南海某氣田水力旋流器控制優(yōu)化及效果提升

付峻 王博超 苗建 任艷濤

(中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司 廣東 深圳 518000）

1 運(yùn)行現(xiàn)狀

南海某氣田設(shè)置一套含油污水處理系統(tǒng)，用于處理來自生產(chǎn)分離器、段塞流捕集器的生產(chǎn)水，通過其將含油污水OIW（水中含油量）值降低，從而符合污水外排要求。按照標(biāo)準(zhǔn)，氣田所在海域合格含油濃度連續(xù)排放平均值為45mg/L，一次容許值為65mg/L[1]。由于水力旋流器運(yùn)行不穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)壓差報(bào)警，進(jìn)而影響水處理效果。為此，有必要通過優(yōu)化提升處理效果。

1.1 氣田水力旋流器簡(jiǎn)介

關(guān)于水力旋流器，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的試驗(yàn)[2-5]和研究[6-9]。旋流分離技術(shù)一般包括靜態(tài)旋流和動(dòng)態(tài)旋流[10]，平臺(tái)所用水力旋流器為靜態(tài)旋流器。工作原理為：含油污水從切線方向進(jìn)入水力旋流器，讓其在旋流管內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)，因?yàn)橛退芏炔煌?，?dǎo)致離心力相差很大，密度較大的水所受離心力較大被甩向圓錐筒筒壁，在管壁連續(xù)旋轉(zhuǎn)并下降，截面積逐漸減少，從細(xì)口端排出，密度較小的油則在被擠向旋流管的中心，沿中心線從粗口端排出[11]（如圖1所示）。

圖1 水力旋流器工作原理圖

1.2 處理效果影響因素分析

一般來說，影響水力旋流器處理效果因素包括密度差、油滴直徑、入口濃度、入口流量、分流比、壓差比等[12]。密度差、油滴直徑、入口濃度受到上游來液的影響，在生產(chǎn)穩(wěn)定時(shí)基本固定，因此，著重分析其他幾個(gè)主要參數(shù)。

入口流量：含油污水的高速旋轉(zhuǎn)需要較高的流量，流量較小則無足夠的離心力，但研究表明，較高的流量將增大液滴剪切力和減少停留時(shí)間，影響分離效率。根據(jù)油相出口端直徑為37.5mm的分離模型模擬，推薦入口流量10～12m3/h[13]，可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中旋流管的處理量調(diào)整。

分流比指水力旋流器油相流量和入口流量的比值，分離效率隨著分流比的增大而增大，當(dāng)分流比增大到一定值時(shí)，分離效率基本不變，此時(shí)為最佳分流比。最佳分流比的大小和旋流器入口油濃度有關(guān),一般為0.5%-5%。由于分流比和壓差比成線性關(guān)系[14]，氣田通過壓差比來控制分流比。

壓差比表示水力旋流器三個(gè)口的壓力之間的關(guān)系，通常用符號(hào)PDR表示[15]：

式中：

Pin：入口壓力，MPa；

Pu：油相出口壓力，MPa；

Pd：水相出口壓力，MPa；

壓差比大小通過影響旋流器的流量和分流比來影響分離效率，所以說，水力旋流器的壓差比保持合理值非常重要，一般控制在2左右[16]，根據(jù)設(shè)計(jì)，壓差比設(shè)點(diǎn)為1.7。

1.3 氣田水力旋流器控制方式

水力旋流器油水相出口分別設(shè)置調(diào)節(jié)閥，以此調(diào)節(jié)水力旋流器入口壓力、油水相的壓差值及其比值（如圖2所示）。

圖2 水力旋流器控制邏輯圖

水相設(shè)置一個(gè)壓力調(diào)節(jié)閥，其作用原理為（如圖3所示）：控制點(diǎn)為水力旋流器入口壓力，水相出口調(diào)節(jié)閥控制器通過入口壓力變送器和設(shè)點(diǎn)值的偏差值，控制閥門開度，進(jìn)而通過流量的變化調(diào)整入口壓力，入口壓力變送器監(jiān)測(cè)到新的壓力值繼續(xù)參與比較，直到設(shè)點(diǎn)和實(shí)際值相符。來液一般不是固定流量，干擾作用為上游閥門的開度，同時(shí)影響入口壓力的變化。

圖3 水相入口壓力控制原理圖

油相設(shè)置壓差比PDR控制的調(diào)節(jié)閥，工作原理和水相調(diào)節(jié)閥類似，不同的是控制點(diǎn)為為油相壓差和水相壓差之比。為及時(shí)提醒操作人員，自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)置了壓差報(bào)警，水相壓差，1.6-2.7MPa；油相壓差，3.20-4.68MPa；PDR，報(bào)警值為1.6-2.0。

2 原因分析

2.1 水相壓差報(bào)警

由于上游容器閥門的不定時(shí)開關(guān)，以及入口壓力的不斷調(diào)整，水相壓力調(diào)節(jié)閥的開度隨著入口壓力和設(shè)點(diǎn)對(duì)比變化，入口壓力低于設(shè)點(diǎn)，閥門關(guān)小，流量減小，則入口壓力和水相出口壓差也將減小，P1（入口壓力）和P1-P2（入口壓力和水相出口壓差）為非線性關(guān)系，且不是正相關(guān)關(guān)系，壓差值未必在1.60-2.70MPa之內(nèi)，則產(chǎn)生報(bào)警。另外，如果上游液位控制閥均為關(guān)閉狀態(tài)，則調(diào)節(jié)閥將逐漸調(diào)整至全關(guān)狀態(tài)，此時(shí)壓差為0MPa，也將產(chǎn)生報(bào)警。

