羅曉蘭, 楊 君, 段夢蘭

(1.中國石油大學(xué),北京102249;2.中海油田服務(wù)股份有限公司,北京100010)

深海水下油氣分離器設(shè)計(jì)

羅曉蘭1, 楊 君2, 段夢蘭1

(1.中國石油大學(xué),北京102249;2.中海油田服務(wù)股份有限公司,北京100010)

通過分析油氣分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)對分離器性能的影響,針對3 000 m海底油氣分離器的設(shè)計(jì)要求,設(shè)計(jì)出了滿足不同的油氣處理量的深海水下油氣分離器。并利用平衡軌道理論對所設(shè)計(jì)的分離器進(jìn)行性能計(jì)算,計(jì)算結(jié)果表明:在壓降小于0.08 MPa下,分離器的總效率大于99.8%,粒徑為10μm以上的油滴分離效率為100%。同時(shí),選用X70鋼作為分離器的材料,其強(qiáng)度、穩(wěn)定性及耐腐蝕性等均能滿足深海水下工作的要求。

油氣分離器;平衡軌道理論;壓降;X70鋼

Abstract:Through analyzing the structural parameters influence on the performance of oil and gas separators,aiming at the design conditions of 3 000 m deepwater oil and gas separators,some are satisfied with different throughput by design.Using balanced orbital theory,the performance of the oil and gas separators is calculated.The results show that under less than 0.08 MPa pressure condition,total efficiency of the separators is more than 99.8%,separate efficiency of oil drops bigger than 10μm diameters is 100%.At the same time,taking X70 steel as separated material,its strength,stability and corrosion resistance all can meet separated job requirements.

Key words:oil and gas separator;balanced orbital theory;pressure drop;X70 steel

0 前言

油氣分離是解決海洋石油開采分相輸送和精確計(jì)量等問題的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于深海水下生產(chǎn)設(shè)備的規(guī)格尺寸及設(shè)備重量都有嚴(yán)格限制,這就要求深海水下油氣分離器結(jié)構(gòu)簡單、體積小;但需分離效率高,能耗低;并在深海水下易安裝維護(hù)、安全可靠,能適應(yīng)各種液態(tài),能抵抗段塞流對其產(chǎn)生的劇烈擾動(dòng)[1]。

1 油氣分離器的設(shè)計(jì)方案

1.1 油氣分離器型式

目標(biāo)分離器工作在3 000 m海底。根據(jù)深海作業(yè)要求,分離器的筒體直徑應(yīng)控制在20.32 cm左右。此外,為滿足前言中要求,油氣分離器宜選用切流返轉(zhuǎn)型式。其工作原理是:含油氣流通過切向入口進(jìn)入分離器,在切向入口的導(dǎo)流下,氣流旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力;在離心力的作用下,油滴被甩向分離器的壁面并沿分離器壁面經(jīng)分離器底部流出;同時(shí)氣流從分離器底部返轉(zhuǎn),從分離器上部排氣管排出,以達(dá)到油氣分離的目的。

1.2 油氣分離器設(shè)計(jì)方案

為解決深海操作中對分離器管徑大小的限制與分離器大處理量的矛盾,同時(shí),為保證分離器的總效率,油氣分離器應(yīng)設(shè)計(jì)成兩級(jí)串聯(lián)的形式。第一級(jí)旋分器用于油氣的預(yù)分離,油氣混合物在離心力作用下快速分離,除去以流體形式粘連在一起的油和大油滴,旋分器式預(yù)分離器比重力式預(yù)分離器除油效率高;第二級(jí)旋分器用以進(jìn)行油氣的精分離,此時(shí),通過減小第二級(jí)旋分器的排氣管直徑以達(dá)到提高分離效率,從而達(dá)到提高分離器組總效率的目的。其設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

當(dāng)油井處于高產(chǎn)期時(shí),原油流量及天然氣流量增大,為滿足深海大處理量油氣分離在線操作的要求,可采用分離器兩級(jí)串聯(lián)后再多組并聯(lián)的方式來達(dá)到滿足操作要求的目的。其設(shè)計(jì)方案如圖2所示。并根據(jù)不同油井的產(chǎn)量,可采用不等的多組并聯(lián)的設(shè)計(jì)方案使油氣分離操作更加靈活,油氣分離器的應(yīng)用范圍進(jìn)一步拓寬。

