李 巍，伊 鋒，孫章權(quán)，沈志恒，蘭 藍

（ 1.海洋石油工程股份有限公司特種設(shè)備公司，天津，塘沽 3004512.中海油有限公司天津分公司墾利油田群區(qū)域開發(fā)項目組 天津塘沽 3001152）

0 引言

海上油田的生產(chǎn)水來源于在油氣生產(chǎn)過程中所產(chǎn)出的地層伴生水。為獲得合格的油、氣產(chǎn)品，需先將伴生水與油氣進行分離，分離后的伴生水中，含有一定量的原油及其他雜質(zhì)，這些含有一定量原油和其他雜質(zhì)的伴生水稱之為含油污水。海上油田大都采用各種油水分離器對含油污水進行處理，將處理后的含油污水進行排放或者作為油田回注水、人工舉升井動力液等。而處理含油污水的目的是要求排放水或回注水達到相應(yīng)的排放或回注標(biāo)準。

海上油田由于其特殊性使其與陸地油田在設(shè)備的要求與設(shè)計考慮上面有所差別。由于海上平臺面積比較小，并且在重量上要滿足結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性的要求，因此要求設(shè)備尺寸小，重量輕，效率高，同時還要兼顧經(jīng)濟性。處理含油污水的方法通常分為化學(xué)方法和物理方法兩種。主要包括:沉降法，混凝法，氣浮法，過濾法，生物處理法及旋流器法等等。目前沉降法是應(yīng)用較為廣泛且比較經(jīng)濟的油水分離方法。文中主要針對沉降分離方法分析油水分離器的設(shè)計工藝計算方法。

目前，國內(nèi)許多學(xué)者對分離器進行了大量的研究，研究方法分為試驗方法及數(shù)值模擬方法兩種。但無論是試驗研究還是數(shù)值模擬的方法其主要都是針對分離器內(nèi)多相介質(zhì)的復(fù)雜流動特性進行的研究工作［1－3］。然而，對于整體的油氣分離器分離特性方面的設(shè)計計算方法的研究較少。而對于內(nèi)部構(gòu)件工藝設(shè)計計算的深入研究也較少。因此，本文系統(tǒng)地分析了油水分離器內(nèi)油水分離計算過程中所要考慮的若干問題，同時分析了對油水分離器的內(nèi)部構(gòu)件工藝設(shè)計的計算方法。其方法可以使設(shè)計人員很好的掌握油水分離器以及內(nèi)部構(gòu)件的工作原理，為提高設(shè)計人員的設(shè)計水平提供理論幫助。

1 油水分離器工作原理

對于海洋平臺上的油水分離器設(shè)備，由于受海洋平臺甲板之間的高度所限，海洋平臺上所使用的油水分離器大都采用臥式布置形式。因此，文中以典型的臥式油水分離器為例進行介紹。

圖1 臥式油水分離器典型結(jié)構(gòu)示意圖

圖1表示為典型臥式油水分離器的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，油水混合物由混合相進口進入分離器，由于原油的密度小于水的密度，因此，在浮力作用下油滴在混合液中向上運動，而水由于重力的作用向下運動，經(jīng)過足夠長的時間，油滴漂浮在油水界面上部，水沉降在油水界面下部，此時認為油水開始分離。被分離出來的油滴在水池上方不斷積累，當(dāng)油層厚度達到一定高度時，原油流過堰板進入油池。通常情況下，由混合相入口進入的混合物中還含有一定量的氣體，這部分氣體經(jīng)分離器頂部的氣體出口排出。

由于單純的重力分離需要油水混合物在分離器內(nèi)停留較大時間，分離器尺寸也將相應(yīng)增加。為了減少分離時間，同時提高分離效率，通常在分離器內(nèi)部增加多種內(nèi)部構(gòu)件以加速油水的分離。通常在混合相入口增加均布裝置，使混合相的分布更加均勻，以降低來流對下部液面沖擊;同時，對油水中的氣體也起到初步分離作用。當(dāng)油水混合物流量較大，引起分離器內(nèi)液面產(chǎn)生較大波動時，通常在油水分離內(nèi)部構(gòu)件前面增加整流內(nèi)件，以減弱或消除液面沿分離器徑向的波動。當(dāng)分離器尺寸不能滿足油水重力分離停留時間的要求時，需要在分離器內(nèi)增加聚結(jié)板等油水分離構(gòu)件。當(dāng)油水混合物中含氣量較大時，氣體以較高流速流經(jīng)分離器上部空間，同時會夾帶部分液滴，為了分離出氣體所夾帶的液滴，通常在分離器的氣體出口處增加氣液分離裝置，如捕霧器等。

