原油儲罐自動脫水器選型研究

杜 娟 孫潤林 蔣志明 王 閣

中國石油工程建設有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 前言

原油在開采、運輸、裝卸的過程中都會帶入水[1],當原油進入儲罐長期儲存后,部分水會沉降在儲罐底部,出現(xiàn)油水分層,分層后水分不但會腐蝕儲罐底板[2],還可能會進入常減壓裝置,污染管線;而且水被加熱氣化后會加速膨脹,導致裝置沖塔和著火。根據(jù)GB 36170—2018《原油標準》規(guī)定,原油水含量(質(zhì)量分數(shù))要求在0.50%～2.00%之間,因此為了使原油水含量合格,必須對原油進行脫水。多年來石化行業(yè)原油儲罐[3]脫水采用人工手動操作,跑、冒、滴、漏情況時常發(fā)生[4],污染環(huán)境且存在安全隱患,工人操作強度也大[5]。本文從自動脫水器的脫水原理和結構出發(fā),研究原油儲罐如何選擇自動脫水器。

1 原油儲罐脫水方式

原油儲罐脫水一般有手動脫水和自動脫水兩種方式。手動脫水一般使用雙閥控制,將油品排入油罐附近的脫水池中,具體工藝流程見圖1。判定脫出水分中是否含油的方式一是靠聲音[6],水和油落到池中的聲音不同;二是靠觀察,水滴落到地上是珠狀,油會快速滲透呈發(fā)散型;三是靠氣味，水中油量增大時，油氣味變重;四是靠顏色,通過脫水管道上的視鏡觀察顏色。手動脫水方式主要依靠經(jīng)驗判斷水分是否脫完,所以始終無法避免在脫水時會帶出油品[7],油氣和硫化氫等有毒有害氣體會對人體造成傷害,且安全隱患大[8],再加上原油周轉(zhuǎn)量大,作業(yè)時還要避開雷電下雨等不利天氣,脫水作業(yè)強度大。

自動脫水方式按照GB 50074—2014《石油庫設計規(guī)范》和SH/T 3007—2014《石油化工儲運系統(tǒng)罐區(qū)設計規(guī)范》的規(guī)定設置。自動脫水器能做到有水自動脫,脫完自動停[9],目前的脫水器產(chǎn)品脫水量約15～25 t/h,通過設置脫水器的參數(shù)也可調(diào)節(jié)脫水油含量。在通信方面,自動脫水器的工作狀態(tài)參數(shù)能通過RS485通信上傳到工廠操作室,方便操作工觀察脫水狀態(tài)[10],有助于提高罐區(qū)自動化管理水平[5]。

通過上述對比,從有利于生產(chǎn)作業(yè)及安全角度出發(fā),推薦原油儲罐脫水方式選用自動脫水。

圖1 手動脫水工藝流程圖Fig.1 Flowchart of manual dehydration process

2 自動脫水器脫水原理

目前工業(yè)化自動脫水器產(chǎn)品的脫水原理一般是利用油水的特性差異脫水[11],見表1。

表1 自動脫水器脫水原理分析表

3 自動脫水器結構

3.1 分類

根據(jù)結構和設計原理分類，當前市場應用較多的自動脫水器類型主要有緩沖罐式、罐壁安裝式和管道式[13]自動脫水器,見圖2。

圖2 自動脫水器分類圖Fig.2 Flowchart of classification of automatic dewatering system

3.2 緩沖罐式自動脫水器

緩沖罐式自動脫水器的設計原理一般有機械浮球式、微波式、射頻導納式和超聲波式,其中機械浮球式最常用,因為在眾多油水特性中,密度差最明顯易測。該類型的脫水器在儲罐外有單獨的緩沖罐,緩沖罐設有進水口和排水口,內(nèi)部由浮球、杠桿、閥芯和配重等組成。油水在緩沖罐內(nèi)進行二次沉降,隨著油水界面不停變化,浮球受浮力的作用上升或下降,通過連接桿帶動閥芯開啟或關閉排水口[14]。緩沖罐式自動脫水器工藝流程見圖3。

圖3 緩沖罐式自動脫水器工藝流程圖Fig.3 Process flowchart of buffer tank type automatic dewatering system

機械浮球式緩沖罐式自動脫水器主要靠油水二次沉降后形成穩(wěn)定的油水界面后脫水,因此緩沖罐必須安裝在穩(wěn)定堅固的基礎上,且比油罐罐底標高低[15],因此密度差越大,脫水速度越快,停留時間越短,脫水油含量越高。本文分別統(tǒng)計了5個原油油庫的原油基礎參數(shù),見表2。從表2可知,原油來源不同,其密度、黏度等變化范圍很大[16-17],一般原油密度可以從760 kg/m3到980 kg/m3,再加上油水之間存在乳化層,上層是油包水,下層是水包油,沉降再久也不容易界面清晰[18],因此機械浮球式緩沖罐式自動脫水器很難脫除和水密度相近的原油[11],對于油水分層明顯的清潔輕質(zhì)油品,建議選用不易受乳化層影響、油中水含量易于檢測的機械浮球式緩沖罐式自動脫水器。

表2 原油基礎參數(shù)表

3.3 罐壁安裝式自動脫水器

罐壁安裝式自動脫水器一般分為微波式和射頻導納式,目前微波式工業(yè)化產(chǎn)品較為成熟。微波式罐壁安裝式自動脫水器是指利用微波能量吸收技術,檢測油中水含量,將界位探測針插入罐內(nèi),探測針尖端發(fā)射高頻能量,利用電子控制電路探測水和油吸收的能量值。水比油導電性強,吸收能量多,因此當探測范圍內(nèi)水越來越多時,探測到的信號值越來越大[19]。微波式罐壁安裝式自動脫水器原理見圖4,控制工況見表3。

