FPSO 油-水旋流分離器模擬分析及應(yīng)用研究*

羅佳琪 宋揚 張洪政 喬英云

（1.南通中遠海運船務(wù)工程有限公司/啟東中遠海運海洋工程有限公司；2.中國石油大學(xué)（華東）化學(xué)化工學(xué)院）

旋流分離器因內(nèi)部無轉(zhuǎn)動部件、構(gòu)造簡單、操作便利、處理量大、緊湊高效、體積小等優(yōu)點成為目前海上油田FPSO 含油污水處理的關(guān)鍵設(shè)備之一[1-2]。我國對液—液旋流分離技術(shù)的探討起步較晚，在理論分析和現(xiàn)場使用方面與國外相比均存在較大差距，油水旋流分離器的分離性能的提高仍值得深入研究。

目前，各國開展了數(shù)次旋流器專題會議，旨在討論旋流分離器最新研究進展[3-4]。此外，許多研究學(xué)者采用控制變量法，從能耗原理及節(jié)能方面展開實驗，探究旋流器結(jié)構(gòu)尺寸與分離性能的關(guān)系[5]。2013 年，H VAN Wingaarden 等[6]設(shè)計出混流式水力旋流器，并為增加旋流器動力，增設(shè)渦流元件，可降低壓力損失及能耗；2018 年，劉合等人[7]研制了軸向螺旋導(dǎo)流式水力旋流器、內(nèi)錐水力旋流器及多級串聯(lián)水力旋流器等分離裝置，模擬優(yōu)化旋流器結(jié)構(gòu)，以提高油水分離效果。在實際應(yīng)用中，錦州25-1 油田針對污水處理工藝優(yōu)化設(shè)計，最終選擇了旋流+氣浮+過濾的組合處理流程，旋流器處理后水中含油質(zhì)量濃度低于100 mg/L[8-9]。理論上雖然海上油田可借用陸地污水處理方式，但仍需結(jié)合油田實際環(huán)境，選擇合適的處理工藝。

1 海上含油污水處理流程

1.1 常見的污水處理流程

含油污水主要指開采過程中的采出水、洗井水等，污水所含雜質(zhì)類型、處理量、凈化要求、環(huán)境差異等決定了處理流程。目前海上油田FPSO 污水處理技術(shù)包含生物法、物理化學(xué)法、化學(xué)法、物理法，其目的均是除去水中的油、懸浮固體和膠體、溶解物質(zhì)，使之達到外排或回注地層的要求[10]。海上油田FPSO 污水處理流程見圖1，主要包含沉降艙、聚結(jié)器、旋流分離器、撇油罐、浮選裝置、過濾器等設(shè)備。

不同海上油田生產(chǎn)平臺的污水處理流程見表1，可見旋流分離在FPSO 上應(yīng)用廣泛。

表1 不同海上油田生產(chǎn)平臺的污水處理流程Tab.1 Sewage treatment process of production platform for different offshore oilfield

1.2 現(xiàn)場應(yīng)用案例

巴西某油田采出液經(jīng)過高壓分離器、自由水沉降分離、閃蒸分離、預(yù)處理分離器、電脫水等裝置進行油、氣、水三相分離。巴西某油田FPSO 污水處理工藝流程見圖2。分離后的含油污水最大產(chǎn)量約2.4×104m3/d，污水中油濃度高于1 000 mg/L，總懸浮物（TSS）濃度最高可達50 mg/L。根據(jù)該海域環(huán)境，要求污水排海標準為日最大排放含油濃度小于或等于42 mg/L，月平均排放含油濃度小于或等于29 mg/L，回注水還應(yīng)達到粗顆粒固體、總懸浮物、含氧量等標準的要求，避免堵塞地層。根據(jù)采出水特性及排放標準，設(shè)計四級分離采出水工藝，采出水經(jīng)撇油罐、旋流器、浮選裝置、過濾器等設(shè)備凈化后的合格水直接排?；蚧刈?。

圖2 巴西某油田FPSO 污水處理工藝流程Fig.2 Sewage treatment process of FPSO in a Brazilian oilfield

具體流程如下：

1）一級分離。油水分離模塊分離出的含油污水經(jīng)泵送至撇油罐，將水中的浮油、細顆粒固體、輕烴除去。撇油罐為三相分離器，處理能力約為1 100 m3/h，經(jīng)處理后污水中含有約650～1 000 mg/L分散油和220 mg/L 溶解油。

2）二級分離。分離后的污水流進旋流器，在離心力作用下進一步分離油、水。每臺旋流器處理量為50～573 m3/h，旋流分離后，將污水含油濃度降低至40～100 mg/L。并考慮污水中存在砂，在油水分離的同時，重質(zhì)砂會匯聚于旋流器底流口，造成堵塞，為此增設(shè)反沖洗功能，反沖洗水量為50 m3/h。

