叢 娟 張 劍 鄭海軍 李小軍 張雪梅 劉玉國

（1.中國石化勝利油田分公司采油工藝研究院 2.中國石化勝利油田分公司孤東采油廠)

隨著海上油田的不斷開采，采出液含水率持續(xù)上升，這就對(duì)油氣混輸和分離技術(shù)提出了新的要求。勝利埕島油田提液開發(fā)以來，采出液的急劇增加使中心平臺(tái)處理能力達(dá)到飽和，集輸管網(wǎng)負(fù)擔(dān)沉重。由于海上平臺(tái)面積有限，傳統(tǒng)的多相分離器體積龐大、處理時(shí)間長[1-2]，不能適應(yīng)其低成本提高處理量的需求，因此研制結(jié)構(gòu)緊湊、處理量大的油水分離裝置是緩解產(chǎn)液不斷增加與集輸能力有限這一矛盾的有效方法。

水力旋流器結(jié)構(gòu)簡單、占地面積小[3]、處理周期短。錐形旋流器自從其引入石油工業(yè)以來[4]，得到了廣泛的應(yīng)用。而柱形旋流器消除了錐形旋流器的錐管截面尺寸的影響，具有處理量更大的優(yōu)勢[5]。但柱形旋流器分離油水時(shí)內(nèi)部流場更為復(fù)雜[6]，影響分離效果的因素很多，這也限制了柱形旋流器在油田的應(yīng)用。因此，有必要深入研究柱形旋流器油水分離效果的影響因素以及柱形旋流器應(yīng)用的發(fā)展趨勢。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)流程

原油與水分別儲(chǔ)存在油、水兩個(gè)罐中，實(shí)驗(yàn)時(shí)由增壓泵將原油與水分別泵入流程，在三通處混合。依據(jù)實(shí)驗(yàn)要求改變油、水比例和泵入量，即可改變混合液的入口含油體積分?jǐn)?shù)和入口流速。柱形旋流器溢流口和底流口處裝有球閥，用于調(diào)節(jié)旋流器分水率。混合液經(jīng)柱形旋流器處理后，分別由溢流口和底流口進(jìn)入混合罐。油、水經(jīng)混合罐沉降分離后，油、水相分別泵回油罐、水罐。柱形旋流器入口、溢流口和底流口處設(shè)有取樣口，可觀測油水分離效果。具體實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)介質(zhì)采用勝利海上油田的原油和自來水，其物性參數(shù)如表1所示。

表1 油水物性參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 入口流速對(duì)底流口含水率的影響

入口流速對(duì)應(yīng)旋流器的處理量，是評(píng)價(jià)旋流器油水分離的重要參數(shù)之一。實(shí)驗(yàn)中入口混合液含油體積分?jǐn)?shù)8%，分水率30%。改變?nèi)肟诹魉?，可得到底流口含油體積分?jǐn)?shù)隨入口流速的變化趨勢，如圖2所示。

由圖2可知，隨入口流速的增加，底流口含油體積分?jǐn)?shù)呈先減小后增大的趨勢。當(dāng)入口流速為1.4 m/s時(shí)，底流口含油體積分?jǐn)?shù)最低，為0.43%，此時(shí)油水分離效果最好。柱形旋流器內(nèi)混合液流速較低時(shí)旋流管內(nèi)離心力較小，油水分離能力有限；而流速過高時(shí)油水極易發(fā)生乳化現(xiàn)象，分離效率更低。柱形旋流器存在使旋流器分離效果最好的入口流速，不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的旋流器應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)選出最佳入口流速。

圖2 入口流速對(duì)底流口含油體積分?jǐn)?shù)的影響

2.2 分水率的影響

分水率定義為底流口流量占入口流量的百分比；分油率定義為溢流口流量占入口流量的百分比。分水率與分油率相加等于100%。入口混合液含油率為5%，在入口流速分別為0.866 m/s、1.273 m/s、1.716 m/s、2.116 m/s的條件下進(jìn)行了四組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中分水率的變化范圍為20%～70%。

如圖3所示，底流口含油體積分?jǐn)?shù)隨分水率的增加先減小后增大，即分離效果先變好再變差。分水率較低時(shí)，水中含油量最少，但分水率過小使得含油體積分?jǐn)?shù)較高。分水率增加初期，含油體積分?jǐn)?shù)隨之降低。而當(dāng)分水率增加到一定程度，溢流口流量降低使得大量原油無法從溢流口排出，底流口含油體積分?jǐn)?shù)上升，分離效果變差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，柱形旋流器存在一個(gè)最優(yōu)的分水率，此時(shí)油水分離效果較好，因此在操作中應(yīng)注意調(diào)節(jié)分水率，使柱形旋流器達(dá)到最優(yōu)的工作狀態(tài)。不同的流速下，這個(gè)最優(yōu)的分水率值分別為44%、43%、55%和32%。

