一種新型梯形管油水分離裝置研究

楊蕾 錢(qián)國(guó)全 呂剛 宋奇

（1.中國(guó)石化江蘇油田分公司工程技術(shù)研究院；2.中國(guó)石化江蘇油田分公司采油二廠）

目前油田大部分區(qū)塊都已進(jìn)入高含水階段，大量污水的采出與回注的循環(huán)增加了地面系統(tǒng)的能耗。為了破解高含水帶來(lái)的難題，近年來(lái)我國(guó)也相繼研究開(kāi)發(fā)了一些高效脫水設(shè)備。大慶、大港、江漢、中原、河南等油田在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了以分離游離水和沉降為主的“合一裝置”，對(duì)于簡(jiǎn)化工藝流程具有很大的實(shí)用意義[1-5]；但這類(lèi)裝置成本及運(yùn)行費(fèi)用過(guò)高，因此急需研究一種簡(jiǎn)易油水分離裝置，兼具重力分離和慣性分離的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備占地面積小、流動(dòng)過(guò)程中的油水分離，從而達(dá)到“上游供水”“下游減負(fù)”的集輸模式。

1 油田生產(chǎn)現(xiàn)狀

油田目前共有12座聯(lián)合站，其中含水率高于80%的站點(diǎn)占比達(dá)到了80%，日產(chǎn)水量約18 000 m3/d以上。這些高含水站點(diǎn)的采出液長(zhǎng)距離輸送至聯(lián)合站后，由于水的比熱高于油的比熱，大量的加熱燃料主要用于加熱污水，增加了集輸系統(tǒng)加熱設(shè)備的負(fù)荷。以CB站為例，日產(chǎn)液量為3 754.8 m3/d，含水率為86.5%，進(jìn)站前平均溫度為45℃，進(jìn)站后溫度為51℃。根據(jù)吸熱反應(yīng)原理計(jì)算，每年加熱污水能耗達(dá)813.8×104k Wh，如果能將CB站來(lái)液在加熱前提前分離出50%污水，則每年可節(jié)電近406.9×104k Wh，節(jié)能潛力較大。

2 新型油水分離裝置

目前關(guān)于油水分離裝置的研究，主要集中在中科院和大慶、勝利、河南等油田，以重力分離、離心分離為原理進(jìn)行油水分離，其結(jié)構(gòu)有仰角式分離器、串聯(lián)式水力旋流器及各種工藝組合的多功能一體化分離器等。這些裝置在應(yīng)用中基本都能起到分水效果，但各有其缺點(diǎn)，如多功能一體化分離器，分離效果較好，但其投資、運(yùn)行成本高，后期維護(hù)安裝麻煩[6-10]；因此，有必要研發(fā)具有簡(jiǎn)潔、高效、節(jié)能等特點(diǎn)的油水分離裝置，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備占地面積小、流動(dòng)過(guò)程中的高效分離。

新型油水分離裝置由主管段和油水分離段組成，其中油水分離段由分支管、上部匯油管、下部匯水管等部件構(gòu)成。其工作原理是，當(dāng)來(lái)液進(jìn)入擴(kuò)徑后的主管段，降低來(lái)液流速，保證油水充分沉降、分層，分層后的油水再進(jìn)入油水分離段。分支管分流有效分散來(lái)液速度，可以使油水兩相在整個(gè)梯形管裝置中通過(guò)重力作用實(shí)現(xiàn)“分層—分流—回流”三個(gè)步驟，從而完成完整的油水分離。整套裝置需結(jié)合數(shù)值計(jì)算和仿真模擬來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 梯形油水分離裝置示意圖

2.1 主管尺寸確定

為了保證油滴有充足的時(shí)間上升至圓管頂部，使油水實(shí)現(xiàn)分層，其中直徑根據(jù)整流段流速來(lái)設(shè)計(jì)；長(zhǎng)度是計(jì)算的關(guān)鍵點(diǎn)，根據(jù)整流段流速與油滴上浮時(shí)間來(lái)設(shè)計(jì)。

