核桃殼過濾器濾料流失問題探究

楊學川

(中海石油(中國)有限公司蓬萊19-3，天津 300456)

0 引言

在油田開發(fā)投產(chǎn)時，會伴隨含油污水的產(chǎn)生，核桃殼濾器在處理含油污水時效果良好，過濾出口水質(zhì)穩(wěn)定，濾料再生能力強，但隨著使用年限的增長，過濾后濾器頂層污油中的蠟質(zhì)、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)附著在濾料上，因此反沖洗時，濾料不能達到完全再生[1]。同時，部分濾料會隨著反洗水被帶出核桃殼濾器，使濾器失去原本的設(shè)計處理能力。

核桃殼過濾器可在手動和自動兩種模式下工作：

手動模式下，通過控制面板上的手動開關(guān)控制攪拌電機啟停和KV 閥的開關(guān)動作；

自動模式下，各攪拌電機及KV 閥的動作由PLC根據(jù)過濾器的流程設(shè)計要求自動控制，流程之間的轉(zhuǎn)換由時間及差壓控制。

原始設(shè)計中，本地+自動模式現(xiàn)場應(yīng)用較多，反洗步驟：靜置3 min→收油2 min→攪拌5 min→反洗+攪拌15 min→正洗3 min→靜置2 min。核桃殼濾器過濾示意圖及反洗示意圖分別如圖1 和圖2 所示。

圖1 核桃殼濾器過濾示意圖

圖2 核桃殼濾器反洗示意圖

1 某海上平臺核桃殼濾器運行現(xiàn)狀

1.1 核桃殼濾料流失嚴重

自2019 年平臺投產(chǎn)以來，在3 年的時間里，有32 臺核桃殼過濾器投入使用，其中有13 臺核桃殼過濾器過濾性能明顯下降。從罐體視窗觀察發(fā)現(xiàn)，罐體內(nèi)部濾料流失明顯，流失的濾料幾乎接近投產(chǎn)時原加注量的1/3，其他在用核桃殼濾器的濾料也有不同程度的流失。在對污水泵入口濾網(wǎng)清理時，發(fā)現(xiàn)濾網(wǎng)內(nèi)積存大量的核桃殼濾料，也證實大部分核桃殼濾料是在反洗時被帶出了核桃殼濾器。

1.2 篩管堵塞，反洗流量低

在核桃殼濾器反洗時，核桃殼濾料被反沖洗水反頂至入口布水篩管處，濾料粒徑(0.8～1.2 mm)相對于篩管孔隙(0.4 mm)要大。但是在水流的不斷沖擊下，部分濾料磨損嚴重，粒徑不斷變小，被卡在篩管縫隙處，造成篩管縫隙堵塞，部分濾料在污油的作用下發(fā)生板結(jié)，進一步堵塞篩管，過濾流量與反洗流量都有所降低，從最初的設(shè)計流量180 m3/h 下降為120 m3/h，甚至更低。

1.3 濾料板結(jié)嚴重，反沖洗效果差，反洗壓力升高

隨著核桃殼濾器的使用時間增長，核桃殼濾料表面附著了較多的油污，反沖洗水已經(jīng)無法洗凈濾料表面的油污，濾料之間相互粘連，逐漸開始發(fā)生板結(jié)，并聚集形成板結(jié)塊，濾器在反沖洗時，板結(jié)塊整體上移并堵塞篩管，容易造成反沖洗憋壓。當反沖洗憋壓時，反洗流量會相應(yīng)減少，提高反沖洗壓力，增加反沖洗流量，易造成篩管焊口被壓壞，形成跑料，進而導致反沖洗效果差；另外在濾料發(fā)生板結(jié)后，板結(jié)塊積聚使濾層孔隙及縫隙變大，含油污水直接從縫隙處通過，失去過濾作用，造成出水口水質(zhì)變差，水中含油從最初的15 mg/L 上升到30 mg/L，有的甚至超過允許的最大含油量。

2 原因分析

2.1 濾料粒徑較小，與篩管布水口不配伍

核桃殼濾料在填充前會嚴格篩選，購買符合標準的濾料，目前海上平臺核桃殼濾器里所用為0.8～1.2 mm直徑的濾料，篩管孔隙為0.4 mm，絕大部份濾料不會漏失，但是由于濾器內(nèi)部的攪拌器在啟動攪拌時，會對濾料產(chǎn)生不同程度的撞擊，濾料之間在外力作用下也會相互碰撞摩擦，使部分濾料的粒徑不斷減小，當小于布水篩管孔隙時就會隨反沖洗水被帶出核桃殼濾器；另外由于運行時間較長，布水口篩管可能發(fā)生斷裂、支撐變形、焊口及進出口容易開裂，使濾料流失更加嚴重。

2.2 反沖洗水壓力過大，反沖洗流量太高

當核桃殼濾料板結(jié)，篩管被堵塞，反洗泵的工況沒有改變的前提下，過濾與反洗流量都會有所降低，為保證過濾流量，增大反洗泵出口壓力，增大泵的排量可以提升一定的過濾流量，但是此時由于壓差與泵排量的增加，導致更多的核桃殼濾料流失。通過現(xiàn)場實際情況實驗，以平臺上運行三年未更換濾料及篩管的核桃殼濾器為測試對象，在正常過濾6 h 后，分別以不同的反洗流量進行反洗，每次調(diào)整反洗流量以污水泵入口濾網(wǎng)壓差達到壓表量程2/3 時，清洗1 次濾網(wǎng)為標準，測量濾網(wǎng)內(nèi)核桃殼濾料堆積的重量。由實驗看出，在低反洗流量時，濾料流失量也較少，但此時濾料清洗效果較差，而超負荷運轉(zhuǎn)時濾料流失會更多，因此不合理的反洗流量對濾料流失影響很大。