圖3 底流口含油體積分?jǐn)?shù)隨分水率變化曲線

2.3 柱形旋流器的組合應(yīng)用

在油水分離系統(tǒng)中，可使用一個(gè)或數(shù)個(gè)柱形旋流器。柱形旋流器的組合方式不同，油水分離的效果差異明顯。入口流速約為2.8 m/s，入口含油體積分?jǐn)?shù)約為8%，分水率保持在30%左右的情況下，二級(jí)柱形旋流器分別進(jìn)行了串聯(lián)和并聯(lián)兩種不同組合方式的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。二級(jí)柱形旋流器串聯(lián)連接方式為：入口混合液先進(jìn)入一級(jí)旋流器分離后，一部分富油混合液由溢流口排入混合罐，余下的含油污水經(jīng)底流口由第二級(jí)旋流器進(jìn)一步分離處理后排入混合罐。二級(jí)柱形旋流器并聯(lián)連接方式為：入口混合液經(jīng)過三通后分流，分別進(jìn)入兩個(gè)柱形旋流器處理，富油液體由溢流口進(jìn)入混合罐，含油污水由底流口流入混合罐。將兩組實(shí)驗(yàn)與一級(jí)柱形旋流器在相同實(shí)驗(yàn)條件下的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和對(duì)比情況如圖4和表2所示。

圖4 柱形旋流器底流口取樣照片

表2 柱形旋流器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

在本實(shí)驗(yàn)條件下，二級(jí)旋流器并聯(lián)使用時(shí)效果最好，底流口含油體積分?jǐn)?shù)平均為0.395%；其次是二級(jí)旋流器串聯(lián)，底流口含油體積分?jǐn)?shù)1.2%；一級(jí)旋流器分離效果最差，底流口含油體積分?jǐn)?shù)為1.8%。在2.8 m/s的流速下，二級(jí)旋流器并聯(lián)時(shí)，相當(dāng)于進(jìn)入每一級(jí)旋流器內(nèi)的液量減半，各級(jí)旋流器內(nèi)的流速降為約1.4 m/s，此時(shí)柱形旋流器油水分離效率較高。二級(jí)旋流器串聯(lián)時(shí)，第二級(jí)旋流器可對(duì)一級(jí)旋流器底流口排出的含油污水進(jìn)一步處理，分離效果好于一級(jí)旋流器。在應(yīng)用中，可以并聯(lián)柱形旋流器用于提高柱形旋流器的處理量，也可串聯(lián)多個(gè)柱形旋流器對(duì)油水混合液進(jìn)行多次處理，以提高油水分離效果。

3 結(jié)論

本文考察了入口流速、分流比和組合方式對(duì)柱形旋流器分離效果的影響，通過實(shí)驗(yàn)得到如下結(jié)論：

（1）隨入口流速的增加，柱形旋流器油水分離效果先變好再變差。對(duì)特定結(jié)構(gòu)的旋流器，應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)選出最佳入口流速。

（2）在一定的入口含油率下，存在最優(yōu)的分水率。隨分水率的增加，底流口含油體積分?jǐn)?shù)先降低再提高。過高的分水率不利于原油由溢流口排出，影響分離效果。

（3）柱形旋流器并聯(lián)可增加油水分離裝置的處理量；串聯(lián)時(shí)，第二級(jí)柱形旋流器可進(jìn)一步處理含油污水。

[1] 周永，吳應(yīng)湘，鄭之初，等．分離技術(shù)研究之一——直管和螺旋管的數(shù)值模擬 [J]．水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展，2004，9(4)： 540-546．

[2] 韓洪升，夏楠，彭元，等.新型油水分離器提高含油污水處理效率的實(shí)驗(yàn)研究 [J]．科學(xué)技術(shù)與工程，2011，11(23)： 5533-5537．

[3] 陳文兵，呂炳南，陸宏宇，等．水封旋流器處理油田廢水的開發(fā)研究 [J]．中國給水排水,2003，19(S1)：44-46．

[4] Thew M T．Hydrocyclone redesign for liquid-liquid separation[J]．The Chemical Engineer，1986(7 ／8)：17-23．

[5] Vazquez C O，Afanador E,Gomez L,et al．Oil-water separation in a novel liquid-liquid cylindrical cyclone(LLCC)compact separator-experiments and modeling[J].Journal of Fluids Engineering，2004，126(4)：553-564．

[6] Li Lin，Qiu Xiuyuan，Jin Sheng，et al．Weakly swirling turbulent flow in turbid water hydraulic separation device[J]．Journal of Hydrodynamics，2008，20(3)：347-355．