油田新型加熱分離處理裝置技術(shù)應(yīng)用與結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

牟鴻翔，蘇海鵬

（華油惠博普科技股份有限公司北京分公司，北京 100088）

油田一體化加熱分離處理裝置是指應(yīng)用于油氣田地面生產(chǎn)、用以加熱、分離油水混合物，與油氣田地面工程的建設(shè)規(guī)模和工藝流程的優(yōu)化簡化相結(jié)合，將加熱、分離等工藝過程高度集成，能獨立完成油氣田地面工程中常規(guī)的中、小型站場或大型站場加熱和分離功能。它綜合了火筒式加熱爐和油水分離器等工藝原理，通過在金屬圓筒殼體內(nèi)設(shè)置火筒，將燃料燃燒釋放的熱量直接傳遞給被加熱介質(zhì)，將原油、天然氣及井產(chǎn)物加熱到工藝所要求的溫度，并進行沉降、分離。加熱分離處理裝置分為臥式和立式兩種結(jié)構(gòu)型式，其共同特征是設(shè)備由容器外殼、火筒、分離裝置等組成，功能區(qū)域分為加熱區(qū)、緩沖區(qū)、分離區(qū)等內(nèi)部區(qū)域[1-2]。加熱分離處理裝置內(nèi)部分離區(qū)域作為設(shè)備的核心之一，其結(jié)構(gòu)組成與型式需要根據(jù)不同的介質(zhì)而進行特殊的構(gòu)思設(shè)計[3-4]。

文章歸納總結(jié)國內(nèi)外加熱分離處理裝置技術(shù)和應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對國外比較成熟的加熱分離設(shè)計工藝進行了介紹?？偨Y(jié)了油田一體化加熱分離處理裝置的技術(shù)特點和基本設(shè)計要求，給出了有關(guān)部件的設(shè)計計算思路和方法，為油氣田加熱分離處理裝置的設(shè)計選型及操作運行提供有益參考。

1 國內(nèi)外油田加熱分離處理裝置應(yīng)用

油田加熱分離處理裝置在國外的應(yīng)用大約始于20世紀70年代，主要以油田氣或天然氣為燃料提供熱源，主要用于直接加熱井口來液。其在結(jié)構(gòu)型式和工程應(yīng)用上，加熱分離處理裝置有臥式和立式兩種。國內(nèi)類似裝置僅發(fā)現(xiàn)以油井多功能儲油罐的形式有工程應(yīng)用，其主要應(yīng)用于勝利油田、大港油田和大慶油田等[5-6]。另外一種與之類似的是橇裝數(shù)字化增壓裝置，它是將油氣混合物的過濾、加熱、分離、緩沖、增壓、燃料氣分離等工藝過程，集成為油田一體化加熱分離處理裝置，其采用間接加熱油氣混合物的方式對介質(zhì)進行升溫后[7-8]。

1.1 臥式加熱分離處理裝置

圖1和圖2分別為在國外應(yīng)用較為廣泛的臥式加熱分離處理裝置工藝原理圖和應(yīng)用情況。從圖中可以看出，火筒位于油水界面或乳化液與水的界面以上。與一般的分離處理工藝相比較，加熱分離處理裝置內(nèi)介質(zhì)主要加熱對象為原油或乳狀原油，較為有利于后期的操作運行和控制出口油、水的分離指標。

圖1 新型加熱分離器工藝原理圖

圖2 雙火筒加熱分離處理裝置

臥式加熱分離處理裝置適用于處理規(guī)模比較大、指標要求較高、含水量不是很大的情況，因此，加熱分離處理裝置外形尺寸、筒尺寸及其受熱面積通常比較大。臥式加熱分離處理裝置可根據(jù)處理規(guī)模、容器直徑以及油水界面的高度，設(shè)置1至4套數(shù)量不等的立式或水平型式火筒。臥式加熱分離處理裝置往往由于運輸和外形尺寸方面的限制，其油水界面和火筒的安裝空間受到限制。

1.2 立式加熱分離處理裝置

立式加熱分離處理裝置在國外油田工程應(yīng)用較為常見的工藝原理見圖3和圖4，分別為以加熱為主的工藝原理圖和裝置應(yīng)用情況。立式加熱分離處理裝置具有儲罐功能，通常設(shè)計和操作壓力不高，適用于井口混合物的加熱處理、處理規(guī)模比較小、指標要求不高、含水量相對較大且需要回注的情況，因此，立式加熱分離處理裝置的火筒尺寸和受熱面一般比較小。

圖3 加熱分離工藝原理

圖4 立式加熱分離處理裝置

立式加熱分離處理裝置設(shè)備內(nèi)部除了火筒以外，通常根據(jù)加熱處理介質(zhì)等的特性和要求，會設(shè)置內(nèi)件或填料等。立式加熱分離處理裝置可根據(jù)處理規(guī)模、容器直徑以及油水界面的高度設(shè)置立式或水平型式的火筒，油水界面的設(shè)置和火筒的安裝高度有較大的實施空間。