由于油中分離水滴與水中分離油滴的原理基本相似，因此可通過上述原理進行油中分離水滴的工藝流程。由于分離器針對不同來流參數(shù)會采用多種不同的分離輔助內(nèi)件，文中僅針對含有聚結(jié)板，堰板的分離情況進行設(shè)計計算及分析。

2 分離器工藝設(shè)計計算

海洋平臺的生產(chǎn)水有時要經(jīng)過幾級的分離才能達到排放的標(biāo)準，而重力沉降分離器往往被用于分離的最后一級。由以往的研究［4－7］可知，只要保證足夠的停留時間，顆粒較大的油滴均可從水中被分離出來。

在流量一定及分離器內(nèi)徑尺寸一定的條件下，油水分離所需要的時間越長，所需分離器的長度就越大。因此，要確定分離器長度，需要計算油水分離所需要的時間。而油水的分離時間又取決于油滴的上浮速度，因此首先需計算出油滴的上浮速度。在層流條件下，可以應(yīng)用斯托克斯公式來計算，斯托克斯公式的表達式為:

式中:vt—油滴上浮速度，m/s;do—油滴直徑，m;ρw—水的密度，kg/m3;ρo—油的密度，kg/m3;μw—分離條件下水的動力粘度，Pa·s;

在計算過程中，進行如下假設(shè):(1)流體在分離器內(nèi)流動處于層流狀態(tài);(2)油滴為球形，在分離過程中不破碎也不與其他油滴合并;(3)油滴與油滴、油滴與器壁及其他構(gòu)件間沒有作用力;(4)油滴在分離過程中沉降速度是穩(wěn)定不變的。

基于上述假設(shè)，可以計算出油滴上浮所需要的時間to，其解析式為:

式中:h—油水界面到分離器底部的距離，m;to—油滴上浮所需要的時間，s;

再根據(jù)入口混合液流量及液體潤濕周邊所圍成的面積計算出油滴在分離器內(nèi)的停留時間t，具體表達式為:

式中:L—油水有效分離長度，m;t—油滴上浮所需要的時間，s;Q—混合液體積流量，m3/s;A—分離器橫截面上被液體潤濕周邊所圍成的面積，m2;

當(dāng)to≤t時，認為油滴可以從水中分離出來;當(dāng)to＞t時，認為油滴不會被分離。為了提高油水分離速度，可以采取如下方法:(1)增大油滴粒徑，從而增大油滴上浮速度vt、進而減小to;(2)降低油水界面高度，即降低h，從而減小to;(3)增加油水有效分離長度L，從而增大t。增加油水有效分離長度則要相應(yīng)增加分離器尺寸，降低油水界面高度會導(dǎo)致分離器內(nèi)部空間不能得到有效利用，因而后兩種方法都是不經(jīng)濟的。當(dāng)分離器內(nèi)的有效分離長度無法滿足油水重力分離所需的停留時間時，如何在不改變分離器尺寸的前提下加速油水分離，同時提高分離效率就成為了有待解決的問題。因此，在分離器的工藝設(shè)計中，通常通過增加分離內(nèi)部構(gòu)件的方法來解決這個問題。聚結(jié)板是一種被廣泛采用的加速油水分離的內(nèi)部構(gòu)件。

3 分離器內(nèi)部構(gòu)件工藝設(shè)計計算

為了滿足油水有效分離長度，分離器需要具有足夠大的容積，但海洋平臺上對設(shè)備的尺寸限制十分嚴格，而設(shè)備尺寸過大會導(dǎo)致設(shè)備重量增大，同時設(shè)備成本升高，為了解決上述問題，設(shè)計人員往往通過在油水混合液入口與堰板之間填加一些內(nèi)部構(gòu)件來實現(xiàn)油水的迅速分離，其不僅能夠達到減小設(shè)備尺寸和重量的目的，而且可以增加油水的分離效率。目前油水分離的內(nèi)部構(gòu)件形式多種多樣，例如聚結(jié)板，旋流管等，但由于旋流管通常造價較高，且對于油水混合物的物性參數(shù)要求相對比較嚴格，在設(shè)計內(nèi)部構(gòu)件時，往往優(yōu)先考慮采用聚結(jié)板。

