隔油罐浮油回收裝置的改進與應用

李金永 馬文娟 薛李強 朱治國 張蘭 苗彥平 牛忠曉

中國石油華北油田分公司第三采油廠

油田采出水處理主要通過隔油罐、除油器、過濾器等設備實現油水分離及懸浮物顆粒去除，其中隔油罐作為處理采出水油水分離的重要節點，在物理沉降和絮凝劑的綜合作用下實現油水分離[1]，當隔油罐上部浮油液面達到9.2 m 時，可以通過固定位置的盤管收取浮油。目前華北油田第三采油廠里一聯含油污水處理站隔油罐上部浮油回收為固定式收油工藝，只有在罐中水位處于高液位并達到固定收油位置時才能將表面的浮油收取排出[2]。實際生產過程中隔油罐液面不易控制，當隔油罐液位超過固定收油位置時，收取的浮油中含水率較高，增大了下游的污水處理負荷與難度；當隔油罐液位低于固定收油位置時，浮油不能夠及時收取排出，造成浮油剩余；另外，華北地區冬季溫度低，產生的浮油容易形成凝固油堵塞收油槽，增加清罐工作量；需要兩名員工配合啟停收油泵，操作繁瑣；時常存在收油不及時、不徹底等情況，致使罐內浮油停留時間較長后形成老化油，嚴重增加水處理負荷，對水處理系統產生不良影響[3-4]。

因此，對隔油罐浮油回收裝置進行改進，提高收油效果和效率，保障生產和提高該節點的出水水質，具有重要的實際生產意義。

1 連續收油裝置工作原理

連續收油裝置的主要工作原理是阿基米德浮體原理和液體旋流，收油裝置在浮子的浮力作用下，隨著沉降罐內液位的變化上下圍繞一點做擺線運動；收油口位于液面下一定深度，隨著浮子的上下浮動，在不同的液位高度來回運動，從而在收油口附近產生旋流，收取浮油并排放至罐外（圖1）。

圖1 收油裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the oil recovery device

連續收油裝置無需外力驅動，依靠浮子在液體中產生的浮力與水罐內液體自身的壓力帶動設備運動，并保證收油槽始終位于油水過渡帶設定的高度位置。該裝置可以及時收取儲罐內的表面浮油，且不受罐內液位高低的限制，表面浮油回收面積可達到95%以上，提高了油品回收效率。針對老儲罐進行改造，可以降低高液位操作的安全隱患、出水含油量及收油含水率；操作過程無需人工監控，方便快捷，一名員工可以獨立完成，減輕了員工成本與員工工作量；連續收油裝置檢維修周期可以達到十年以上，員工本人可以完成檢修工作。

2 連續收油技術核心功能

連續收油技術需要根據實際生產情況，對不同負荷下的隔油罐整個受力系統進行分析，然后對浮子、收油槽、回轉機構、設備工藝等進行設計，使之與傳統的固定收油工藝共存，并在此基礎上安裝伴熱裝置，解決冬季收油難、凝固油等難題。

2.1 受力分析

隔油罐中的采出水沒有絕對的油水界面（圖2），均以一定高度油水混合帶的形式存在[5]。連續收油裝置無需外力驅動，靠浮子在液體中產生的浮力驅動，確保收油槽需始終位于油水混合帶，帶動整套設備運動，則在y 方向上需滿足重力系統受力平衡：

圖2 連續收油裝置在罐內的結構Fig.2 Structure of the continuous oil recovery device in the tank

實際生產中系統受力比較復雜，其中主要作用力有：收油槽自身重力與自身的浮力；浮子的浮力；空心管柱自身重力與自身的浮力；流體與管柱外壁間的摩擦力；收油槽、浮子與流體的摩擦力。

安裝連續收油裝置后，需滿足以下條件：

收油槽浮力+浮子浮力+管柱浮力=收油槽重力+浮子重力+管柱重力+綜合摩擦力

其中：收油槽浮力≈收油槽重力；管柱浮力≈管柱重力；因此，浮子浮力≈浮子重力+綜合摩擦力，浮子的浮力足以平衡整個系統的摩擦力和自身的重力。

2.2 浮子與收油槽設計

隔油罐中油水混合帶的含水率自下而上逐漸降低，混合帶的液體密度自下而上逐級減小。根據收油裝置收取浮油的含水率可以確定收油槽與浮子的相對位置，根據隔油罐的橫截面積與油水混合帶高度確定收油槽的體積[6]，收油槽體積計算公式如下：