1.3 加熱分離處理裝置的主要應(yīng)用情況

加熱分離處理裝置在國外的應(yīng)用主要集中在北美洲地區(qū)的美國、加拿大、墨西哥，南美洲地區(qū)的哥倫比亞、厄瓜多爾、巴西等，亞洲地區(qū)的印度尼西亞、馬來西亞、哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦、伊朗、伊拉克和阿聯(lián)酋等，歐洲地區(qū)的俄羅斯、阿爾巴尼、馬其頓等，非洲地區(qū)的阿爾及利亞、尼日利亞、阿爾及爾、尼日爾等。全球加熱分離處理裝置的主要生產(chǎn)廠商基本上都集中在美國德克薩斯州、俄克拉荷馬州、新墨西哥州、密蘇里州和加拿大阿爾伯塔省等地區(qū)，其中以為美國德克薩斯州和加拿大阿爾伯塔省的類似產(chǎn)品供應(yīng)商最為集中，亞洲地區(qū)的阿聯(lián)酋、伊朗和非洲地區(qū)尼日利亞等地有少量供應(yīng)商能夠提供這種產(chǎn)品。

2 新型臥式加熱分離處理裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計基本要求

加熱分離處理裝置按照ASME VIII進行設(shè)計、制造，采用火筒可抽出結(jié)構(gòu)型式，以便后續(xù)運行過程中加熱負荷調(diào)節(jié)和設(shè)備維護。對于臥式設(shè)備，火筒在設(shè)備內(nèi)部的安裝位置應(yīng)盡可能的布置在油水界面以上，以確保足夠的熱量用以加熱原油。由于油、水的熱物理學(xué)性質(zhì)差別較大，如果火筒受熱面完全或部分位于油水界面以下，將會對分離原油的溫度提升十分不利，進而影響油、水分離的指標和性能。

作為燃料燃燒和熱量傳遞的唯一部件，火筒應(yīng)具有良好的力學(xué)性能、便于設(shè)備維護。由于原油、井產(chǎn)物自身的物理特性，介質(zhì)通常含有泥沙和膠質(zhì)物，沉淀物狀態(tài)比較粘稠，因此，就對火筒的力學(xué)性能和沉積物的清理及設(shè)備維護具有較高的要求，需要在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方面采取有效措施保證火筒安全性能[9-10]。

2.2 內(nèi)部構(gòu)件功能布置方案設(shè)計

根據(jù)工藝計算結(jié)果及基本設(shè)計要求，采用圖1所示的設(shè)備內(nèi)部工藝布置的思路。被加熱介質(zhì)由設(shè)備前端進入容器內(nèi)部，由內(nèi)部導(dǎo)流管引入設(shè)備底部?；鹜参挥谟退缑嬉陨稀⒉捎秒p立式火筒結(jié)構(gòu)型式，位于加熱區(qū)域、設(shè)備縱向軸線中心位置附近。容器中部緩沖區(qū)域設(shè)置波紋板填料，以提高油的分離指標。容器后端上半部為油室，位于設(shè)備后端分離區(qū)域，分別由堰板和隔板與前端緩沖區(qū)與底部水室分割開來。分離出的氣體由頂部汽包分離出設(shè)備。基于上述火筒便于維護和清理沉積物的原因，火筒與設(shè)備殼體的連接采用既具有開拆、可抽出的功能，又要具有良好的承壓、密封性能的結(jié)構(gòu)型式，火筒在設(shè)計上可參考API 12規(guī)范有關(guān)條款[11]。

3 結(jié)語

加熱分離處理裝置是集加熱、分離等功能于一體的油田處理設(shè)備，其火筒的可抽出結(jié)構(gòu)是技術(shù)關(guān)鍵。沉浸在石油或石油乳化液中的火筒外壁，如果附著泥沙或是膠質(zhì)物，將對燃燒傳熱較大的影響。泥沙或是膠質(zhì)物長時間得不到清理，將加劇火筒的局部過熱、影響設(shè)備的安全運行。通過對加熱分離處理裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計過程的分析，筆者認為：1）對于這種具有可抽出功能的筒加熱分離處理裝置，其強度設(shè)計的關(guān)鍵是在于對非標受壓元件進行正確的力學(xué)性能分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化；2）類似具有長圓法蘭連接結(jié)構(gòu)的橢圓封頭開孔及長圓法蘭，其最大應(yīng)力出現(xiàn)在4個對稱的圓弧與直段連接處；3）立式火筒與長圓法蘭蓋連接處的最大應(yīng)力，出現(xiàn)在下部燃燒器法蘭連接管嘴的頂部；4）對于處理油泥或膠質(zhì)物含量較多的介質(zhì)，火筒局部可考慮采用波紋型結(jié)構(gòu)；5））加熱分離處理裝置內(nèi)部清洗沖沙機構(gòu)，在設(shè)備實際運行過程中是否能夠起到有效作用，都是需要通過時間進行檢驗的。