JZ9-3平臺除油罐斜管結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

付家新，向問陶，周 薇，王建文，靖 波，尹先清

（1長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023；2海洋石油高效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100027；3中國海洋石油總公司研究總院，北京 100027）

應(yīng)用技術(shù)

JZ9-3平臺除油罐斜管結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

付家新1，向問陶2，3，周 薇2，3，王建文2，3，靖 波2，3，尹先清1

（1長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023；2海洋石油高效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100027；3中國海洋石油總公司研究總院，北京 100027）

從沉降原理和數(shù)學(xué)分析的角度出發(fā)，探討了JZ9-3平臺V-301除油器斜管工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，給出了除油罐斜管工藝結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化結(jié)果，為斜管工藝設(shè)計(jì)改造提供了理論依據(jù)。優(yōu)化后的結(jié)果顯示，污水中油滴粒徑下降了4 μm，除油效率明顯提高，除油器堵塞現(xiàn)象亦會有所改善。

除油罐；斜管結(jié)構(gòu)參數(shù)；設(shè)計(jì)與優(yōu)化

斜板（管）除油提高油水分離效率的依據(jù)是“淺池沉淀理論”，這種理論忽略了紊流（即認(rèn)為是層流）、進(jìn)出口水流的不均勻性（即未考慮流速分布）以及顆粒下沉和油珠上浮過程中的絮凝聚并（即未考慮加速沉降）等因素，認(rèn)為顆粒和油滴是在理想狀態(tài)（即未受干擾）下進(jìn)行重力沉降而被分離的。

從水流和斜板（管）的傾斜關(guān)系來劃分，斜板（管）的布置方式可分為前向流、后向流、上向流、下向流和橫向流（側(cè)向流）5種。其中前向流和后向流用得很少，實(shí)際意義不大，工程上常用的是上向流、下向流與橫向流[1]。

考察上向流、下向流與橫向流，并結(jié)合顆粒沉降與油珠浮升，可建立6種不同的沉降模型，分別是：上向流顆粒沉降（異向流）和上向流油珠浮升（同向流）；下向流顆粒沉降（同向流）和下向流油珠浮升（異向流）；橫向流顆粒沉降（錯向流）和橫向流油珠浮升（錯向流）。針對這6種沉降模型，運(yùn)用沉降理論并結(jié)合三角形相似原理經(jīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，歸納整理可得出如下3組數(shù)學(xué)模型（見表1）[1-2]。

表1 斜板（管）幾何參數(shù)與水流速度、沉降速度和分離直徑之間的對應(yīng)關(guān)系

1 JZ9-3平臺V-301斜管除油罐斜管工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的理論分析

JZ9-3平臺V-301A/B斜管除油器為φ3400 mm× 8000 mm的臥式圓筒形容器（圖1），器內(nèi)斜管斷面為六邊蜂窩型，其內(nèi)切圓直徑為φ50 mm，水平傾角60°，且為下向流，兩臺并聯(lián)運(yùn)行，日處理污水約7000 m3。

圖1 JZ9-3平臺V-301斜管除油器斜管布置區(qū)尺寸（單位：mm）

考慮到海上平臺設(shè)備改造的不便，現(xiàn)維持斜管布置區(qū)空間幾何尺寸（長×寬×高＝5000 mm×3180 mm×866 mm）不變，即斜管斜長l=1000 mm、斜管布置寬度w=5000 mm、斜管組厚度（或深度）s=3180 mm、斜管布置高度866 mm及其它參數(shù)不變，通過優(yōu)化確定斜管工藝結(jié)構(gòu)尺寸。這樣做就不會傷害到設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只需改造或更換斜管即可。

1.1 水流方向

關(guān)于水流方向的優(yōu)化。對表1中的公式進(jìn)行分析即可得出如下結(jié)論。

（1）就去除油滴效果而言，下向流最好（異向流），橫向流居中（錯向流），上向流（同向流）最差。原因是在Q、Af和A一定的情況下，采用下向流時(shí)所需理論板（管）長l′較短，能被完全去除的顆粒直徑dp也較小。

（2）就去除固粒效果而言，上向流最好（異向流），橫向流居中（錯向流），下向流（同向流）最差，原因與（1）相同。

因此不論是顆粒沉降還是液滴浮升，異向流最好，錯向流居中，同向流最差。

（3）工程應(yīng)用時(shí)，因Af是A的十幾倍或上百倍（即fA?A），故3種流向的除油效果基本接近。如果懸浮固相含量高沉泥多，出現(xiàn)污泥滑落不暢容易造成斜板（管）堵塞時(shí)，應(yīng)盡可能采用下向流以發(fā)揮重力和水力沖刷的作用。

