水力旋流器在生產污水處理中的應用

代娜　國健

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司　天津　300457　2.中海油節能環保服務有限公司　天津　300457）

水力旋流器在生產污水處理中的應用

代娜1國健2

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司天津3004572.中海油節能環保服務有限公司天津300457）

本文結合水力旋流器內分散相顆粒的速度運移公式，通過分析油品性質對旋流器處理效果的影響，得出旋流器一般應用于輕質原油的結論；同時結合不同油氣田的具體情況，得出水力旋流器各種控制方案，說明其適用范圍；并結合實際項目，驗證了上述各種因素在污水處理流程設計中影響。

水力旋流；油品密度；膠質瀝青質含量；油品粘度

1　背景

國內研制靜態、動態旋流式油水分離裝置始于90年代[3]，作為一種高效緊湊的分離設備，目前靜態旋流器作為污水處理設備在國內某些海洋油田已得到應用。分析影響水力旋流器處理效果的各種因素，總結各種不同工藝流程下旋流器的控制方案，說明其適用場合，并結合具體項目進行說明，為以后類似項目開發提供借鑒。

2　旋流器工作原理

水力旋流器依靠混合流體進入旋流器桶體內旋轉產生的加速度進行分離，假設流體在進入旋流器后的流動為理想層流，分散相顆粒直徑為d，螺旋管的螺旋半徑為R，流體流速為u，且相間不存在剪切作用，則體積為v的分散相顆粒受到的離心加速度為（受力如圖1）：

a=u2/R （1）

圖1　分散相顆粒受力分析

由于考慮到顆粒還受到重力g作用，綜合這兩方面，體積為v的分散相顆粒受到加速度的方向并不是水平向外的，而是與水平方向存在一定的夾角，其值為：

則：

3　問題分析

水力旋流器作為一種高效分離設備，其體積小，重量輕，安裝形勢靈活這一特點一直備受海洋平臺青睞，在處理量相同的前提下，水力旋流器的體積僅相當于常規分離設備的1/10左右，總重量不超過其它設備的1/30～1/40[4]。本文從影響旋流器處理效果的油品性質角度進行了比較說明。

3.1油品性質的影響

本文從原油密度、污水粘度、旋流器進口油滴直徑、污水處理量等因素進行分析，評估其對水利旋流器處理效果的影響，主要進行了以下對比：

（1）隨著油水密度差增大，旋流器可以分離的油滴直徑變小，即旋流器處理效果變好。根據公式（4）可知，油水兩相間的密度差是旋流分離的驅動力，密度差越大，油和水在旋流器內高速旋轉時獲得的離心力之差就越大，油和水越容易分離。

（2）隨著污水粘度的增加，旋流器可以去除的油滴直徑變大，即處理效果變差。污水粘度越大，小油滴聚結為大油滴的阻力就越大，從而就更難于脫除。

（3）當油滴直徑大于30μm時，脫除效率為100％，油滴直徑在6μm左右時，脫除效率只有56％左右，因此，保證大的油滴直徑對處理效果至關重要。

（4）隨著流量的增加，旋流器可以去除的油滴直徑變小，即處理效果變好。在小流量時，其流量不足以產生足夠的離心力進行油水分離，處理效果較差，一般最小流量要求在旋流器設計流量40％以上。隨著流量的增加，處理效果變好，但流量不宜過大，否則處理效果也會變差，這是因為隨著流量的增加，流體剪切作用變強，促進了油滴的分散。

從上面各項對比可以看出，原油密度、污水粘度、旋流器入口油滴直徑和污水處理量等，都會旋流器的處理效果形成比較大的影響。

3.2控制方案的選擇

旋流器的處理效果與控制方案密切相關，如進出口壓力差、溢流比、處理量的變化范圍、控制閥對油滴的剪切等，均需要根據具體的油氣田工藝流程進行設計，避免不利因素，盡力提高處理效果。

圖2和圖3的控制方案都直接利用了三相分離器的壓力，不通過增壓泵直接進入旋流器進行處理，因而這兩種方案適用于分離器操作壓力較高的場合，特別是氣田。在具體工藝流程設計時，一般在旋流器下游增加一級脫氣罐，作用為進一步脫出旋流器水出口中油滴，同時釋放生產水中的溶解氣，以滿足排放要求。