2 油氣分離器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

油氣分離器中的許多結(jié)構(gòu)尺寸對分離器的性能有著很大的影響,其中有些結(jié)構(gòu)參數(shù)對分離器的性能影響是相互矛盾的。因此,為使分離器在允許的壓降范圍內(nèi)獲得最高的分離效率,根據(jù)尺寸分類優(yōu)化設(shè)計(jì)理論[2],預(yù)先假定影響油氣分離器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)及分離器的其余結(jié)構(gòu)尺寸,然后利用分離器性能試算法,在滿足分離器設(shè)計(jì)條件的前提下,尋求分離器的最合適的尺寸。

2.1 分離器筒體直徑

分離器內(nèi)氣流速度快,油氣所受離心力大,但同時(shí)對油滴的剪碎作用也加大,使分離器的效率大大降低,所以分離器截面氣速不宜過大,這里按經(jīng)驗(yàn)取分離器截面氣速為5 m/s。根據(jù)油氣流量,旋分器筒體直徑 D為

式中:Q為分離器操作狀態(tài)下天然氣流量;V為分離器截面氣速。

2.2 分離器入口面積

分離器入口面積的大小決定著處理量的大小,入口面積越大,分離器處理量越大,分離器壓降越大。同時(shí),由于分離器截面氣速的限制,應(yīng)使入口面積有一最合適的值,為此,控制入口氣速Vi=12 m/s左右。入口結(jié)構(gòu)形式選用常用的矩形入口,長寬比為2左右。

2.3 排氣管下口直徑

排氣管下口直徑 dr對分離器的性能有著很大的影響,dr減小,分離器效率增大,壓降隨之也增大。由于深海油氣分離器中的第一級(jí)分離器入口油滴粒徑大,所以其 dr值可取大些,使第一級(jí)分離器在壓降較小時(shí)依然能獲得較高的分離效率。油氣混合物經(jīng)第一級(jí)分離器預(yù)分離后,進(jìn)入第二級(jí)分離器的油滴粒徑大大減小,此時(shí)可通過減小 dr值獲得較高的分離效率,從而使兩級(jí)串聯(lián)的分離器組在較低的壓降范圍內(nèi)獲得較高的總分離效率。同時(shí),借助旋風(fēng)分離器的尺寸分類優(yōu)化設(shè)計(jì)理論[2],對分離器其他結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化匹配,以達(dá)到深海水下分離器的操作要求。所設(shè)計(jì)的第一級(jí)油氣分離器結(jié)構(gòu)及第二級(jí)油氣分離器結(jié)構(gòu)分別如圖3和圖4所示。

圖3 第一級(jí)分離器方案結(jié)構(gòu)圖

圖4 第二級(jí)分離器方案結(jié)構(gòu)圖

3 深海油氣分離器性能計(jì)算

以深海油氣分離器在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下原油流量500 m3/天,天然氣流量300 000 m3/天,設(shè)計(jì)壓力15 MPa,設(shè)計(jì)溫度275 K,海水深度3 000 m,原油密度800 kg/m3,操作狀態(tài)下天然氣平均密度13.49 kg/m3,平均粘度18.37×10-6Pas為設(shè)計(jì)條件,對圖2所示方案利用平衡軌道理論[3,4]進(jìn)行粒級(jí)效率計(jì)算,然后進(jìn)行總效率計(jì)算。

3.1 油氣分離器效率計(jì)算

粒級(jí)效率計(jì)算公式為

式中:dc50、δ分別為由平衡軌道理論求得切割粒徑及油滴直徑。

式中n為外旋流速度指數(shù),由實(shí)驗(yàn)定。若無實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),可近似用式(4)估算。

式中:D為分離器筒體直徑;T為氣體絕對溫度。

兩級(jí)串聯(lián)分離器組總效率為 η=1-(1-η1)(1-η2) (5)

3.2 油氣分離器的壓降計(jì)算

式中:Δp為油氣分離器的壓降;ξ為阻力系數(shù)。

通過實(shí)驗(yàn)測定[3],ξ歸結(jié)為分離器進(jìn)口面積(Fi)和排氣管直徑(dr)的經(jīng)驗(yàn)式如下:

