氣浮選器溶氣裝置升級改造

梁波

(中海油能源發展股份有限公司 采油服務分公司，天津 300452)

氣浮選器是石油化工企業中重要的生產水處理設備，氣浮選器其基本原理就是向生產水中通入空氣、氮氣或天然氣等氣體，并在生產水中行成微小的氣泡，水中的微小顆粒雜志、懸浮物、乳化油等污染物可以以氣泡為載體粘附在這些微小的氣泡上，利用密度低自然上浮的原理上浮到水面，從而實現凈化水質的目的[1]。按照產生氣泡工藝的不同可以將氣浮工藝分為布氣氣浮、溶氣氣浮、加壓溶氣氣浮等種類。渤海某油田FPSO所采用氣浮裝置為溶氣氣浮，但由于設備設計不合理等原因產生了噴射的氣泡過大的現象，同時氣泡的過大造成了氣浮選器液位的大幅波動，因此處理效果反而不理想。為提升氣浮選器的處理能力，決定在現有氣浮選器結構組成基礎上進行升級改造，同時分析其在不同工況下的處理效果，從而滿足油田生產水處理的需求。

1 氣浮選器運行過程分析

1.1 氣浮選器運行過程

氣浮選器內部主要由進水區、氣浮區、收油區、出水區、液位監測系統及氣浮循環泵等幾大部分組成，原始設計采用噴射式誘導氣浮機，原理見圖1。噴射器作為噴射式誘導氣浮機的核心部件能夠利用水為動力將氣介質導入水中并使之破碎成氣泡[2]。噴射器具體工作原理見圖2。

圖1 氣浮選器工作原理示意

圖2 噴射器工作原理示意

高速水流由噴嘴射入，在吸入室產生一定的負壓將氣體吸入，氣體在氣與液體粘滯特性作用下，被射流從吸入室帶入混合室，這時氣體與液體作相對運動，且均為連續相，液體表面由于受到氣體的摩擦，表面產生表面波，流動變得不穩定；液體表面的表面波振幅不斷增大，導致液體逐漸被剪切，最后破碎成小顆粒，與氣體一起進入混合段；被剪切成小顆粒的液體和氣體在混合段相互摻混，形成相對穩定的氣液乳狀液。

1.2 存在的問題

由于經噴射器形成的氣液混合介質中氣泡較大，因此上升過程中極易破碎并形成強紊流，從而引起液位監測系統所監測的液位大幅波動，造成流程運行狀態不平穩[3-4]。經過對操作壓力、溶氣制備系統回流比例、氣水溶解比例等相關參數的試驗優化，依舊不能使氣浮選器處于平穩的運行狀態。

為保障油田實現“注好水、注夠水、優質注水，滿足油田提液穩產”的目標，需要提升氣浮選器的處理效果，減輕下游生產水處理設備核桃殼過濾器的處理壓力，同時進一步減少化學藥劑的使用量，增強流程的抗波動能力。決定對氣浮選器罐內及罐外設備進行升級改造，拆除原有氣浮循環泵，安裝微氣泡發生裝置及各配套設備，提升立式氣浮的處理效果并恢復其氣浮功能。

2 工藝改造及運行參數優選

2.1 氣浮選器裝置工藝改造

2.1.1 微氣泡發生裝置改造

將原噴射器拆除，改用微氣泡發生裝置制備溶氣水，改造后氣浮選器設備及工作流程見圖3。從氣浮選器出水區取適量水作為溶氣水的水源，設備撬外氣源增壓后引入氣體注入器，利用水流的高速切割機理生成高濃度的溶氣水，其中一部分氣體快速溶入水體中，而更多的過飽和游離氣體以細小氣泡形式存在，并隨水流帶入微氣泡配水腔，在導流裝置引流下，經旋流穩定后流入加速區，旋流水流中的大氣泡被切割成細小的氣泡，水層中的細小氣泡在離心力的作用下向旋流中心移動，大氣泡在離心力和浮力作用下至排放口排出，經多次切割后的微細氣泡均勻的分布于水體中，由進水管道送入氣浮選器與含油來水接觸混合。

圖3 改造后氣浮選器工作流程

2.1.2 溶氣水制備系統改造

由于流程運行過程中流量一直處于變化狀態，因此為了達到處理的最佳效果，回流水量及溶氣量也應處于動態變化的狀態。為了實現這一目的，對溶氣水制備系統流程進行如下改造。

1)合理調整進氣量。在氣源處加入一PCV，首先保證進氣壓力的穩定性，其次在氣源管線上增加一FCV閥門，并將該閥門設置成3種調節狀態(人為輸入固定閥開度、設定固定流量閥門開度自動調節、根據水量自動折算需供氣量閥門自動調節)，在實際應用中可根據實際流程情況自行改變調節方式，從而實現流程調節的人性化、自動化。

2)合理調整氣浮循環泵回流水排量。為了在滿足流程工況的需求現場對回流水量進行多次測試，當進水量在一定范圍內波動時，調節氣浮循環泵排量在一固定值時，能夠保證氣浮選器的處理效果，當有流程調整導致氣浮選器入口水量變化較大時，可根據已有測試結果手動調節氣浮循環泵出口閥門開度。

2.1.3 氣源改造

根據現場情況，使用天然氣作為氣源時施工簡便且氣源供氣量充足并壓力穩定，但使用天然氣時會伴隨有少量液態烴的存在，會造成加入溶氣水后反而水質變差的情況。為了解決這一問題，在現場改造過程中設計2種方案。