2.3 設(shè)備本身設(shè)計缺陷

濾器頂部設(shè)有帶電機的旋轉(zhuǎn)攪拌器，濾器內(nèi)部的攪拌器槳葉在旋轉(zhuǎn)過程中邊緣處具有很大的線速度，對攪拌后漂浮在水中的核桃殼濾料造成巨大沖擊，從而導致濾料損壞，粒徑變小，加劇了核桃殼濾料的流失。原始設(shè)計下的PLC 反洗控制程序存在一定的缺陷，在正常反洗過程中，反洗泵啟動后，大量的反洗水進入到核桃殼濾器，此時攪拌器仍然在運轉(zhuǎn)，攪拌懸浮在水中的核桃殼濾料會被反洗水沖到布水篩管處聚集，堵塞布水篩管，加速篩管損壞，影響反洗效果，并且加劇核桃殼濾料的流失。

2.4 人員操作不規(guī)范

核桃殼濾器設(shè)計反洗時間間隔要求是6 h 反洗一次，然而在實際使用中平臺32 臺核桃殼濾器無法滿足該設(shè)計要求，反洗時間間隔被人為增長至8～10 h，核桃殼濾料的再生能力將減低，更加容易板結(jié)；另外，在采用人員本地+手動模式對核桃殼濾器反洗時，各個時間節(jié)點控制不夠準確，攪拌時間或反洗時間更長，濾料損壞及流失的情況會更嚴重。

3 解決對策

3.1 更換合適粒徑的核桃殼濾料及新的篩管

核桃殼濾料在長時間的沖洗磨損下，粒徑變小，流失量增多，并且在污油作用下板結(jié)成塊，并且堵塞篩管，造成篩管損壞，加劇濾料流失。為保證核桃殼濾器的正常過濾效果，目前最直接有效的方法就是更換新的核桃殼濾料及布水篩管。但是由于海上條件限制，更換濾料及篩管周期較長，會在一定程度上影響油田注水，并且由于核桃濾器內(nèi)部空間狹小，更換濾料為限制空間作業(yè)，存在極大的安全風險，所以應(yīng)盡量減少更換濾料及篩管的頻率，節(jié)約時間及經(jīng)濟成本，降低安全風險。

3.2 調(diào)整合適的反沖洗流量

通過上述表格中的實驗數(shù)據(jù)可以看出，反洗流量的不同會明顯影響濾器內(nèi)核桃殼濾料的流失量，當流量為180 m3/h 時，核桃殼濾料流失量小于允許流失量5%/年，并且出水口水質(zhì)也較好，核桃殼濾料再生效果良好。根據(jù)表1 中反沖洗流量和核桃殼濾料流失量數(shù)據(jù)，繪制折線圖如圖3 所示。

表1 核桃殼濾料流失量與反洗流量實驗記錄表

圖3 反洗流量與核桃殼濾料流失量關(guān)系

3.3 與廠家溝通調(diào)整攪拌器轉(zhuǎn)速及相關(guān)的邏輯

在實際運行時，原始設(shè)計邏輯不符合現(xiàn)場實際工況，與廠家溝通后，調(diào)整相關(guān)控制參數(shù)，攪拌器電機轉(zhuǎn)速92 r/min，減速器傳動比1∶16，更改反洗控制邏輯本地+ 自動模式為：靜置3 min→收油2 min→攪拌5 min→反洗15 min→靜置2 min(即取消反洗時攪拌電機的攪拌，取消正洗，并且在收油時通過自動打開過濾出口KV 閥，使濾器頂部截流的污油更加充分的排放到污油罐內(nèi))。通過現(xiàn)場實驗，更改后的控制邏輯，對于現(xiàn)場實際工況運行更加合理，取消正洗程序是為了減少罐內(nèi)壓力瞬間釋放到污水罐，壓差較大，易造成污水罐冒罐溢流事件。

3.4 編寫正確規(guī)范的操作程序，嚴格按規(guī)定執(zhí)行

根據(jù)生產(chǎn)廠家給出的操作手冊，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，編寫安全、正確、規(guī)范、合理的操作程序，并且現(xiàn)場操作人員必須熟知并嚴格按照編寫的操作程序進行合規(guī)操作，與此同時加強操作人員在的崗前培訓，提升其責任心及作業(yè)能力，在日常工作中做好設(shè)備的保養(yǎng)維護[2]。

4 結(jié)語

通過對現(xiàn)場投用的核桃殼濾器分析，濾料流失是不可避免的問題。通過調(diào)整核桃殼濾器本身的特性參數(shù)及合適的反沖洗流量后，分析確定出導致濾料流失的問題所在，以此給出相對合理的控制邏輯及反沖洗流量。在保證核桃殼濾器處理功效的同時，減少了濾料的流失量，有效降低濾料的更換頻率，節(jié)約更換濾料的時間成本及經(jīng)濟成本，為保障油田注水起到了重要作用，為油田安全生產(chǎn)、提質(zhì)增效貢獻力量。