圖2　流量穩定時水力旋流器控制方案

圖3　流量變化較大時水力旋流器控制方案

圖4在旋流器入口增加了增壓泵以滿足旋流器的入口壓力要求，可以應用于壓力較低的油田。當分離器液位降低時，回流管線上的液位控制閥打開，保證泵的流量要求。

圖4　流量變化較大且分離器壓力較低時水力旋流器控制方案

圖5是旋流器與除砂器聯合使用時的控制方案。地層中的砂會隨著油氣開采進入平臺生產處理流程，如不及時除去，會堵塞下游工藝處理設備，造成腐蝕和原油處理不達標，因而需在上游流程除砂，避免影響下游工藝設備正常操作。旋流器可以和除砂器聯合使用，三相分離器生產水攜帶砂首先進入除砂器進行旋流除砂，分離出的油水進入水力旋流器進一步除油，最終處理合格的生產污水進行排海。

圖5　與除砂器聯合使用時水力旋流器控制方案

圖6是旋流器有多個流體來源時控制方案。兩個分離器的生產污水匯總后進入旋流器1&2進行處理，當生產水量較小時，可以只啟用一臺旋流器，當生產水量較大時，兩臺旋流器同時使用，增加了處理系統水負荷適應范圍，保證了處理效果。

4　具體項目分析

現結合具體項目，說明水力旋流器在污水處理中的應用。

某油田通過一座鉆采平臺和一座FPSO聯合進行開發，原油在平臺經過一級分離器簡單分離后外輸至FPSO進行進一步處理，生產污水進入污水系統進行處理，處理達50ppm排海。

項目油品性質如表1。

從表1可以看出原油的密度較小，最大粘度不超過30MPa·s，是典型的輕質低粘原油，滿足水力旋流器對流體性質的要求。

圖6　多入口旋流器控制方案

表1　原油密度與不同溫度下的粘度

表2　不同年份生產污水處理量

從表2可以看出，生產水量最小年份與最大年份差值達3倍，屬于水量變化范圍較大的工況。

該油田操作壓力較低，進入污水系統操作壓力在70kPaG左右，因而需要增壓泵加壓至800kPaG再進入旋流器進行處理。

根據上述信息，生產污水首先進入污水工藝處理流程的脫氣罐進行脫氣，然后由增壓泵增壓后進入旋流器進行處理，達標后排入開排沉箱。

脫氣罐有以下作用：①降低旋流器入口含油，減輕旋流器處理負荷；②便于旋流器處理；③脫出污水中的溶解氣，降低其對旋流器處理效果的影響。

污水增壓泵利用低轉速、高效率的離心泵，加壓滿足旋流器壓力要求?？紤]到生產水量變化幅度較大，設計了4臺增壓泵和4臺水力旋流器，其對一一對應關系，即一臺增壓泵為一臺水力旋流器進行增壓，此種設計利用多臺旋流器和旋流器本身錐管的流量處理能力很好的滿足了流量變化幅度較大的問題，保證了處理效果。

5　結論

（1）油品性質直接影響旋流器的處理效果，特別是高密度原油，由于其油水密度差小，處理效果差；原油和污水的粘度越小，越有利于小油滴的聚結，從而提高處理效果。

（2）不同油氣田，其生產水量變化范圍、操作壓力大小及是否需要除砂等，在設計過程中，特別要注意控制閥、增壓泵等對油滴的剪切作用，根據旋流器進口污水的含油量，調整PDR設定值，保證最終污水含油量。

[1]賀杰，蔣明虎.水力旋流器[M].北京：石油工業出版社，1996.

[2]Martin Thew.Hydrocyclone redesign for liquid-liquid separation[J].The chemical Engineer，1986（7，8）：1723.

[3]王尊策，陳維勤，等.動態水力旋流器結構參數的優選設計[J].石油學報，2001，22（4）：104～107.

[4]K Sandeep.Alternatives to conventional gravity separation methods.Offshore，2002（12）：71～72.

TE96

A

1673-0038（2015）17-0142-03

2015-4-10

代娜（1981-），女，遼寧朝陽人，中級，本科，從事海洋平臺設計管理工作。

國?。?984-），男，遼寧阜新人，中級，本科，從事海洋平臺設計管理工作。