聚結(jié)板是由一組由幾組具有一定傾斜角度的波紋板組合而成的填料裝置，其內(nèi)部為孔隙空間結(jié)構(gòu)。其工作原理為:通過波紋板間的間隙將油水混合液分隔在一個一個的小空間中，有效的改善水流的穩(wěn)定性，同時降低了油滴上浮的距離，并且通過對其表面的結(jié)構(gòu)設(shè)計，有效增大了油滴之間碰撞聚結(jié)和油滴在波紋板上粘附聚結(jié)的概率，從而縮短油水分離時間;同時可以大量吸附水中的油滴，使油滴不斷碰撞聚結(jié)，增大油滴的直徑，從而增加油滴上浮速度，有效的提高分離效率，降低分離器的尺寸［8－9］。

目前，聚結(jié)板的生產(chǎn)已經(jīng)作為一項較為成熟的技術(shù)在我國廣泛應(yīng)用，市場上廣泛采用的聚結(jié)板主要參數(shù)見表1。

表1 聚結(jié)板主要參數(shù)

圖2為聚結(jié)板內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡化示意圖。根據(jù)相應(yīng)聚結(jié)板尺寸計算油滴在波紋板間隙內(nèi)上浮所需要的時間to，在計算to時，可采用如下表達式:

式中:h'—波紋板間間隙，m;vt—油滴上浮速度，m/s;α—波紋板傾斜角度，°;to—油滴上浮所需要的時間，s;

計算油水分離時間t時，可按下述公式進行計算:

式中:n—聚結(jié)板組數(shù);W—每組聚結(jié)板的寬度，m;Q—混合液體積流量，m3/s;A—分離器橫截面上被液體潤濕周邊所圍成的面積，m2;ε—聚結(jié)板空隙率，通常為0.94～0.95左右;t—油滴在聚結(jié)板內(nèi)停留的時間，s;

圖2 聚結(jié)板局部簡化示意圖

當(dāng)to≤t時，認為油滴可以從水中分離出來;當(dāng)to＞t時，認為油滴不會被分離。當(dāng)現(xiàn)有聚結(jié)板不能滿足油水分離要求時，可采用如下幾種方法:(1)增加聚結(jié)板組數(shù)n，從而增大t;(2)降低聚結(jié)板內(nèi)波紋板的波高，即降低h'，從而縮短to;(3)增加聚結(jié)板內(nèi)波紋傾斜角度α，從而縮短to。由于市場上作為成品供貨的聚結(jié)板均有一系列相對固定的尺寸，后兩種方法可行性不高;如果單獨加工訂貨，經(jīng)濟性也較差。因此，在分離器內(nèi)空間充許的范圍內(nèi)，增加聚結(jié)板組數(shù)是相對比較簡便經(jīng)濟的方法。

有一點值得引起注意的是，上述計算方法是基于油水混合物在分離器內(nèi)的流動是處于層流條件下的假設(shè)，因而，在計算的之前應(yīng)該對雷諾數(shù)進行核算。如果分離器內(nèi)液體流動為非層流流動，應(yīng)該考慮在聚結(jié)板前加設(shè)整流內(nèi)件，或在混合液入口處增加均流裝置，使油水混合相在較短的時間內(nèi)達到穩(wěn)定流動狀態(tài)，以利于油水更加快速的分離。

4 結(jié)論

文中主要介紹了臥式油水分離器的工作原理及分離器內(nèi)油水重力分離的原理。分析結(jié)果表明，針對不同的油水混合物的流動情況，可以通過增加不同形式的分離內(nèi)部構(gòu)件來達到縮短分離時間，提高分離效率的效果。同時，文中著重分析了油水分離器內(nèi)部構(gòu)件(聚結(jié)板)對油水分離工藝的影響以及聚結(jié)板的工作原理，并提出了一種簡便，易于工程中使用的計算方法來確定油水分離器的內(nèi)部構(gòu)件，為今后對臥式油水分離器的內(nèi)件工藝設(shè)計提供了理論依據(jù)。

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