張黎明, 趙崯橙, 張 凱, 齊 冀
(中國石油大學(華東)石油工程學院,山東 青島 266580)
目前油田采出液中常含有伴生的水、氣等物質(zhì),對于原油深加工造成了制約和阻礙, 為了提高油田經(jīng)濟效益,必須對原油采出液進行分離后分別處理運輸[1-4]。目前來看,重力式分離器結(jié)構(gòu)具有較為簡單,制造運行成本低,工作條件適應性高等優(yōu)點, 已經(jīng)成為了對原油采出液進行分離的最廣泛應用以及最重要的分離設(shè)備之一[5-8]。
分離器的分離效率取決于它的外形設(shè)計和內(nèi)部構(gòu)件,不同部位的分離構(gòu)件對混合物的分離機理不同[9-10]?,F(xiàn)階段對不同處理調(diào)節(jié)下,各個分離構(gòu)件的對比選取尤其是實驗研究極為有限。本文設(shè)計了一整套可替換調(diào)節(jié)重力分離系統(tǒng),并進行了一系列實驗,探究了分離效果與內(nèi)部構(gòu)件設(shè)計之間的聯(lián)系, 形成了一定條件下對于重力式分離器內(nèi)部構(gòu)件選擇的體系[12-14]。
分離器室內(nèi)實驗的目的:① 以油出口的含水率、水出口的含油率和3個取樣口的含油率作為評價指標,分析在固定分離器尺寸情況下不同聚結(jié)構(gòu)件的分離特性;② 優(yōu)選出適用于不同混合液情況的聚結(jié)構(gòu)件,并分析影響分離效率結(jié)果的因素。
圖1所示為實驗使用的臥式重力分離器。 此分離器尺寸為:直徑30 cm,長度200 cm(長度不包括兩側(cè)凸起部分),壁厚2 cm,長徑比6.7。 其工作原理:油氣水混合物由左側(cè)管線混合泵入分離器,流經(jīng)入口構(gòu)件、整流構(gòu)件、聚結(jié)構(gòu)件等內(nèi)部構(gòu)件后分別由右側(cè)油氣水出口流出至儲液箱, 流程圖如圖2所示。
圖1 重力式分離器(無任何構(gòu)件情況)
圖2 重力式分離器流程圖
圖3是實驗所使用的取樣裝置示意圖,它設(shè)置在分離器靠近入口處位置,由3個位于不同高度的取樣管組成,以便取出各個液位處樣品并進行測量,每根管線上設(shè)有節(jié)流閥以調(diào)節(jié)取樣液量。實驗中取樣管內(nèi)徑設(shè)置為5 mm。實驗使用的介質(zhì)為10號白油、水以及空氣。油樣含水率的測試方法依照GB/T260-2016《石油產(chǎn)品水分測定法》[15]。
圖3 取樣裝置示意圖
實驗選擇測試4種聚結(jié)構(gòu)件(見圖4)的分離性能。
A型
B型
C型
D型
圖4 4種聚結(jié)構(gòu)件
A型聚結(jié)板采用不銹鋼制作,厚度1 mm,其具體結(jié)構(gòu)為:加工不銹鋼鐵皮為夾角120°的波紋板,交錯30°搭接相鄰波紋板。
B型聚結(jié)板為聚乙烯制成的波紋板,厚度1 mm左右。聚結(jié)板折板夾角為120°,與流道垂直方向的每個折邊長度為20 mm。
C型聚結(jié)板采用聚乙烯制作,厚度1 mm左右,與A型板大體相同,交錯30°搭接,波紋板夾角120°。不過,C型聚結(jié)板的流道略大于A型,即構(gòu)成C型聚結(jié)板的波紋板折邊略長于A型。這樣A型與C型在聚結(jié)特性上產(chǎn)生了差異,適合處理不同范圍的粒徑,因而宏觀上分離效率也將產(chǎn)生差異。
D型聚結(jié)板材料采用不銹鋼,厚度1.5 mm左右,波紋板之間夾角120°,與流道垂直方向的每個折邊長度60 mm,相鄰波紋板間距設(shè)置20 mm。
