某聯(lián)合站原油脫水除油工藝改進探討

張 磊

安東石油技術(集團)有限公司安東油服DMCC陜西 西安 710065

1 引言

聯(lián)合站的原油處理是油田的關鍵與重要生產環(huán)節(jié),是否可以高效處理運行,直接關系到油田開采生產的綜合效益。隨著油田開采生產行業(yè)要求的不斷提升,如何對聯(lián)合站原油處理工藝進行改進與創(chuàng)新,在滿足正常原油處理條件的基礎上,更加高效化、系統(tǒng)化、低成本化的運行,就顯得至關重要。以聯(lián)合站原油脫水除油工藝為例,傳統(tǒng)的工藝主要采用熱化學沉降脫水。由于該工藝需要消耗大量的天然氣進行加熱,導致原油脫水除油生產成本較高,特別是進入油田開采生產中后期,原油的含水量(通常會達到30%左右)、產液量更大,這不僅會導致生產成本進一步增加,也會導致二級脫水加熱爐超負載運行從而影響處理工藝質量,最終導致處理工藝無法滿足原油進一步處理以及污水排放的標準[1]。以大慶、勝利等我國主力油田為例,隨著進入中、高含水期階段,其出液含水率普遍在80%以上,甚至一些油田的原油含水率高達90%,這不僅加大了原油采出液的處理量,也急劇增加了原油脫水除油的能耗[2-3]。因此,本文將在二級脫水加熱爐前引進一個改進設計的脫水除油一體式旋流器對高含水原油進行脫水除油預處理,并對其脫水除油應用價值進行模擬實驗分析,以期研究成果可以對聯(lián)合站原油脫水除油工藝改進實踐起到一點參考與借鑒價值。

2 脫水除油一體式旋流器改進設計

傳統(tǒng)的二級脫水除油旋流器其內部切向速度衰減相對較小,導致其出口依然存在大量殘留可供繼續(xù)油水脫離的能量,究其原因,這和傳統(tǒng)的二級脫水除油旋流器長徑較小,無法對旋流能量進行充分利用有著密切關系。因此,本文將對常用的旋流器進行改進,改進后的旋流器結構參數如表1所示。

表1 改進后旋流器結構參數

另外,依據相關經驗,將旋流器的結構從單入口調整為雙入口,且采用漸開線入口,并增設圓柱段穩(wěn)流管。

改進后的旋流器,相比傳統(tǒng)旋流器,其切向速度明顯衰減,從10m/s(Z=1.6m處)衰減到2m/s(Z=0.25m處),衰減程度為80%,這意味著改進后的旋流器可以對進料的切向速度進行充分利用,從而最大程度的提升旋流器的油水分離性能。但值得注意的是,由于該改進旋流器軸向長度較長,并增設了圓柱段穩(wěn)流管,致使該改進旋流器雖然上半部分切向速度較大,但是到下半部分時,其切向速度已經變化為軸向速度,最終導致其下半部分油水分離性能不足。

鑒于此,本文進一步在改進后旋流器的內部加設再旋器,將旋流器下半部分的流體軸向速度再次轉變?yōu)榍邢蛩俣?從而讓下半部分再次獲取油水分離能力。通過模擬實驗分析可知,改進后旋流器流體的切向速度在Z=0.93m處開始大幅衰減,故將再旋器安裝在該位置,如圖1所示。

圖1 改進型旋流器再旋器加裝位置

由于本文增加再旋器位置的流體已經具備了一定的切向速度,因此,在設計再旋器時,采用的是以初始螺距開始至目的螺距的漸變螺線,同時增加一段定螺距螺線以及在再旋器裝置中間留有回流孔,以分別維持流體穩(wěn)定性而降低湍流程度、降低再旋器對旋流器上半部分油柱的影響,如圖2所示,其中再旋葉片最終角度為30°,導流葉片數為4。加裝再旋器之后,再旋器位置以上油柱明顯,再旋器位置以下部分存在原油團聚現(xiàn)象,并在再旋器的作用下,團聚的原油會從回流管上行匯入再旋器位置以上的油柱,而且再旋器上下兩部分存在明顯不連續(xù),這是因為再旋器使用了較為復雜的非結構網絡劃分結構,使得結構相對簡單的旋流器在再旋器位置出現(xiàn)了交換面。