2.2 油相壓差報(bào)警

如水相壓差在1.60-2.70MPa之內(nèi)，同時(shí)壓差比在1.6-2.0之內(nèi)，油相壓差為水相壓差乘以壓差比，范圍可能為2.56-5.40，將超出油相壓差報(bào)警設(shè)定值3.20-4.68MPa，將產(chǎn)生報(bào)警。如水相壓差在1.60-2.70MPa之外，則油相壓差更容易報(bào)警。

3 采取措施

3.1水相調(diào)節(jié)閥控制調(diào)整

既然水相壓差和入口壓力沒有必然的關(guān)系，水相出口調(diào)節(jié)閥控制取點(diǎn)應(yīng)調(diào)整至水相壓差值（如圖4所示）。水相出口調(diào)節(jié)閥控制器通過水相壓差變送器和設(shè)定值的偏差值，控制閥門開度，控制原理簡(jiǎn)圖如圖5所示。

圖4 水力旋流器水相出口控制邏輯調(diào)整圖

圖5 水相入口壓力控制工作原理圖

3.2 水相壓差報(bào)警值調(diào)整

根據(jù)研究，英國(guó)著名水力旋流器專家L.Svarovsky提出水相壓降和入口流量的關(guān)系式如下[17]：

即壓降和正比于入口流量的n次方，k值和n為系數(shù)，分別表示結(jié)構(gòu)參數(shù)、內(nèi)部流動(dòng)特性常數(shù)，k值一般在0.001-0.1之間[18]，n值一般取2左右[19]。根據(jù)氣田水力旋流器廠家資料，氣田壓降和流量關(guān)系如下：

ΔP：水相壓差，MPa；

Q：入口總流量，m3/h：

由此可得，壓降隨流量的增加指數(shù)增大，如果總流量大于單套水力旋流器處理量，則雖然壓差增大，但達(dá)不到處理效果。此時(shí)應(yīng)投用多根旋流管，壓差將隨之減小。

單根旋流管處理量5.72m3/h，入口總流量從1m3/h增大到5.72m3/h，壓差從0.1MPa到2.47MPa變化。當(dāng)流量在大于5.72m3/h時(shí)，需要根據(jù)流量情況增加旋流管數(shù)量，以滿足壓差需求。氣田不同開采時(shí)期的水量有所不同。當(dāng)前產(chǎn)水量約80m3/d，即3.3m3/h，啟動(dòng)泵處理其他罐內(nèi)液體時(shí)，為10.3m3/h，投用2根旋流管。此時(shí)，單根旋流管小于其最大處理量，水相壓差也小于最大處理量對(duì)應(yīng)壓差。所以，按照流量1-5.72 m3/h，壓差分別為0.1-2.47MPa，根據(jù)低高報(bào)警比正常值上下浮動(dòng)10%[20]，可設(shè)水相報(bào)警區(qū)間，即控制區(qū)間為0.09-2.70MPa。

3.3 油相壓差報(bào)警值調(diào)整

根據(jù)上述分析，如水相壓差在0.09-2.70MPa，壓差比在1.6-2.0之內(nèi)，油相壓差為水相壓差*壓差比，對(duì)應(yīng)油相報(bào)警為0.14-5.4MPa，應(yīng)將油相壓差報(bào)警設(shè)定為值0.14-5.4MPa。

4 運(yùn)行效果

在確保壓力調(diào)節(jié)閥正常工作情況下，投用2根旋流管，通過調(diào)整水相調(diào)節(jié)閥，觀察運(yùn)行效果。經(jīng)測(cè)試，實(shí)施上述措施后，水力旋流器水相壓差可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制，PDR值保持在1.6-2.0，各項(xiàng)參數(shù)正常，水處理效果良好，滿足海域環(huán)保要求。

5 結(jié)論

（1）不同的水力旋流器由于自身結(jié)構(gòu)等特征不同，具有不同的流量和壓差特征，具體系數(shù)可根據(jù)廠家資料和試驗(yàn)效果得到；

（2）氣田不同開采時(shí)期的水量有所不同。隨著流量的增大，水力旋流器壓差增大，當(dāng)超過其處理量時(shí)，壓差增大，PDR無法調(diào)整至正常值，分離效率將降低，此時(shí)需投用多根旋流管，以減少流量和壓差，提升分離效率；

（3）水力旋流器可通過水相、油相的壓差、PDR綜合控制實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定處理，從而保證外排生產(chǎn)水的處理效果；

（4）水力旋流器通過入口壓力等其他變量來調(diào)整壓差及壓差比的控制方案基本不能滿足生產(chǎn)需要，應(yīng)在工程設(shè)計(jì)時(shí)，采取通過水相壓差值控制水相出口調(diào)節(jié)閥的控制方案，以實(shí)現(xiàn)水力旋流器壓差比的穩(wěn)定控制；

（5）水力旋流器利用壓差值直接控制壓差，而不是通過壓力間接控制的控制方式，對(duì)于通過壓差等綜合變量控制其處理效果的設(shè)備，具有很大的推廣性。