油田污水處理加藥撬一體化設計

宋宇宸 岳 巍 王志會 游 宇

（1.中國寰球工程有限公司北京分公司；2.中國寰球工程有限公司）

在海外EPC（工程總承包）項目中，通常會采用一體化設計的成套設備以降低切割焊接、散件組裝和土建施工的工作量，縮短項目建設工期和設備調(diào)試時長，成套設備在出廠前已經(jīng)完成預制和檢驗，設備完整性和性能穩(wěn)定性均得到有效保障［1］。

南美洲某油氣田地面工程EPC 項目的污水處理工藝中，以絮凝劑加藥撬為代表的多個單元均采用成套設備。 加藥撬是油田污水處理工藝中常用的成套設備，其主要功能為向特定的工藝管線或工藝設備中連續(xù)或定時、定量地注入各類化學藥劑，輔助凈化和穩(wěn)定污水的水質(zhì)以確保后續(xù)污水處理工序的效率［2］。因此，提升加藥撬加藥的平穩(wěn)性和安全性對油田污水處理效果有十分重要的意義［3］。

1 加藥流程

該加藥撬用于加注Core Shell 71303 絮凝劑，絮凝劑濃度0.2%～1.0%，設計加藥量0.22 g/min，操作排出壓力1.00 MPa，操作溫度100 ℉（1 ℉=5/9 K）。 Core Shell 71303 絮 凝 劑 是 美 國Nalco Water 公司生產(chǎn)的一種用來提升壓濾式和離心過濾式污泥脫水效果的高分子絮凝劑，呈白色粉末狀，主要通過絮凝劑溶解后形成的帶有正電性的基團和水中帶有負電性的雜質(zhì)相互影響破壞雜質(zhì)分子的穩(wěn)定性，進而絮凝劑和雜質(zhì)分子發(fā)生聚合反應產(chǎn)生絮凝團塊，可通過絮凝沉降、浮選、壓濾式及離心過濾式等物理分離方法去除污水中的絮凝團塊［4］。

出于對系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性的考慮，將加藥流程設計為可互為備用的3 條線（圖1），絮凝劑通過氣動卸料泵注入加藥罐，同時向加藥罐注入新鮮水，通過控制、調(diào)節(jié)絮凝劑和新鮮水的注入流量比例使加藥罐內(nèi)藥劑溶液的濃度穩(wěn)定控制在0.2%～1.0%。 每個加藥罐內(nèi)均配置一臺攪拌器，攪拌器與進料聯(lián)鎖啟動對絮凝劑溶液進行混合并促進其熟化（每次熟化時間不小于30 min）。熟化后的絮凝劑排出加藥罐，經(jīng)過Y 形過濾器過濾掉雜質(zhì)后，通過計量泵進行加藥。 計量泵出口管路上設置安全閥，以便絮凝劑在管路出現(xiàn)故障時經(jīng)安全閥返回加藥罐。

圖1 加藥流程示意圖

3 條加藥線交替加藥，加藥過程為連續(xù)注入。一條線加藥時， 其他兩條加藥線進行準備和熟化，保證藥劑在加藥前有充足的熟化時間；當某一條加藥線出現(xiàn)故障或檢修維護時，其他兩條加藥線依然可以交替工作， 保障系統(tǒng)連續(xù)運行、整個工藝單元的操作穩(wěn)定。

2 關鍵設備

加藥撬主要包括的設備和元件如下：

a. 轉動設備。 氣動卸料泵、雙隔膜計量泵及槳葉式攪拌器等。

b. 檢測儀表。壓力表、壓力變送器、壓差變送器、磁翻板液位計及液位變送器等。

c. 管路和閥門。入/出口管匯、球閥、安全閥及止逆閥等。

d. 儀表/電路系統(tǒng)。電源分配箱、信號接線箱、變壓器、防爆穿線管及穿線盒等。

e. 控制系統(tǒng)。 控制面板等。

f. 其他設備。 加藥罐、Y 形過濾器、脈動阻尼器及軟連接等。

2.1 計量泵

隔膜式計量泵通過柔性隔膜片動作完成吸入和排出過程并隔離輸送介質(zhì)與驅(qū)動潤滑機構，避免兩者相互污染［5］。其中，雙隔膜計量泵相比單隔膜計量泵，在隔膜片破裂時，輸送介質(zhì)不會泄漏，非常適用于加藥撬。

本項目中，雙隔膜計量泵的設計流量為0.22 g/min，計量精度1%，設計排出壓力1.17 MPa，設計溫度185 ℉。根據(jù)Core Shell 71303 絮凝劑的物性數(shù)據(jù)要求，泵體材料采用316L 不銹鋼，隔膜片材料選用聚四氟乙烯，配套的止逆閥采用聚四氟乙烯或環(huán)氧涂層彈簧。 計量泵沖程需滿足不停機狀態(tài)下手動調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)沖程來改變工作室容積，進而調(diào)節(jié)計量泵的操作流量，計量泵自帶壓差變送器用于監(jiān)控隔膜片破裂狀況。