圖2 再旋器再旋螺旋面示意圖

綜上所述,本文所設計脫水除油一體式旋流器結構參數如表2所示,即使用漸開線式對稱雙入口,增設圓柱段穩(wěn)流管,并在0.93m軸向位置加裝導葉式再旋器。

表2 脫水除油一體式旋流器結構參數

3 脫水除油一體式旋流器的油水分離性能分析

為了探究將脫水除油一體式旋流器引進聯(lián)合站原油脫水除油處理工藝的油水分離性能,本文對不同處理量下的脫水除油一體式旋流器油水分離效率進行了模擬實驗分析,即分別將處理量設置為3m3/h、4m3/h、5m3/h、6m3/h、7m3/h,然后對脫水除油一體式旋流器的油水分離性能進行實驗分析,分析結果如圖3所示。

從圖3可以看出,隨著處理量的增加,脫水除油一體式旋流器的油水分離效率呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢,在處理量為3m3/h時其油水分離效率最差,低于88%,然后隨著處理量的增加其油水分離效率呈線性增加,在處理量為6m3/h時其油水分離效率達到最高,為96.67%,但當處理量為6m3/h時,此時油水分離效率開始出現(xiàn)緩慢下降趨勢。

圖3 不同處理量下的脫水除油一體式旋流器油水分離效率

這是因為當處理量過小時,旋流器的內流場不穩(wěn)定,導致油水分離效果很差,隨著處理量的提高,脫水除油一體式旋流器內流體的切向速度就會隨之增加,從而有效促進油水的分離,但是當切向速度超過一定的數值界限時,容易導致高含水量原油油水乳化,特別是在加裝再旋器的影響下,油水乳化現(xiàn)象會容易加劇,從而導致油水分離性能的下降。這是因為當高含水原油處理量增加到6m3/h以上時,會導致脫水除油一體式旋流器內速度過大,從而導致湍流強度過大,最終引發(fā)油水乳化現(xiàn)象。

總而言之,脫水除油一體式旋流器擁有一個最佳的工作工況與最合適的處理量,本文所改進設計原油脫水除油一體式旋流器的最佳的操作參數是6m3/h,入口含油30%,底流口出料含油1%,脫水除油效率達到了96.67%,使得處理后的原油可以更好的進行下一步的處理,最大程度的降低原油處理成本,并且使得處理后的污水含油率極低,符合污水排放標準。

以含水率為例,脫水除油一體式旋流器預處理后的原油含水率遠低于3%-5%的標準,這樣在后續(xù)的換熱負荷、破乳劑費用、動力費用方面分別節(jié)省85%-95%、40%-50%、60%-70%,從而顯著的降低聯(lián)合站原油脫水工藝的能耗[4]。

綜上所述,將脫水除油一體式旋流器引進聯(lián)合站原油脫水除油處理工藝,不僅可以顯著降低原油脫水除油處理的生產成本,使得能耗更低,給聯(lián)合站贏得經濟效益,而且顯著提升原油脫水除油處理效率,提升油水分離性能,使得底口出料的含水率、含油率符合原油進一步處理以及污水排放標準,最大程度的為聯(lián)合站帶來更高的循環(huán)利用環(huán)境效益,具有極高的應用價值。

4 結論

綜上所述,本文在某聯(lián)合站原油脫水除油工藝的基礎上,首先對脫水除油除油器進行了改進與優(yōu)化,且通過再旋器的安裝位置、回流孔直徑、導流葉片結構參數進行了進一步的改進優(yōu)化設計,形成全新的脫水除油一體式旋流器,并將脫水除油一體式旋流器這一操作方便、流程簡單、更加綠色的改進設備引進某聯(lián)合站原油脫水除油處理工藝,不僅可以顯著降低原油脫水除油處理的生產成本,使得能耗更低,給聯(lián)合站贏得經濟效益,而且顯著提升原油脫水除油處理效率,提升油水分離性能,使得底口出料的含水率、含油率符合原油進一步處理以及污水排放標準,最大程度的為聯(lián)合站帶來更高的循環(huán)利用環(huán)境效益?？傊?將脫水除油一體式旋流器引進聯(lián)合站原油脫水除油處理工藝,可以全面提升聯(lián)合站原油生產處理的綜合效益,值得推廣與應用。