(1) 攪拌罐按不同體積比加入水和油共10 L,并加入合適濃度的OP-10乳化劑;
(2) 開攪拌機攪拌混合液直至均勻;
(3) 開泵,將齒輪泵的轉(zhuǎn)速頻率調(diào)節(jié)為50 Hz。調(diào)節(jié)油水出口閥門,使油水界面始終保持一定高度;
(4) 油水界面穩(wěn)定后,記錄攪拌器內(nèi)部的溫度;測定油出口的流量、含水量;水出口的流量、含油量;6個取樣口的含水量(含油量);
(5) 改變泵速和節(jié)流閥改變不同的入口流量;
(6) 關(guān)閉泵使入口流量為零,待分離器內(nèi)油水混合液全部流出后,依次使用4塊聚結(jié)板,并重復上述步驟(2)~(6)。
(7) 使用質(zhì)量含油率為20%的油水乳狀液進行實驗,并重復以上所有步驟。
(8) 關(guān)泵,檢查各設(shè)備入口出口有無泄漏,實驗結(jié)束。
2.2.1 聚結(jié)板前后含油率之差
由圖5、6可以看出,隨著分離器進口流量的加大,即分離器內(nèi)混合液流速的加大,聚結(jié)板前后(中取樣口與水出口)含油率差逐漸增大,說明在該進口流量范圍內(nèi)(即混合液流速范圍內(nèi)),分離器的分離效果隨流速加大而上升。該含油率差值越大,說明分離器分離效果越好。綜合來看,聚結(jié)板A、C的分離效果優(yōu)于聚結(jié)板B、D。
圖5 進口含油率10%時板前后含油率差
圖6 進口含油率20%時板前后含油率差
值得特別注意的是,圖5中聚結(jié)板 B的含油率之差在進口流量大于0.275 L/s左右后幾乎保持水平,說明在進口含油率10%情況下聚結(jié)板B存在適應的工作范圍,當流量大于該范圍后,B板的分離效果不再增加, 盲目加大流量只會造成資源的浪費而難以獲得更好的效益。另外,在進口流量足夠小時,4塊聚結(jié)板的含油率之差均趨近于0,說明這種現(xiàn)象不隨著聚結(jié)構(gòu)件的改變而改變。
2.2.2 有無聚結(jié)構(gòu)件分離特性對比
由圖7可知,隨著進口流量的增加,4塊聚結(jié)構(gòu)件的聚結(jié)分離效果越來越好。整體來看,很明顯聚結(jié)分離效果A板最好,其次是C板,再次是B、D板。流量較小時,B板分離效果優(yōu)于D板;而當流量超過0.17 L/s時,B板分離效果將小于D板,此現(xiàn)象也再次印證了聚結(jié)板具有自身最佳使用工況這一設(shè)想。
圖7 進口含油率為20%時4塊聚結(jié)板水出口
在無聚結(jié)構(gòu)件情況下進行了混合液分離實驗,通過油水相停留時間為指標代表重力分離作用強弱,獲得了水出口含油率和油出口含水率受重力影響的關(guān)系,并通過控制變量法獲得了聚結(jié)分離效果與入口濃度、進口流量的關(guān)系:進口流量0.1~0.25 L/s中存在一個使油出口含水率最小的最佳進口流量值;分離器內(nèi)不加裝聚結(jié)構(gòu)件時水出口含油率主要與進口流量有關(guān),與入口油相濃度關(guān)系不大。
依次加裝4塊不同的聚結(jié)構(gòu)件進行進口含油率分別為10%、20%的實驗,得到4塊聚結(jié)板的聚結(jié)分離效果依次為A、C、B、D聚結(jié)板,并觀察到聚結(jié)板具有自身最適合的含油率、進口流量等工況條件。通過對兩個含油率下取樣口處與水出口含油率之差與流量關(guān)系測定,進一步驗證了4塊聚結(jié)板的分離效果順序以及分離器存在最適合工況的現(xiàn)象,并得出了隨著流速增大,聚結(jié)板工作效果大多提高的結(jié)論。