2.2 磁翻板液位計

磁翻板液位計是一種現(xiàn)場實時指示型儀表，根據(jù)連通器原理，其旁通浮筒內(nèi)的永磁鋼浮子的高度與容器內(nèi)的被測液位高度一致［6］，旁通浮筒外部設置一排正反兩面涂有不同顏色（通常為紅色和白色）的磁性翻片指示器，當液位升降時浮子在磁性耦合作用下帶動磁性翻片實時翻轉［7］，指示器兩種顏色的交界處可清晰指示出液位高度［8］。 磁翻板液位計可以通過自身結構實現(xiàn)測量介質(zhì)與指示部件間的隔離［9］，與測量介質(zhì)接觸一側可選用高標號材料或做內(nèi)襯涂層處理，有效防止泄漏，密封性能好，可用于具有毒性或腐蝕性介質(zhì)的液位測量［10］，可靠性高、測量范圍大、抗振性好且顯示直觀醒目［11］。

2.3 脈動阻尼器

具有周期性工作特點的計量泵，對系統(tǒng)管路與設備會產(chǎn)生脈動式?jīng)_擊，造成系統(tǒng)中的局部振動和原動機負載不均勻，引發(fā)系統(tǒng)停機故障或生產(chǎn)事故［12］。 因此，計量泵的出口管路上必須設置脈動阻尼器，以保證出口管路的流量和壓力連續(xù)且穩(wěn)定，并有效消除管路振動［13］。

脈動阻尼器是一種內(nèi)部被彈性隔膜分為上下兩個工作室的承壓容器， 上室充裝惰性氣體，下室通過介質(zhì)，結構形式如圖2 所示［14］。 脈動阻尼器安裝在計量泵出口管路上，根據(jù)設計要求調(diào)節(jié)合適的預充壓力， 當計量泵為排出過程時，隔膜被輸送介質(zhì)擠壓不斷向上運動，壓力變化轉化為隔膜的彈性勢能，使隔膜兩側的壓力逐漸趨于平衡［15］；當計量泵為吸入過程時，隔膜被脈動阻尼器上室中氣體擠壓不斷向下運動，隔膜的彈性勢能逐漸釋放［16］。 通過脈動阻尼器上室中氣體的可壓縮性來吸收輸送介質(zhì)的脈動，獲得更加穩(wěn)定的輸送介質(zhì)流量和壓力，從而抑制管路振動。

圖2 脈動阻尼器

3 自動化設計

加藥撬自動化設計的關鍵是可以滿足無人值守管理，系統(tǒng)可以自動操作和自動診斷［17］，具體做法是在計量泵出口管路上安裝壓力變送器，在加藥罐上安裝液位變送器，計量泵配置壓差變送器。各類變送器采集的信號均以4～20 mA 的標準信號形式一同傳輸給控制面板，控制面板對信號進行分析并控制執(zhí)行機構動作，同時通過以太網(wǎng)通信模塊將系統(tǒng)運行狀況傳輸?shù)饺珡SDCS 進行顯示［18］。

當某路加藥線中的加藥罐液位超過設定的液位上限時，該路的絮凝劑氣動卸料泵和新鮮水注入被自動關斷；當某路加藥線中的加藥罐液位超過設定的液位下限時，該路的計量泵自動停止加藥，并切換其他加藥線進行加藥；當計量泵出口壓力超過設定的高限壓力時，自動關斷該計量泵，并在控制面板報警且顯示停泵時間；計量泵的隔膜片破裂時，自動關斷該計量泵，并在控制面板報警且顯示停泵時間［19］。

4 一體化設計

一體化設計是一種集成化的設計方法，其目的是形成可以完成某種具體工藝功能的獨立單元，單元內(nèi)的所有制造組裝、配管接線及控制等工作均在制造工廠完成，整體布置緊湊，現(xiàn)場施工簡便［20］。

本項目中加藥撬采用一體化設計。 如圖3 所示，所有設備和元件集成并用螺栓安裝在一個用結構鋼制作的撬座上，所有界區(qū)管口全部延伸到鋼結構撬邊，整個系統(tǒng)形成一個邊界清晰且具有專有功能的黑箱模塊，模塊可以整體運輸，現(xiàn)場無組裝和焊接工作量。 撬座在現(xiàn)場使用地腳螺栓固定，施工人員需要根據(jù)定位尺寸提前做好地基和開孔預埋，設備整體到貨并吊裝定位后僅需完成兩次灌漿和5 個界區(qū)管口與界區(qū)外管線的連接。

圖3 加藥撬構成示意圖

加藥撬采用整體供貨，可以保證設計的整體性和嚴格的整體功能測試，有效避免單臺設備或元件安裝不當造成的滲漏、不匹配以及儀表調(diào)試不準確等問題，設備界面簡潔清晰，從而避免責任劃分和貿(mào)易糾紛風險，有效簡化采購檢驗流程并縮短供貨周期；成撬廠商具有豐富的項目實施經(jīng)驗，可以提供良好的后期維護和售后服務全套方案。

5 結束語

筆者介紹了可以滿足海外油氣田地面工程EPC 項目要求的加藥撬工藝流程與設計方法，著重評述自動化和一體化的設計要點。 該加藥撬建成投產(chǎn)后， 絮凝劑濃度控制與熟化程度良好，加藥過程平穩(wěn)且達到設計加藥量0.22 g/min， 在單線出現(xiàn)故障的情況下依然可以保持正常加藥，并通過報警信號提示操作人員維修，能滿足無人值守管理的要求。 加藥撬一體化設計的理念和方法可為其他工程公司執(zhí)行類似項目提供借鑒和參考。