三相分離器油水界面調(diào)節(jié)范圍確定

寇鵬 俞樂平 袁海濤

（中國石油管道局工程有限公司天津分公司）

三相分離器是油田聯(lián)合處理站廣泛采用的脫水設(shè)備，其脫水效果直接影響站內(nèi)冷換設(shè)備的熱負(fù)荷和產(chǎn)品質(zhì)量。三相分離器除具有足夠的集液區(qū)容積之外，油水界面調(diào)節(jié)器合理的調(diào)節(jié)范圍，對(duì)處理后油中含水和水中含油的指標(biāo)起著至關(guān)重要的作用。及時(shí)調(diào)整油水界面位置，才能確保集液區(qū)內(nèi)油相中的乳化水和水相中的油滴有充足的時(shí)間分離出來。因此，本文從三相分離器的結(jié)構(gòu)著手，結(jié)合具體工程實(shí)例，闡述油水界面調(diào)節(jié)范圍的確定方法。

1 油水界面調(diào)節(jié)原理

三相分離器的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，油水界面調(diào)節(jié)器由界面調(diào)節(jié)閥門和升降器構(gòu)成，升降器可以看作是延長的閥桿，其下端焊有套在出水管頂端的圓管。旋動(dòng)界面調(diào)節(jié)閥門，帶動(dòng)升降器下端圓管上下移動(dòng)，可以調(diào)節(jié)出水口位置，實(shí)現(xiàn)油水界面的調(diào)節(jié)，其可調(diào)范圍即圖1中的“a”值。

圖1 三相分離器結(jié)構(gòu)示意

油水界面控制采用U型管原理，出水管高度計(jì)算如圖 2和公式（1）、公式（2）［1］所示。

圖2 出水管計(jì)算示意

式中：H——出水管高度，mm；ho——油層高度，mm；oρ——油密度，kg/m3；hw——水層高度，mm；wρ——水密度，kg/m3。

式中：h——油堰板高度，mm。

2 工程實(shí)例分析計(jì)算

2.1 脫水工藝簡介

某聯(lián)合站原油處理系統(tǒng)采用一段脫水工藝。各區(qū)塊輸送的原油混合后，經(jīng)過換熱器換熱至60 ℃，再進(jìn)入三相分離器進(jìn)行油、氣、水三相分離。分離出的天然氣去毗鄰的天然氣處理中心；脫出的含油污水進(jìn)站內(nèi)污水處理裝置進(jìn)行處理；脫出的不穩(wěn)定原油經(jīng)脫水提升泵增壓和換熱器換熱后進(jìn)原穩(wěn)系統(tǒng)，穩(wěn)定后的原油經(jīng)換熱器換冷至50 ℃后進(jìn)原油儲(chǔ)罐儲(chǔ)存。聯(lián)合站進(jìn)站混合原油物性如表1所示。

表1 聯(lián)合站進(jìn)站混合原油物性

2.2 三相分離器總體尺寸的確定

經(jīng)三相分離器處理后，油水指標(biāo)為油中含水≤0.5%、水中含油≤500 mg/L。為使逐年處理液量具有充分的脫水時(shí)間，首先應(yīng)保證容器集液區(qū)具備足夠的容積。各區(qū)塊來的天然氣產(chǎn)量、產(chǎn)出液量逐年預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可以得知，三相分離器最大處理液量為第14年的28.90×104m3/a。原油脫水試驗(yàn)表明：當(dāng)脫水溫度為60 ℃、脫水時(shí)間為120 min時(shí)，可以保證處理后的油、水達(dá)標(biāo)。同時(shí)，因分離出的油下游接泵，考慮油室緩沖時(shí)間為15 min，確定油堰板高度（h）為2.5 m、油室長度（L2）為2.8 m。三相分離器處理量計(jì)算如下：

表2 各區(qū)塊氣液產(chǎn)量逐年預(yù)測(cè)

式中：Q——液處理量，m3/min；D——分離器直徑，m；tr——脫水時(shí)間，min；Le——集液區(qū)長度，m；m——集液區(qū)截面積與分離器截面積的比值。