表1 油氣分離器性能計(jì)算結(jié)果

式中 K為無因次常數(shù),對標(biāo)準(zhǔn)切向進(jìn)口型,可取為16。

由以上公式計(jì)算出所設(shè)計(jì)的分離器性能如表1所示。由計(jì)算結(jié)果表明:所設(shè)計(jì)的分離器性能指標(biāo)滿足深海水下操作要求。

4 深海水下油氣分離器的校核計(jì)算與防腐

4.1 材料選擇與防腐

由于分離器工作在3 000 m海底,高壓低溫的工況條件要求材料具有高強(qiáng)度和低溫下高韌性的特點(diǎn),可選用符合API SPEC 5L(PSL1)的X70管線鋼[5]。同時(shí),分離器壁厚設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置了3 mm的腐蝕裕量,并在分離器外壁采用纏繞膠帶再外涂瀝青的方法進(jìn)行腐蝕防護(hù)。

4.2 分離器的校核計(jì)算[6]

當(dāng)分離器在3 000 m海底工作時(shí),分離器受到約為30 MPa的外壓作用,同時(shí)分離器內(nèi)油氣溫度 Ti=150℃,分離器接觸海水的環(huán)境溫度 T0=2℃左右,設(shè)計(jì)內(nèi)壓力 pc=15 MPa,所以分離器為三類壓力容器。根據(jù) GB150-98《鋼制壓力容器》規(guī)定,在設(shè)計(jì)內(nèi)壓15 MPa時(shí),按高壓容器的第三強(qiáng)度理論進(jìn)行強(qiáng)度及熱應(yīng)力校核;在設(shè)計(jì)外壓30 MPa下進(jìn)行穩(wěn)定性校核。同時(shí),在應(yīng)力校核時(shí),通過加大安全系數(shù)的取值以消除海床上海流、波浪等因素對分離器的影響。計(jì)算結(jié)果表明,設(shè)計(jì)的分離器滿足3 000 m海底工作時(shí)強(qiáng)度、穩(wěn)定性及熱應(yīng)力的要求。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了切流返轉(zhuǎn)式串聯(lián)油氣分離器以滿足3 000 m深海水下油氣分離的工作要求。

(2)按照 GB150-98《鋼制壓力容器》規(guī)范要求,所設(shè)計(jì)的油氣分離器熱應(yīng)力、強(qiáng)度及穩(wěn)定性均滿足3 000 m海底的工作要求。

(3)油氣分離器材料選用X70管線鋼,滿足了深海水下高強(qiáng)度、低溫韌性及耐腐蝕的要求;并在分離器外壁采用纏繞膠帶再外涂瀝青的方法進(jìn)行腐蝕防護(hù)。

[1] Mohan R S,Shoham O.Design and Development of Gas-Liquid Cylindrical Cyclone Compact Separators for Three-Phase Flow[R].Oil and Gas Conference-Technology Options for Producers Survival,1999.

[2] 時(shí)銘顯,汪云瑛.PV型旋風(fēng)分離器尺寸設(shè)計(jì)的特點(diǎn)[J].石油化工設(shè)備技術(shù),1992,13(4):14-18.

[3] 氣固相分離技術(shù)與設(shè)備[R].中國石油大學(xué)化機(jī)教研室,1991.

[4] 陳樹章.非均相物系分離[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1997.

[5] 劉守顯(摘譯),羅海文(校).X70管線鋼的軋制工藝和顯微組織及低溫韌性[J].武鋼技術(shù),2006,44(1):57-62.

[6] GB150-1998《鋼制壓力容器》[S].1998.

Design of Deepwater Oil and G as Separator

LUO Xiao-lan1, YANGJun2, DUAN Meng-lan1
(1.China University of Petroleum,Beijing 102249,China;2.China Oilfield Services Limited,Beijing 100010,China)

TE969

A

1001-4500(2010)01-0042-04

2009-10-10

國家重大專項(xiàng)“西非深水海上典型油氣田開發(fā)工程模式研究”(2008ZX05030-05-05-03)

羅曉蘭(1964-),女,副教授,從事海洋結(jié)構(gòu)物及安裝設(shè)備設(shè)計(jì)制造的研究。