圖4 微波式罐壁安裝式自動脫水器原理圖Fig.4 Schematic diagram of microwave tankwall-mounted automatic dewatering system

表3 微波式罐壁安裝式自動脫水器控制工況表

在儲罐罐壁不同高度安裝兩個探測針,對照控制面板上的油、水、報警三種指示燈,實現(xiàn)遠程脫水。當高低位探測針同時檢測到水時,水燈亮,切水控制閥自動打開;當高位探針檢測到油,低位探針檢測到水時,油燈亮,切水控制閥自動關閉;當高位探針檢測到水,低位探針檢測到油時,油燈亮,報警燈亮,提示操作人員現(xiàn)場檢查設備是否異常。

微波式罐壁安裝式自動脫水器的缺點是傳感器只對水敏感,對油不敏感,而且與機械浮球式緩沖罐式自動脫水器類似,需要油水界面清晰,一旦被乳化層誤導,容易導致脫除的水中含油[11],并且探測針只能檢測導電率較高的水質(zhì),同時整個脫水系統(tǒng)價格高,因此不利于推廣應用[12]。

3.4 管道式自動脫水器

管道式自動脫水器一般有超聲波式、微波式和液柱諧振式。鑒于超聲波和微波式都需要穩(wěn)定的油水界面,以下重點討論液柱諧振式。液柱諧振式管道式自動脫水器主要是在介質(zhì)流動的過程中,檢測水中的油含量,因此液柱諧振式管道式自動脫水器的傳感器對油敏感,而不是對水敏感，其結構圖見圖5。

圖5 液柱諧振式管道式自動脫水器結構圖Fig.5 Schematic diagram of liquid column resonance typepipeline automatic dewatering system

液柱諧振式管道式自動脫水器由主體、液位傳感器、前傳感器(前傳感器配主控制器)、后傳感器(后傳感器配從控制器)、脫水調(diào)節(jié)閥等組成。當水中油含量增多或減少時密度和黏度會發(fā)生變化,因此諧振頻率和振幅也會變化,在一定溫度下,傳感器的振幅越大,脫出的水分越干凈,振幅越小,水中油含量越多[7]。

液柱諧振式管道式自動脫水器的安裝位置低于油罐罐底,當油罐底部含水時,水會自動進入脫水器[13]。當前后傳感器都檢測到水(水中油含量達到排放要求)時,脫水調(diào)節(jié)閥打開。當前傳感器檢測到油量超標時,主控制器的輸出電流關閉脫水調(diào)節(jié)閥;當后傳感器檢測到油量超標時,輸出開關節(jié)點信號,開關節(jié)點斷開,關閉脫水調(diào)節(jié)閥的氣源或電源。閥門關閉后,油水在脫水器內(nèi)分層,油回到儲罐,水進入脫水器,當水沉淀達到一定量時再次進入脫水管道并循環(huán)之前的步驟進行脫水作業(yè)。

液柱諧振式管道式自動脫水器的優(yōu)點是不需要穩(wěn)定的油水界面,而是直接測水流動過程中的油含量。當兩個傳感器都檢測到水時,才打開脫水閥,當任何一個傳感器檢測到油時,都會關閉脫水閥[4],而且當脫水器進入休眠狀態(tài)時不檢測、不加熱、關閥關氣,節(jié)約能耗。液柱諧振式管道式自動脫水器現(xiàn)場安裝圖見圖6。

圖6 液柱諧振式管道式自動脫水器現(xiàn)場安裝圖Fig.6 Installation diagram of liquid column resonancepipeline automatic dehydrator

根據(jù)GB 31570—2015《石油煉制工業(yè)含油廢水排放標準》規(guī)定,加工單位原(料)油基準排水量為0.5 m3/t原油,環(huán)境承載能力及生態(tài)脆弱等地,加工單位原(料)油基準排水量為0.4 m3/t原油,油庫污水處理廠根據(jù)國家標準確定各排污點油含量上限值,因此脫水器的脫水效果由脫除水分中的油含量指標來驗證。通常油庫污水處理廠可接受的油含量一般在500 mg/L以內(nèi)[20]。四川某油庫原油儲罐1在改用液柱諧振式管道式自動脫水器后收集到的有效數(shù)據(jù)見表4。

表4 某油庫原油儲罐液柱諧振式管道式自動脫水器水樣分析數(shù)據(jù)表

與人工手動脫水的油含量1 000～3 000 mg/L相比較,表4的油罐脫除的水分中平均油含量約200 mg/L,遠低于油庫污水處理廠的進水指標。效果驗證表明液柱諧振式管道式自動脫水器是原油儲罐自動脫水的較佳選擇[5]。因此,對于密度和黏度變化大的油品以及重質(zhì)油品,建議選用油水界面穩(wěn)定、安裝簡單、維護方便的液柱諧振式管道式自動脫水器。

4 結論

1)通過對比手動脫水方式和自動脫水方式,分析自動脫水的原理及結構,從有利于生產(chǎn)作業(yè)及安全角度出發(fā),推薦原油儲罐脫水選用自動脫水方式。

2)液柱諧振式管道式自動脫水器更適合原油產(chǎn)品,其性能穩(wěn)定,安裝簡單且維護方便,不受限于穩(wěn)定的油水界面,不用等待二次沉降時間,可直接檢測水中油含量,尤其適合于密度變化大的原油以及重油脫水。機械浮球式緩沖罐式自動脫水器更適合于輕質(zhì)潔凈的油品。