǎn)水處理設(shè)備，氣浮選器其基本原理就是向生產(chǎn)水中通入空氣、氮氣或天然氣等氣體，并在生產(chǎn)水中行成微小的氣泡，水中的微小顆粒雜志、懸浮物、乳化油等污染物可以以氣泡為載體粘附在這些微小的氣泡上，利用密度低自然上浮的原理上浮到水面，從而實現(xiàn)凈化水質(zhì)的目的[1]。按照產(chǎn)生氣泡工藝的不同可以將氣浮工藝分為布?xì)鈿飧?、溶氣氣浮、加壓溶氣氣浮等種類。渤海某油田FPSO所采用氣浮裝置為溶氣氣浮，但由于設(shè)備設(shè)計不合理等原因產(chǎn)生了噴射的氣泡過大的現(xiàn)象，同時氣泡的過大造成了氣浮選器液位的大幅波動，因此處理效果反而不理想。為提升氣浮選器的處理能力，決定在現(xiàn)有氣浮選器結(jié)構(gòu)組成基礎(chǔ)上進行升級改造，同時分析其在不同工況下的處理效果，從而滿足油田生產(chǎn)水處理的需求。

1 氣浮選器運行過程分析

1.1 氣浮選器運行過程

氣浮選器內(nèi)部主要由進水區(qū)、氣浮區(qū)、收油區(qū)、出水區(qū)、液位監(jiān)測系統(tǒng)及氣浮循環(huán)泵等幾大部分組成，原始設(shè)計采用噴射式誘導(dǎo)氣浮機，原理見圖1。噴射器作為噴射式誘導(dǎo)氣浮機的核心部件能夠利用水為動力將氣介質(zhì)導(dǎo)入水中并使之破碎成氣泡[2]。噴射器具體工作原理見圖2。

圖1 氣浮選器工作原理示意

圖2 噴射器工作原理示意

高速水流由噴嘴射入，在吸入室產(chǎn)生一定的負(fù)壓將氣體吸入，氣體在氣與液體粘滯特性作用下，被射流從吸入室?guī)牖旌鲜?，這時氣體與液體作相對運動，且均為連續(xù)相，液體表面由于受到氣體的摩擦，表面產(chǎn)生表面波，流動變得不穩(wěn)定；液體表面的表面波振幅不斷增大，導(dǎo)致液體逐漸被剪切，最后破碎成小顆粒，與氣體一起進入混合段；被剪切成小顆粒的液體和氣體在混合段相互摻混，形成相對穩(wěn)定的氣液乳狀液。

1.2 存在的問題

由于經(jīng)噴射器形成的氣液混合介質(zhì)中氣泡較大，因此上升過程中極易破碎并形成強紊流，從而引起液位監(jiān)測系統(tǒng)所監(jiān)測的液位大幅波動，造成流程運行狀態(tài)不平穩(wěn)[3-4]。經(jīng)過對操作壓力、溶氣制備系統(tǒng)回流比例、氣水溶解比例等相關(guān)參數(shù)的試驗優(yōu)化，依舊不能使氣浮選器處于平穩(wěn)的運行狀態(tài)。

為保障油田實現(xiàn)“注好水、注夠水、優(yōu)質(zhì)注水，滿足油田提液穩(wěn)產(chǎn)”的目標(biāo)，需要提升氣浮選器的處理效果，減輕下游生產(chǎn)水處理設(shè)備核桃殼過濾器的處理壓力，同時進一步減少化學(xué)藥劑的使用量，增強流程的抗波動能力。決定對氣浮選器罐內(nèi)及罐外設(shè)備進行升級改造，拆除原有氣浮循環(huán)泵，安裝微氣泡發(fā)生裝置及各配套設(shè)備，提升立式氣浮的處理效果并恢復(fù)其氣浮功能。

2 工藝改造及運行參數(shù)優(yōu)選

2.1 氣浮選器裝置工藝改造

2.1.1 微氣泡發(fā)生裝置改造

將原噴射器拆除，改用微氣泡發(fā)生裝置制備溶氣水，改造后氣浮選器設(shè)備及工作流程見圖3。從氣浮選器出水區(qū)取適量水作為溶氣水的水源，設(shè)備撬外氣源增壓后引入氣體注入器，利用水流的高速切割機理生成高濃度的溶氣水，其中一部分氣體快速溶入水體中，而更多的過飽和游離氣體以細(xì)小氣泡形式存在，并隨水流帶入微氣泡配水腔，在導(dǎo)流裝置引流下，經(jīng)旋流穩(wěn)定后流入加速區(qū)，旋流水流中的大氣泡被切割成細(xì)小的氣泡，水層中的細(xì)小氣泡在離心力的作用下向旋流中心移動，大氣泡在離心力和浮力作用下至排放口排出，經(jīng)多次切割后的微細(xì)氣泡均勻的分布于水體中，由進水管道送入氣浮選器與含油來水接觸混合。

