深海水下油氣分離器設計

羅曉蘭, 楊 君, 段夢蘭

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

深海水下油氣分離器設計

羅曉蘭1, 楊 君2, 段夢蘭1

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

通過分析油氣分離器結構參數對分離器性能的影響,針對3 000 m海底油氣分離器的設計要求,設計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計的分離器進行性能計算,計算結果表明: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,選用X70鋼作為分離器的材料,其強度、穩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量等問題的關鍵技術之一。由于深海水下生產設備的規格尺寸及設備重量都有嚴格限制,這就要求深海水下油氣分離器結構簡單、體積小;但需分離效率高,能耗低;并在深海水下易安裝維護、安全可靠,能適應各種液態,能抵抗段塞流對其產生的劇烈擾動[1]。

1 油氣分離器的設計方案

1.1 油氣分離器型式

目標分離器工作在3 000 m海底。根據深海作業要求,分離器的筒體直徑應控制在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型式。其工作原理是:含油氣流通過切向入口進入分離器,在切向入口的導流下,氣流旋轉產生離心力;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分離器底部流出;同時氣流從分離器底部返轉,從分離器上部排氣管排出,以達到油氣分離的目的。

1.2 油氣分離器設計方案

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,為保證分離器的總效率,油氣分離器應設計成兩級串聯的形式。第一級旋分器用于油氣的預分離,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,旋分器式預分離器比重力式預分離器除油效率高;第二級旋分器用以進行油氣的精分離,此時,通過減小第二級旋分器的排氣管直徑以達到提高分離效率,從而達到提高分離器組總效率的目的。其設計方案如圖1所示。

當油井處于高產期時,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,可采用分離器兩級串聯后再多組并聯的方式來達到滿足操作要求的目的。其設計方案如圖2所示。并根據不同油井的產量,可采用不等的多組并聯的設計方案使油氣分離操作更加靈活,油氣分離器的應用范圍進一步拓寬。

2 油氣分離器關鍵結構參數確定

油氣分離器中的許多結構尺寸對分離器的性能有著很大的影響,其中有些結構參數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獲得最高的分離效率,根據尺寸分類優化設計理論[2],預先假定影響油氣分離器關鍵結構參數及分離器的其余結構尺寸,然后利用分離器性能試算法,在滿足分離器設計條件的前提下,尋求分離器的最合適的尺寸。

2.1 分離器筒體直徑

分離器內氣流速度快,油氣所受離心力大,但同時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,這里按經驗取分離器截面氣速為5 m/s。根據油氣流量,旋分器筒體直徑 D為

式中:Q為分離器操作狀態下天然氣流量;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,由于分離器截面氣速的限制,應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。入口結構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分離器入口油滴粒徑大,所以其 dr值可取大些,使第一級分離器在壓降較小時依然能獲得較高的分離效率。油氣混合物經第一級分離器預分離后,進入第二級分離器的油滴粒徑大大減小,此時可通過減小 dr值獲得較高的分離效率,從而使兩級串聯的分離器組在較低的壓降范圍內獲得較高的總分離效率。同時,借助旋風分離器的尺寸分類優化設計理論[2],對分離器其他結構參數進行優化匹配,以達到深海水下分離器的操作要求。所設計的第一級油氣分離器結構及第二級油氣分離器結構分別如圖3和圖4所示。

圖3 第一級分離器方案結構圖

圖4 第二級分離器方案結構圖

3 深海油氣分離器性能計算

以深海油氣分離器在標準狀態下原油流量500 m3/天,天然氣流量300 000 m3/天,設計壓力15 MPa,設計溫度275 K,海水深度3 000 m,原油密度800 kg/m3,操作狀態下天然氣平均密度13.49 kg/m3,平均粘度18.37×10-6Pas為設計條件,對圖2所示方案利用平衡軌道理論[3,4]進行粒級效率計算,然后進行總效率計算。

3.1 油氣分離器效率計算

粒級效率計算公式為

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,由實驗定。若無實驗數據,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。

兩級串聯分離器組總效率為 η=1-(1-η1)(1-η2) (5)

3.2 油氣分離器的壓降計算

式中:Δp為油氣分離器的壓降;ξ為阻力系數。

通過實驗測定[3],ξ歸結為分離器進口面積(Fi)和排氣管直徑(dr)的經驗式如下:

表1 油氣分離器性能計算結果

式中 K為無因次常數,對標準切向進口型,可取為16。

由以上公式計算出所設計的分離器性能如表1所示。由計算結果表明:所設計的分離器性能指標滿足深海水下操作要求。

4 深海水下油氣分離器的校核計算與防腐

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度和低溫下高韌性的特點,可選用符合API SPEC 5L(PSL1)的X70管線鋼[5]。同時,分離器壁厚設計時設置了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行腐蝕防護。

4.2 分離器的校核計算[6]

當分離器在3 000 m海底工作時,分離器受到約為30 MPa的外壓作用,同時分離器內油氣溫度 Ti=150℃,分離器接觸海水的環境溫度 T0=2℃左右,設計內壓力 pc=15 MPa,所以分離器為三類壓力容器。根據 GB150-98《鋼制壓力容器》規定,在設計內壓15 MPa時,按高壓容器的第三強度理論進行強度及熱應力校核;在設計外壓30 MPa下進行穩定性校核。同時,在應力校核時,通過加大安全系數的取值以消除海床上海流、波浪等因素對分離器的影響。計算結果表明,設計的分離器滿足3 000 m海底工作時強度、穩定性及熱應力的要求。

5 結論

(1)設計了切流返轉式串聯油氣分離器以滿足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》規范要求,所設計的油氣分離器熱應力、強度及穩定性均滿足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行腐蝕防護。

[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] 時銘顯,汪云瑛.PV型旋風分離器尺寸設計的特點[J].石油化工設備技術,1992,13(4):14-18.

[3] 氣固相分離技術與設備[R].中國石油大學化機教研室,1991.

[4] 陳樹章.非均相物系分離[M].北京:化學工業出版社,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,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“西非深水海上典型油氣田開發工程模式研究”(2008ZX05030-05-05-03)

羅曉蘭(1964-),女,副教授,從事海洋結構物及安裝設備設計制造的研究。