式中：V為收油槽在空氣中的體積，m3；G為收油槽在空氣中的質量，kg；ρ為油水混合液的密度，kg/m3。

浮子體積的確定原則：

（1）浮子在液面外體積占浮子本身體積的比例在1/3 至2/5 內。

（2）浮油回收面積≥95%，收油含水率≤1%。

在浮子的底部安裝調整螺栓，調整浮子與收油槽的高度差（圖3）。調整螺栓頂部距離浮子底部的距離109 mm，保持收油槽始終距浮油液面以下深60 mm 左右或油水過渡帶的1/5。不同油田油質不同，可以根據實際需求進行調整，保證收油含水率達標。

圖3 浮升機構正視圖Fig.3 Front view of the floating mechanism

2.3 設備工藝設計

在華北油田的其他采油廠應用過的連續收油裝置，采用橡膠軟管作為連續收油的輸油管，當油質不良、水中油量比較大時，易堵塞管道，影響設備的運行。綜合考慮環境與經濟因素，選擇碳鋼作為浮動臂、回轉機構、支架、浮子、螺栓、法蘭和出油管的材料，不銹鋼作為收油機構的材料。根據里一聯2#隔油罐的內部布局對其參數進行設計：上回轉臂長度7.235 m，下回轉臂長度4.914 m，回轉臂管徑159 mm。收油臂安裝在中心反應筒下部，安裝高度2 m，出油口管徑168 mm。該裝置的收油高度大于3.022 m，小于9.0 m，完全滿足生產需求。

2.4 回轉接頭設計

傳統的回轉接頭常存在偏置摩擦問題，回轉接頭偏置摩擦造成操作過程中經常出現泄漏和起落管凡卡等機械故障，起落管放不下或起不來、抽空或油帶水。針對以上問題，選用滾珠做支撐，旋轉靈活無偏置；選用橡膠材料做靜密封圈。回轉接頭安裝時遵循“軸轉軸套不轉”原則，即軸套連接固定端，軸連接旋轉端（圖4）。

圖4 回轉接頭結構Fig.4 Structure of the rotary joint

2.5 防凍保溫設計

北方冬季氣溫低，沉降罐頂部原油容易結成一層硬蓋，造成連續收油裝置的收油槽和平衡浮子被卡，不能隨著液位上升或下降，影響收油效果。針對此問題，在原有的連續收油工藝基礎上增加伴熱裝置，通過伴熱裝置對凝固油進行加熱，將凝固油層溶化成流質態進行二次收取，伴熱盤管始終浸沒于溶液表面，加熱油品。部分沉降罐中設有伴熱盤管，可以通過管內熱水回流進行油水過渡帶伴熱；沒有伴熱盤管的沉降罐，可以在浮升機構下步安裝加熱線圈（圖5），通過電伴熱帶進行加熱，在其外部包裹阻燃層，并通過溫度控制器保證實時控溫，對凝固油進行加熱，避免老化油產生。

圖5 連續收油裝置圖Fig.5 Continuous oil recovery device

2.6 與固定收油工藝共存

里一聯2#隔油罐內部結構復雜，上水管和出水管占據了大罐部分空間，根據布水管之間的空隙，以隔油罐內部中心筒為中心線，在罐內空隙處均勻分布新建三組收油裝置。將支撐機構固定在中心反應筒下部，浮動臂、集油管組均勻分布在罐內閑置空間，罐內之前的進液裝置與出液口均正常運行。該方案滿足了新建連續收油裝置的正常運行，也保留了沉降罐內部原有的固定收油工藝（圖6）。

圖6 安裝連續收油裝置后的罐內結構Fig.6 Structure of the tank after installing the continuous oil recovery device

3 現場應用

3.1 連續收油裝置的使用情況

里一聯合站油區來水處理流程依次為：油區儲油罐中底水經放水泵進入水區隔油罐（里一聯合站有1#與2#兩級隔油罐），經過隔油罐的混凝沉降作用，實現初步油水分離，污水進入調節罐進行下一步污水精細處理，隔油罐內浮油通過連續收油裝置中的收油槽進入回轉臂[7]，從排油管排出至收油緩沖罐，最終通過收油泵回收至油區壞油罐進一步處理，現場流程如圖7 所示。