3）三級分離。旋流器底流口排出的污水經(jīng)冷卻器冷卻至40℃，降低進入浮選裝置的污水溫度，從而降低污水中溶解油的溶解度。冷卻污水經(jīng)靜態(tài)混合器產(chǎn)生細小氣泡，從切向入口進入浮選裝置，產(chǎn)生漩渦效果，油滴與氣泡碰撞并附著在氣泡上，向上運動。產(chǎn)出的水通過內(nèi)部擋板向下旋轉(zhuǎn)，進入容器的下部。提供足夠的停留時間，以確保有效的液滴捕獲和逃逸。浮選裝置可同時將污水中溶解油與分散油去除，使油濃度小于或等于29 mg/L。通過在線分析儀實時分析，按照SM—5520B 標準，合格污水直接排海；若監(jiān)測不合格，排出閥將自動關(guān)閉，污水被送往不合格污水儲罐，再重新泵入撇油罐，循環(huán)處理。

4）四級分離。回注水需進一步通過粗顆粒過濾器（兩用一備）、濾筒過濾器（兩用一備）、脫氧處理等，使粒徑大于25 μm 的固體顆粒被除去98%，總懸浮物濃度小于或等于10 mg/L、溶解氧濃度小于或等于10-9（體積分數(shù)），并在濾筒過濾器下游安裝氧氣、含油量在線分析儀，確保凈化水符合回注要求。分離出的污油先存于油水罐，然后經(jīng)泵送回自由水沉降罐，再次處理后，氣體進入烴蒸氣回收單元。

根據(jù)上述流程可知，經(jīng)旋流分離器處理，污水含油濃度從650～1 000 mg/L 降低為40～100 mg/L，除油效率高達90%，且分離過程中無需設(shè)置停留時間，處理量大大提升。文中將結(jié)合該工藝中污水含油量、油黏度及旋流器處理要求進一步開展旋流器模擬研究，分析流動參數(shù)對分離性能的影響。

2 旋流器結(jié)構(gòu)及模擬

2.1 旋流器結(jié)構(gòu)

巴西某油田FPSO 旋流器3D 模型見圖3，主要包含一個入口及兩個出口（底流口和溢流口）。由于油水密度不同，經(jīng)撇油罐處理的污水切向流入旋流器，形成上旋流及下旋流。密度小的油在軸心呈上旋流，匯集于旋流器中軸線附近，最終從溢流口流出，進入油水罐；密度大的水靠近旋流器邊壁呈下旋流從底流口流出，被送至浮選裝置進一步處理。根據(jù)實際設(shè)計，該FPSO 旋流器操作溫度為65～95 ℃，最低操作溫度對應(yīng)的原油黏度為0.013 7 Pa·s，旋流器入口的污水中最高含油濃度約100 mg/L，體積分數(shù)約0.001。

圖3 巴西某油田FPSO 旋流器3D 模型Fig.3 3D hydrocyclone model of FPSO in a Brazilian oilfield

2.2 模擬模型的建立及網(wǎng)格化分

建立旋流分離器結(jié)構(gòu)模型并進行網(wǎng)格劃分，旋流分離器結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分見圖4，旋流分離器的基本尺寸見表2。經(jīng)網(wǎng)格獨立性檢驗，綜合考慮模擬時長和精度，此模型選用的網(wǎng)格單元數(shù)為525 826。應(yīng)用FLUENT 模擬旋流分離器內(nèi)部流場，分析油、水在旋流器內(nèi)的速度、壓力、濃度等流動場分布規(guī)律，結(jié)合FPSO 旋流器運行工況及來液性質(zhì)，研究入口流速對分離效率的影響。

表2 旋流分離器的基本尺寸Tab.2 Basic dimensions of the swirl separator

圖4 旋流分離器結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分圖Fig.4 Structure and grid division of swirl separator

2.3 邊界條件及相關(guān)參數(shù)

1）入口速度。設(shè)置旋流器入流速為速度入口，油水在入口處混合均勻，油相密度設(shè)置為830 kg/m3，水相密度設(shè)置為998.2 kg/m3。

2）出口壓力。設(shè)置旋流器兩出口均為壓力出口。

3）壁面。假設(shè)旋流器所有管壁都是無滑移壁面，即油水流動過程中在旋流器壁面上無相對滑移，并忽略其他物質(zhì)的能量交換。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 流場對比分析

3.1.1 濃度場分布

濃度場分布直觀反映了分離效率。當(dāng)原油黏度為0.0137 Pa·s，入口原油體積分數(shù)為0.001 時，不同入口流速下不同截面的油相體積分數(shù)見圖5。不同錐段截面的油相體積分布見圖6。在離心力作用下，油相濃度在壁面很小，從邊壁到軸線油相濃度不斷增加，在軸心附近，油相濃度達到最大，聚集形成油核。由于旋流器采用單入口，故中心油核存在偏心現(xiàn)象。另外，在Z值大的截面上中心油核聚集明顯，含油濃度較高，沿軸向向下，各截面中心附近的油相體積濃度在逐漸減小，底流口附近油相濃度達到最低值。當(dāng)入口流速為7 m/s 時，底流口平均油相體積分數(shù)為0.000 094 9，水出口含油量低于100 mg/L，達到旋流分離的目的，此時大部分油相從溢流口排出，進入油水罐。