圖3 改造后氣浮選器工作流程

2.1.2 溶氣水制備系統(tǒng)改造

由于流程運行過程中流量一直處于變化狀態(tài)，因此為了達到處理的最佳效果，回流水量及溶氣量也應(yīng)處于動態(tài)變化的狀態(tài)。為了實現(xiàn)這一目的，對溶氣水制備系統(tǒng)流程進行如下改造。

1)合理調(diào)整進氣量。在氣源處加入一PCV，首先保證進氣壓力的穩(wěn)定性，其次在氣源管線上增加一FCV閥門，并將該閥門設(shè)置成3種調(diào)節(jié)狀態(tài)(人為輸入固定閥開度、設(shè)定固定流量閥門開度自動調(diào)節(jié)、根據(jù)水量自動折算需供氣量閥門自動調(diào)節(jié))，在實際應(yīng)用中可根據(jù)實際流程情況自行改變調(diào)節(jié)方式，從而實現(xiàn)流程調(diào)節(jié)的人性化、自動化。

2)合理調(diào)整氣浮循環(huán)泵回流水排量。為了在滿足流程工況的需求現(xiàn)場對回流水量進行多次測試，當(dāng)進水量在一定范圍內(nèi)波動時，調(diào)節(jié)氣浮循環(huán)泵排量在一固定值時，能夠保證氣浮選器的處理效果，當(dāng)有流程調(diào)整導(dǎo)致氣浮選器入口水量變化較大時，可根據(jù)已有測試結(jié)果手動調(diào)節(jié)氣浮循環(huán)泵出口閥門開度。

2.1.3 氣源改造

根據(jù)現(xiàn)場情況，使用天然氣作為氣源時施工簡便且氣源供氣量充足并壓力穩(wěn)定，但使用天然氣時會伴隨有少量液態(tài)烴的存在，會造成加入溶氣水后反而水質(zhì)變差的情況。為了解決這一問題，在現(xiàn)場改造過程中設(shè)計2種方案。

1)為了最大程度去除天然氣中存在的各種雜質(zhì)、污物、液態(tài)烴等，改造過程中在氣體入口前增加了氣體過濾器，用以去除氣體中的油滴、粉塵、管道銹渣等。

2)在改造過程中加入氮氣一路作為備用氣源，當(dāng)FPSO氮氣用戶較少時可以選擇氮氣作為溶氣氣源。

同時為保持氣浮選器在設(shè)定壓力下工作，罐體頂部設(shè)置欠壓補氣閥和過壓排氣閥，均為自力式調(diào)節(jié)閥。

2.1.4 氣浮選器內(nèi)部結(jié)構(gòu)改造

在收油區(qū)增加擋板加快收油效率，進液管線上增加彎管使罐內(nèi)產(chǎn)生弱旋流，同時增加入口溶氣水釋放口和溶氣水釋放管，使同一平面內(nèi)釋放的微細(xì)氣泡均勻分布，出水區(qū)增加出水擋板建立清水區(qū)域，與出水口形成緩沖空間，同時將出水管路和回流水管路內(nèi)向延伸，使出水口位于清水區(qū)上層，避免與排污口干擾[5]。

2.2 氣浮選器運行參數(shù)優(yōu)選

氣浮選器相關(guān)工藝設(shè)備管線改造后，為了使氣浮選器達到最佳處理效果，結(jié)合微氣泡發(fā)生裝置設(shè)計原理，決定通過調(diào)整微氣泡發(fā)生裝置進氣量、進氣壓力，以及回流水比例(氣浮循環(huán)泵流量與氣浮選器處理水量之間的比值，其中氣浮選器處理水量基本為一定值)3個參數(shù)來觀察不同工況下氣浮選器出口水質(zhì)情況。

2.2.1 試驗數(shù)據(jù)匯總

在試驗過程中，分別在不同工況條件下維持4 h，并每間隔1 h進行取樣化驗生產(chǎn)水中含油情況，含油越少說明氣浮選器處理效果越好，最終取4 h化驗結(jié)果平均值作為該工況條件下氣浮選器出口水質(zhì)進行對比分析。