2.1.1 主管直徑

美國(guó)圖爾薩大學(xué)學(xué)者Trallero在1997年通過(guò)實(shí)驗(yàn)繪制了1套油水流型圖（圖2），它將油水流動(dòng)分為六種流態(tài)，這套流型圖具有較高的認(rèn)可度。要使來(lái)液在主管流動(dòng)中油水分層，流動(dòng)狀態(tài)最好處于分層流和混合界面分層流兩種狀態(tài)下，因此流速應(yīng)該控制在0.01～0.8 m/s，根據(jù)流速、來(lái)液量可計(jì)算出主管直徑D。

圖2 油水流型圖

2.1.2 主管長(zhǎng)度

主管長(zhǎng)度是計(jì)算的關(guān)鍵點(diǎn)。當(dāng)高含水油水混合液進(jìn)入集輸管線內(nèi)，通常可以把油滴看作為分散相、水為連續(xù)相的兩相均相流動(dòng)，混合液流動(dòng)時(shí)徑向流動(dòng)很弱，只需考慮主流（時(shí)均流動(dòng)）的軸向運(yùn)動(dòng)。分散相油滴在相對(duì)穩(wěn)定的流動(dòng)中，由于受到連續(xù)相的浮力和運(yùn)動(dòng)阻力而做懸浮（y方向）上升運(yùn)動(dòng)。油滴運(yùn)動(dòng)受力平衡方程為

式中：y為某瞬時(shí)油滴所處位置距管底部的高度，mm；ρ、ρo分別為混合液和油滴的密度，kg/m3；do為油滴粒徑，μm；C為流體阻力系數(shù)，它與油滴形狀及流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，C=α/Rek（α、k分別為待定值和待定指數(shù)；Re為油滴繞流Reynolds數(shù)，Re=ρdo(d y/d t)/μ；μ為混合液的動(dòng)力黏性系數(shù)，mPa·s）。

油滴在垂直上升過(guò)程中有三種流態(tài)：層流、過(guò)渡流和湍流。由于混合液中絕大部分油滴都在μm級(jí)及以下，因此多屬于層流和過(guò)渡流。

1）假若油滴上升運(yùn)動(dòng)處于層流狀態(tài)，即屬于Stokes阻力區(qū)，Re≤1。根據(jù)流動(dòng)阻力與雷諾數(shù)曲線圖可得出C=24/Re，由此可得出不同油滴粒徑下的上升運(yùn)動(dòng)速度，即

2）假若油滴上升運(yùn)動(dòng)處于過(guò)渡狀態(tài)，即屬于Allen阻力區(qū)，1＜Re＜500，則C=24/Re0.5，由此可知油滴上升運(yùn)動(dòng)速度為

3）當(dāng)來(lái)液速度確定后，根據(jù)油滴在水平流動(dòng)時(shí)間與垂直上升時(shí)間相等，計(jì)算可得出不同油滴粒徑范圍內(nèi)的主管長(zhǎng)度，即

式中：D為管徑，mm；u為流速，m/s。

以某站為例，來(lái)液油相密度為0.86 g/cm3，黏度為100 mPa·s。根據(jù)方程計(jì)算得出300μm油滴粒徑所需要的主管直徑為125 mm，長(zhǎng)度為5 m；綜合考慮邊界層的影響，主管長(zhǎng)度定為7 m。

2.2 分支管尺寸確定

當(dāng)主管確定后，采用仿真軟件Fluent對(duì)分支管間距、高度、管徑、數(shù)目等4個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行油水分布流態(tài)模擬，以分離效率η為指標(biāo)，最終確定分支管結(jié)構(gòu)參數(shù)。

式中：Qxw、Qxo為下部富水相出口處的水相和油相體積流量，m3/s；Qw、Qo為入口處水相和油相體積流量，m3/s。

2.2.1 分支管間距

以某站來(lái)液為例，D=125 mm，進(jìn)液速度為0.15 m/s，分流比為0.5，以分支管間距為4D、8D、12D、16D進(jìn)行油水分布流態(tài)模擬，其分離效率如圖3所示。