根據(jù)公式（3），采用試算法，通過不同D值求出Q值與14年最大處理液量比較，最后確定三相分離器總體尺寸。

通過計(jì)算，選擇2具直徑3 m、筒體長度12 m的三相分離器可以滿足生產(chǎn)要求，其中，集液區(qū)長度為9.2 m。三相分離器總體尺寸如圖3所示。

圖3 三相分離器總體尺寸示意

2.3 油水界面調(diào)節(jié)范圍的確定

由表2可以得知，逐年處理液量的含水率均不相同。為使三相分離器處理后油水達(dá)標(biāo)，需要集液區(qū)油層的乳化水和水層中的油滴有足夠的停留時(shí)間進(jìn)行分離，即集液區(qū)油相和水相容積需要分別滿足脫水時(shí)間要求［2］，表明含水率決定了油水界面的位置。因此，需要根據(jù)含水率變化及時(shí)調(diào)整油水界面調(diào)節(jié)器，進(jìn)而調(diào)整界面位置。

2.3.1 水相中分離油滴計(jì)算

若滿足水相中的油滴得到充分分離的條件，則水相容積應(yīng)由脫水時(shí)間和處理水量共同決定。首先，計(jì)算出集液區(qū)容積［3］：

式中：Vs——集液區(qū)容積，m3；VL——基于集液區(qū)長度和分離器直徑確定的容積，m3；k——容積系數(shù)。

式中：0≤h≤D。

此時(shí)，水相容積計(jì)算如下［3］243：

式中：Vw——水相容積，m3；qw——處理水量，m3/min；k1——容積系數(shù)。

式中：hw1——水相分離油的水相高度，m。

采用試差法計(jì)算水出口高度。首先假定一個(gè)水相高度hw1，代入公式（8）計(jì)算出k1，與公式（7）計(jì)算出的k1相比較，如果二者基本相符，則假定的水相高度hw1滿足要求。將hw1代入公式（1），計(jì)算出水出口高度H1。

2.3.2 油相中分離乳化水計(jì)算

與水相中分離油滴計(jì)算類似，若滿足油相中乳化水得到充分分離的條件，則油相容積應(yīng)由脫水時(shí)間和處理油量共同決定。此時(shí)，油相容積計(jì)算如下［3］243：

式中：Vo——油相容積，m3；qo——處理油量，m3/min；k2——容積系數(shù)。

式中：hw2——油相分離水的水相高度，m。

采用試差法計(jì)算水出口高度。首先假定一個(gè)水相高度hw2，代入公式（11）計(jì)算出k2，與公式（10）計(jì)算出的k2相比較，如果二者基本相符，則假定的水相高度hw2滿足要求。將hw2代入公式（1），計(jì)算出水出口高度H2。

2.3.3 油水界面調(diào)節(jié)范圍

綜上所述，對(duì)于某一固定的含水率，水出口高度H介于H1和H2之間（即H1≤H≤H2）時(shí)，才能同時(shí)滿足油相和水相的分離要求。計(jì)算得到油水界面調(diào)節(jié)器逐年調(diào)節(jié)范圍，如表3所示。

表3 油水界面調(diào)節(jié)器逐年調(diào)節(jié)范圍

油水界面調(diào)節(jié)器最大的調(diào)節(jié)范圍為H1min ≤H≤H2max，根據(jù)表3可以確定最大調(diào)節(jié)范圍為1 927.82 mm≤H≤2 250.28 mm。考慮油水量的波動(dòng)情況，設(shè)計(jì)時(shí)可以適當(dāng)放寬調(diào)節(jié)范圍，最終確定油水界面調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)的下死點(diǎn)為1 800 mm、上死點(diǎn)為2 400 mm。

3 結(jié)束語

在確定油水界面調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)范圍時(shí)，需要考慮集液區(qū)油相和水相容積均應(yīng)滿足總脫水時(shí)間的要求，根據(jù)產(chǎn)能預(yù)測(cè)中油水的處理量確定逐年調(diào)節(jié)范圍，為運(yùn)行方提供調(diào)節(jié)油水界面的依據(jù)。此外，在設(shè)計(jì)油水界面調(diào)節(jié)器時(shí)（確定調(diào)節(jié)的上死點(diǎn)和下死點(diǎn)）應(yīng)以逐年計(jì)算的調(diào)節(jié)范圍作為依據(jù)，并綜合考慮油水量的波動(dòng)性，合理確定調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)范圍。