最終匯總得到表1。

2.2.2 試驗數(shù)據(jù)分析

通過對表1內(nèi)數(shù)據(jù)的匯總分析，將不同工況下氣浮選器出口水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果繪制成圖4。

表1 不同工況下氣浮選器出口水質(zhì)記錄表

圖4 不同工況下氣浮選器出口水質(zhì)監(jiān)測對比

由圖4可以明顯看出，隨著進氣量的不斷增加，氣浮選器出口水中含油值逐漸降低，直到進氣量達到8 m3/h后，氣浮選器處理效果達到最佳狀態(tài)，當(dāng)進氣量增加到9 m3/h后，氣浮選器出口水中含油值又再次升高。

通過分析溶氣水產(chǎn)生原理及現(xiàn)場取樣觀察微氣泡發(fā)生器出口溶氣水狀態(tài)可以對這一現(xiàn)象進行解釋：當(dāng)進氣量過低時，大部分氣體都能夠通過旋流、剪切等作用在生產(chǎn)水中行成穩(wěn)定的微氣泡，但由于進氣量的不足，會導(dǎo)致微氣泡的濃度偏低，不能將生產(chǎn)水中的所有懸浮物、微小顆粒等雜質(zhì)與微氣泡粘附上浮，因此雖然氣浮選出口水質(zhì)不能達到最佳狀態(tài)；當(dāng)進氣量過大時，會導(dǎo)致微氣泡發(fā)生器中所形成的微氣泡濃度過大，在此部分溶氣水經(jīng)過管線進入氣浮選器的過程中，增加了微氣泡間碰撞融合的幾率，從而使氣浮選器內(nèi)的微氣泡體積過大，相對應(yīng)的其比表面積減小，因此不能充分發(fā)揮其微氣泡的作用。

圖4表明，目前工況下最佳進氣量為8 m3/h，但通過此圖很難看出回流水比例及進氣壓力對氣浮選器出口水中含油的影響，因此，將進氣量為8 m3/h的試驗數(shù)據(jù)單獨抽出進行作圖對比，見圖5。

圖5 不同進氣壓力及回流水比例工況下氣浮選器出口水質(zhì)監(jiān)測對比

由圖5明顯看出，當(dāng)進氣壓力為750 kPa時，氣浮選器出口水質(zhì)最好，橫向?qū)Ρ群笥挚梢钥闯霎?dāng)回流水比例為0.9%時氣浮選器處理效果最佳。這主要時因為進氣壓力過低時，氣體不能夠與生產(chǎn)水進行充分的混合，因此會影響微氣泡的形成，但當(dāng)進氣壓力過高后，在微氣泡發(fā)生器內(nèi)所產(chǎn)生的旋流擠壓作用會更強，從而影響微氣泡的穩(wěn)定存在；回流水的比例影響著微氣泡的濃度，當(dāng)回流水比例過低時會導(dǎo)致微氣泡發(fā)生器出口進入氣浮選器內(nèi)的溶氣水總量過低，因此影響處理效果，當(dāng)回流水比例過高時，由于微氣泡發(fā)生器裝置本身的容積限制，會導(dǎo)致溶氣水在微氣泡發(fā)生器內(nèi)的滯留時間變短，不能達到穩(wěn)定的溶氣水狀態(tài)，因此也會影響微氣泡的穩(wěn)定存在。

2.2.3 最佳工況確定

通過上述分析可知，當(dāng)進氣量為8 m3/h、進氣壓力為750 kPa、回流水比例為0.9%時氣浮選器出口水中含水達到最低狀態(tài)，氣浮選器處理效果最佳。

3 結(jié)論

通過對氣浮選器溶氣水制備系統(tǒng)、氣源、氣浮選器內(nèi)部結(jié)構(gòu)等工藝設(shè)備的改造，恢復(fù)了氣浮選器的氣浮功能，增強了其生產(chǎn)水處理效果。同時在運行過程中對不同工況下的氣浮選器處理效果進行了測試試驗，最終得出其最佳運行工況。氣浮選器的運行狀況表明，改造后的溶氣水制備系統(tǒng)運行狀態(tài)良好，達到了其設(shè)計的溶氣狀態(tài)，降低了下游生產(chǎn)水處理設(shè)備的壓力，保障了油田的注水水質(zhì)。所實施的設(shè)備改造內(nèi)容對其他類似生產(chǎn)水處理設(shè)備的升級改造有借鑒意義，在后續(xù)設(shè)備處理能力提升上，可繼續(xù)從溶氣水的制備效果上著手，進一步研究溶氣水狀態(tài)對生產(chǎn)水處理效果的影響。