圖5 不同入口流速下不同截面的油相體積分數(shù)Fig.5 Oil phase volume fraction of different sections at different inlet flow rates

圖6 不同錐段截面的油相體積分布（入口流速7 m/s）Fig.6 Oil phase volume distribution at different cone sections(inlet flow rate 7 m/s)

3.1.2 速度場分布

旋流器內(nèi)速度場包含了切向、徑向、軸向速度，其中切向速度是產(chǎn)生離心力最重要的因素，驅(qū)使油滴運動，決定分離效果的好壞，因此該研究主要分析切向速度分布特性。當(dāng)油相黏度為0.013 7 Pa·s，入口油相體積分數(shù)為0.001 時，不同入口流速下500 mm 截面的油相切向速度分布見圖7。因研究中旋流器采用單入口，故內(nèi)部流場出現(xiàn)不均勻性，因此切向速度呈現(xiàn)不完全的軸對稱分布。整體上切向速度呈復(fù)合旋渦結(jié)構(gòu)，自由渦與強制渦分界面上切向速度達到最大值。切向速度在強制渦內(nèi)與半徑成正相關(guān)，在自由渦內(nèi)與半徑呈負相關(guān)，最終在壁面處消減為零。這是由于自由渦內(nèi)液滴相互碰撞，使動能降低，且在旋流器壁面因摩擦阻力導(dǎo)致切向速度迅速變?yōu)榱恪?/p>

圖7 不同入口流速下500 mm 截面的油相切向速度分布Fig.7 Oil tangential velocity distribution in 500 mm section at different inlet flow rates

3.1.3 壓力分布

旋流器主要依靠將壓力能轉(zhuǎn)化為動能，從而實現(xiàn)離心分離。同時，流體之間及流體與壁面存在摩阻損失，因而油水在旋流器中流動時伴有壓力能的損耗。旋流分離器在油相黏度0.013 7 Pa·s，入口油相體積分數(shù)0.001 時，不同流速下底流口壓降曲線見圖8。由于壓降與速度的平方呈正比，隨流速增大，壓降損失增大，內(nèi)部的切向速度增大，湍流強度增大，內(nèi)部旋流損失增大，因此壓降也增大，且單位流速對應(yīng)的壓降也隨流速的增大而增大。

圖8 不同流速下底流口壓降曲線Fig.8 Pressure drop curve at bottom outlet at different flow rates

3.2 分離效率

由于油水密度具有差異性，在運動過程中二者的離心力大小不等，因此運動軌跡不同。輕質(zhì)的油匯集在旋流器軸心并向上運動，經(jīng)溢流口排至儲存容器，水滴沿著旋流器壁面螺旋向下從底流口流出，進一步處理。因此，此研究中采用底流口與入口油相平均體積分數(shù)之比表示分離效率。隨入口流速增大，底流口油相占比先減后增，分離效率相反，先增后減，不同入口流速下分離效率及底流口平均油相體積分數(shù)見圖9。結(jié)合圖8 壓降分布可知，一定的流速提高有利于旋流分離器內(nèi)的油水分離，但過大的流速會使內(nèi)流場中的湍流運動加劇，同時使油滴易變形破碎，粒徑減小，甚至加劇油水乳化，降低分離效率。旋流器在實際運用過程中，特別是含油量較高的情況下，需針對油田采出液性質(zhì)，分析油滴變形破裂及油水乳化特性，選擇合適的操作參數(shù)，避免出現(xiàn)嚴重乳化現(xiàn)象。

圖9 不同入口流速下分離效率及底流口平均油相體積分數(shù)Fig.9 Separation efficiency and average oil phase volume fraction at bottom outlet at different inlet flow rates

4 結(jié)論

1）考慮FPSO 空間有限，海上平臺常采用沉降分離+旋流分離+氣浮進行污水處理。但不同油田采出液性質(zhì)不同，且海域環(huán)境要求的排放標準有所差異，應(yīng)根據(jù)油田實際情況選擇合適的海上平臺處理工藝。

2）巴西某油田采用沉降分離+旋流分離+氣浮+過濾分離污水處理工藝，處理后水中含油濃度小于或等于29 mg/L，粒徑大于25 μm 的固體顆粒被除去98%，總懸浮物濃度小于或等于10 mg/L，達到外排或回注標準。

3）根據(jù)旋流器運行工況，隨來液流速的提高，旋流器底流口含油體積分數(shù)先下降后升高，分離效率與其相反。當(dāng)入口流速為3 m/s 時，分離效率低于70%，分離效果不理想。當(dāng)入口流速為7 m/s時，分離效率高于90%，水出口含油濃度低于100 mg/L，滿足分離需求。當(dāng)入口流速過高，分離效率呈下降趨勢，這是由于流速過大會導(dǎo)致油滴破裂，甚至加劇乳化。因此，旋流器在實際運用過程中，應(yīng)根據(jù)污水含油量、油滴破裂變形及油水乳化特性，選擇最優(yōu)的入口流速。