圖7 里一聯合站污水收油流程Fig.7 Sewage oil recovery process at Liyi Multi-purpose Station

2019 年1 月份在里一聯合站2#隔油罐安裝連續收油裝置，并對其進行工藝改進[7]，使其適應該站場的實際生產條件，經過3 個月的現場實驗，該裝置在不同液位下均可以實現收油，運行狀態均良好（表1）。該裝置在2#隔油罐內的理論收油高度大于3.022 m，小于等于9.0 m，與實際生產相符合。

表1 不同液位下的收油狀況統計Tab.1 Statistics of oil recovery conditions under different liquid levels

2017、2018 年隔油罐通過固定收油方式收油，當液面達到一定高度時通過固定位置的盤管收取浮油，收油周期為7 天一次。2019 年連續收油裝置正式運行后，將油水過渡帶的厚度控制在30 cm以內，收油周期由7 天一次調整為3 天一次[3]，每10 天在隔油罐水處理出口進行人工取樣，進行含油量測定，并計算其水中含油去除率，實驗數據見圖8。

圖8 里一聯2#隔油罐出口含油量去除率統計Fig.8 Statistics of the oil content removal rate at the outlet of 2#Oil Separation Tank in Liyi Multi-purpose Station

里一聯合站進液穩定，油區放水含油量穩定，每年含油去除率均低于隔油罐含油去除率的指標，安裝連續收油裝置后，2#隔油罐的含油去除率大幅提高，由圖7 可知2017 至2019 年隔油罐平均含油去除率[4]分別為58.41%、57.41%、89.04%，連續收油裝置在里一聯2#隔油罐試驗效果良好。里一聯合站隔油罐收油系統升級改造完成后，過濾器前污水含油量較之前同期對比降低50%以上，一定程度上降低了過濾器的負荷，減少了過濾器反沖洗與濾料更換的頻次，延長了過濾器的使用壽命。

3.2 連續收油對綜合水質的影響

影響里一聯合站管線腐蝕的一個重要因素是硫酸鹽還原菌（SRB），SRB 為嚴格厭氧菌，石油中的碳源可以為其提供自養的能量，油中含水率60%～80%的條件下可以大量繁殖，隔油罐長期處于高液位運行，收油不及時的情況下極易產生大量的SRB，嚴重腐蝕管線與設備；里一聯2#隔油罐內的連續收油裝置正式運行后，隔油罐出口含油量大幅降低，SRB 含量大幅減少，腐蝕速率顯著下降（表2），同時懸浮顆粒和其他雜質相應減少，遂2019年7 月對該站藥劑添加量進行優化調整，將緩蝕劑、凈水劑的添加量縮減5%，其水質依舊穩定達標。

表2 里一聯合站SRB 含量統計Tab.2 Statistics of SRB content at Liyi Multi-purpose Station

里一聯合站油區放水平穩，含油質量濃度穩定保持在200 mg/L 以下，在2#隔油罐安裝連續收油裝置后隔油罐出口水質均保持在含油質量濃度≤20 mg/L、懸浮物質量濃度＜10 mg/L，注水泵出口綜合水質持續超額達標。綜合考慮里一聯目前水質與生產實際情況，決定于2020 年初停用1#隔油罐，并保持藥劑添加量不變，對該站水質進行跟蹤調查，試驗結果如圖9 所示，其含油質量濃度、懸浮物質量濃度分別穩定小于等于15 mg/L、5 mg/L，水質穩定達標。

圖9 2019 至2020 年里一聯注水泵出口水質統計Fig.9 Statistics of the outlet water quality of injection pumps at Liyi Multi-purpose Station from 2019 to 2020

4 結論

（1）從里一聯2#隔油罐連續收油裝置安裝后兩年多的試驗數據得出，該裝置收油高度可以達到3.0 至9.0 m，平均浮油回收率達到89%，老化油在罐內通過加熱裝置實現二次收取，減少了產量損失；出罐水質大幅提升，減少了緩蝕劑與凈水劑的用量，減輕了下一節點水處理負荷，減少了過濾器反沖洗與濾料更換的頻次，延長了過濾器的使用壽命與清罐周期，降低了含油污泥的產生量。

（2）連續收油裝置安裝過程簡單、不影響罐內原有的其他工藝流程，運行及維護成本低，日常操作簡單，自動化程度高安全可靠，適合在污水處理負荷不斷增加、崗位員工逐漸老齡化的污水處理站安裝使用，在綠色油田建設、自動化站場管理方面發揮了積極的作用，具有廣泛的推廣價值和應用前景。