1)為了最大程度去除天然氣中存在的各種雜質、污物、液態烴等，改造過程中在氣體入口前增加了氣體過濾器，用以去除氣體中的油滴、粉塵、管道銹渣等。

2)在改造過程中加入氮氣一路作為備用氣源，當FPSO氮氣用戶較少時可以選擇氮氣作為溶氣氣源。

同時為保持氣浮選器在設定壓力下工作，罐體頂部設置欠壓補氣閥和過壓排氣閥，均為自力式調節閥。

2.1.4 氣浮選器內部結構改造

在收油區增加擋板加快收油效率，進液管線上增加彎管使罐內產生弱旋流，同時增加入口溶氣水釋放口和溶氣水釋放管，使同一平面內釋放的微細氣泡均勻分布，出水區增加出水擋板建立清水區域，與出水口形成緩沖空間，同時將出水管路和回流水管路內向延伸，使出水口位于清水區上層，避免與排污口干擾[5]。

2.2 氣浮選器運行參數優選

氣浮選器相關工藝設備管線改造后，為了使氣浮選器達到最佳處理效果，結合微氣泡發生裝置設計原理，決定通過調整微氣泡發生裝置進氣量、進氣壓力，以及回流水比例(氣浮循環泵流量與氣浮選器處理水量之間的比值，其中氣浮選器處理水量基本為一定值)3個參數來觀察不同工況下氣浮選器出口水質情況。

2.2.1 試驗數據匯總

在試驗過程中，分別在不同工況條件下維持4 h，并每間隔1 h進行取樣化驗生產水中含油情況，含油越少說明氣浮選器處理效果越好，最終取4 h化驗結果平均值作為該工況條件下氣浮選器出口水質進行對比分析。

最終匯總得到表1。

2.2.2 試驗數據分析

通過對表1內數據的匯總分析，將不同工況下氣浮選器出口水質監測結果繪制成圖4。

表1 不同工況下氣浮選器出口水質記錄表

圖4 不同工況下氣浮選器出口水質監測對比

由圖4可以明顯看出，隨著進氣量的不斷增加，氣浮選器出口水中含油值逐漸降低，直到進氣量達到8 m3/h后，氣浮選器處理效果達到最佳狀態，當進氣量增加到9 m3/h后，氣浮選器出口水中含油值又再次升高。

通過分析溶氣水產生原理及現場取樣觀察微氣泡發生器出口溶氣水狀態可以對這一現象進行解釋：當進氣量過低時，大部分氣體都能夠通過旋流、剪切等作用在生產水中行成穩定的微氣泡，但由于進氣量的不足，會導致微氣泡的濃度偏低，不能將生產水中的所有懸浮物、微小顆粒等雜質與微氣泡粘附上浮，因此雖然氣浮選出口水質不能達到最佳狀態；當進氣量過大時，會導致微氣泡發生器中所形成的微氣泡濃度過大，在此部分溶氣水經過管線進入氣浮選器的過程中，增加了微氣泡間碰撞融合的幾率，從而使氣浮選器內的微氣泡體積過大，相對應的其比表面積減小，因此不能充分發揮其微氣泡的作用。

圖4表明，目前工況下最佳進氣量為8 m3/h，但通過此圖很難看出回流水比例及進氣壓力對氣浮選器出口水中含油的影響，因此，將進氣量為8 m3/h的試驗數據單獨抽出進行作圖對比，見圖5。

圖5 不同進氣壓力及回流水比例工況下氣浮選器出口水質監測對比

由圖5明顯看出，當進氣壓力為750 kPa時，氣浮選器出口水質最好，橫向對比后又可以看出當回流水比例為0.9%時氣浮選器處理效果最佳。這主要時因為進氣壓力過低時，氣體不能夠與生產水進行充分的混合，因此會影響微氣泡的形成，但當進氣壓力過高后，在微氣泡發生器內所產生的旋流擠壓作用會更強，從而影響微氣泡的穩定存在；回流水的比例影響著微氣泡的濃度，當回流水比例過低時會導致微氣泡發生器出口進入氣浮選器內的溶氣水總量過低，因此影響處理效果，當回流水比例過高時，由于微氣泡發生器裝置本身的容積限制，會導致溶氣水在微氣泡發生器內的滯留時間變短，不能達到穩定的溶氣水狀態，因此也會影響微氣泡的穩定存在。

2.2.3 最佳工況確定

通過上述分析可知，當進氣量為8 m3/h、進氣壓力為750 kPa、回流水比例為0.9%時氣浮選器出口水中含水達到最低狀態，氣浮選器處理效果最佳。

3 結論

通過對氣浮選器溶氣水制備系統、氣源、氣浮選器內部結構等工藝設備的改造，恢復了氣浮選器的氣浮功能，增強了其生產水處理效果。同時在運行過程中對不同工況下的氣浮選器處理效果進行了測試試驗，最終得出其最佳運行工況。氣浮選器的運行狀況表明，改造后的溶氣水制備系統運行狀態良好，達到了其設計的溶氣狀態，降低了下游生產水處理設備的壓力，保障了油田的注水水質。所實施的設備改造內容對其他類似生產水處理設備的升級改造有借鑒意義，在后續設備處理能力提升上，可繼續從溶氣水的制備效果上著手，進一步研究溶氣水狀態對生產水處理效果的影響。