圖3 分支管間距對(duì)分離效率的影響

由圖3可知，分離效率隨分支管間距的增大而增大。當(dāng)間距為12D時(shí)，分離效率可達(dá)40%，繼續(xù)增大分支管間距，分離效率上升緩慢，這主要是因?yàn)榉种Ч荛g距增大，來(lái)液進(jìn)入下個(gè)分支管前油水有充分的沉降穩(wěn)定時(shí)間，前期擾動(dòng)對(duì)其影響較小；而當(dāng)油水已經(jīng)沉降穩(wěn)定后，再繼續(xù)增大分支管間距，分離效率上升幅度就不明顯了。

2.2.2 分支管高度

保持分支管間距12D，以分支管間距為4D、6D、10D、12D進(jìn)行油水分布流態(tài)模擬，其分離效率如圖4所示。

圖4 分支管高度對(duì)分離效率的影響

由圖4可知，分支管高度對(duì)分離效率的影響較小。當(dāng)分支管高度為6D時(shí)，分離效率可達(dá)40%，故選擇分支管高度為6D。

2.2.3 分支管管徑

在對(duì)梯形管分支流動(dòng)與分離特性的一般性分析之后，進(jìn)行3次不同分支管管徑對(duì)分離效果的流態(tài)模擬，其中入口流速為0.5 m/s，含油量為40%。表1為3次不同分支管管徑的選擇，圖5為分支管管徑對(duì)分離效率的影響。

表1 不同分支管管徑

圖5 分支管管徑對(duì)分離效率的影響

由圖5可知，隨著第三根分支管管徑的縮小，分離效率變化不明顯，因此分支管管徑可選擇與整流段管徑一致。

2.2.4 分支管數(shù)目

采用等徑的多分支管，模擬分支管數(shù)目n=2、3、4，其余工況與上述相同，如圖6所示。從圖6可以看出，隨著分支管數(shù)目的增加，分離效率是逐漸增加的，這是因?yàn)樵黾臃种Ч軘?shù)目能夠分散降低流量，同時(shí)也能形成油水循環(huán)，即在分支管向上分流過(guò)程中，部分水相會(huì)被攜帶向下分流進(jìn)入?yún)R水管中。當(dāng)分支管數(shù)目為3根時(shí)，最后一根反向回流；當(dāng)分支管數(shù)目為4根時(shí)，第三根反向回流，但匯水管出口位置水相越多越好，此時(shí)分離出來(lái)的污水含油量較低，因此分支管數(shù)目為3根較好。

圖6 分支管數(shù)目對(duì)分離效率的影響

根據(jù)油水分布仿真模擬分析，當(dāng)分支管間距為12D、分支管管徑為D、高度為8D、數(shù)目為3根時(shí)，分離效率可達(dá)40%左右。

通過(guò)上述數(shù)值計(jì)算和仿真模擬分析，針對(duì)某站來(lái)液，設(shè)計(jì)了1套新型梯形油水分離裝置（圖7）。

圖7 新型油水分離裝置示意圖

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

以上述實(shí)例站點(diǎn)為例，新型油水分離裝置用于該站中，目前該站來(lái)液量約160 m3/d，綜合含水率為90%，分出來(lái)的水不加熱，直接進(jìn)入后端污水處理系統(tǒng)。根據(jù)吸熱反應(yīng)原理計(jì)算了不同分流比情況下的能耗節(jié)約量，具體如表2所示。

表2 不同分流比下的能耗節(jié)約量

從表2可以看出，當(dāng)分流比為50%（模擬情況）時(shí)，分出的污水進(jìn)入后端污水處理系統(tǒng)，按照1元/kWh電計(jì)算，則年可節(jié)省加熱能耗67.74萬(wàn)元，節(jié)能潛力較大。由于前期模擬時(shí)假設(shè)油滴粒徑是同一直徑，且未考慮流體之間的碰撞因素，因此，后續(xù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)還需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況摸索出適宜的分流比。