1.2 斜管傾角

關(guān)于斜管傾角的優(yōu)化。原設(shè)計(jì)中，l=1000 mm、w=5000 mm、s=3180 mm、θ=60°、d=50 mm，計(jì)算n時(shí)取壁厚為2 mm，按原設(shè)計(jì)點(diǎn)并結(jié)合現(xiàn)有污水處理量按表2計(jì)算步驟進(jìn)行。

在其它參數(shù)不變的情況下只改變傾角，按表 1和表 2中給出的計(jì)算公式和計(jì)算步驟分別計(jì)算DN50 mm和DN60 mm斜管組的相關(guān)參數(shù)，并對計(jì)算結(jié)果作圖得圖2。

圖2（a）和圖2（b）分別對應(yīng)于DN50 mm和DN60 mm斜管組，下向流與上向流曲線分別采用表1中的異向流和同向流公式按表2中的計(jì)算步驟計(jì)算得到。從圖2中可以看出如下結(jié)果。

（1）V-301除油罐若不考慮其它因素，就除油效果而言，無論是上向流還是下向流，在兩種不同管徑下均存在一個除油最佳的相同傾角（約45°），30°～60°為可選范圍，超過60°，斜管總投影面積Af急劇下降，能被去除的最小粒徑值dpc急劇增大，除油效果急劇惡化，最佳傾角范圍應(yīng)在40°～50°，且與斜管直徑和水流方向無關(guān)，只與斜管組布置的空間參數(shù)（長、寬、高）和管壁油泥的滑脫性能有關(guān)。

表2 優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟中各計(jì)算項(xiàng)目所對應(yīng)的計(jì)算公式（適用于下向流）

（2）下向流明顯優(yōu)于上向流。盡管下向流和上向流并不改變斜管組的總投影面積Af和工作區(qū)面積A，但上向流去除油珠的臨界直徑dpc比下向流明顯要大，除油效果明顯變差。

（3）DN60 mm的總投影面積Af比DN50 mm明顯要小，能完全去除油珠的臨界直徑明顯比DN50 mm要大。這說明增大斜管直徑將會降低斜管組的除油效率。

（4）計(jì)算結(jié)果還表明（此處未列出計(jì)算結(jié)果），沉降所需斜管的理論長度均大于實(shí)際長度，能被去除的油珠直徑均在100 μm以上，只能去除浮油（＞100 μm），對分散油（10～100 μm）和乳化油（＜10 μm）的去除能力很差，因此導(dǎo)致V-301除油罐出口含油仍在120 mg/L以上。

1.3 斜管直徑

同樣，保持V-301除油罐其它參數(shù)不變，只改變斜管直徑，并忽略因管數(shù)變化而引起的η值的變化，分別計(jì)算出45°、50°、55°、60°的相關(guān)參數(shù)，數(shù)據(jù)處理結(jié)果見圖 3。從圖 3可以得出如下結(jié)果。

圖2 V-301除油罐斜管傾角與能被分割的最小油滴直徑之間的對應(yīng)關(guān)系

圖3 V-301除油罐斜管直徑與能被分割的最小粒徑之間的對應(yīng)關(guān)系

①隨著斜管內(nèi)徑d的增大，總投影面積Af減小，能被去除的顆粒粒徑dp卻增大，除油效果變差。然而，“斜管直徑越小，除油效果越好”這一結(jié)論僅僅只是針對顆粒沉降和油珠浮升而言，并未考慮斜管堵塞的問題。工程上考慮到黏稠物體和油泥附壁于斜管進(jìn)而導(dǎo)致斜管堵塞，因此，適宜的斜管直徑需由實(shí)驗(yàn)確定。

②45°和 50°兩種情況下的臨界直徑和總投影面積曲線非常接近，但50°和55°、55°和60°的差距卻逐步增大。

1.4 斜管停留時(shí)間

對除油器而言，停留時(shí)間越長，除油效果越好。由于是老設(shè)備的改造，斜管空間尺寸難以改變，否則會造成原斜管除油器不可用。只要斜管組空間尺寸不變化，則停留時(shí)間就不會改變。

2 V-301除油罐斜管尺寸的優(yōu)化結(jié)果

從上文的理論分析可知，宜從“增大斜長、縮小傾角、減小管徑”三方面進(jìn)行調(diào)整，而且只能在原有設(shè)備上進(jìn)行，顯然調(diào)整的幅度不能過大，否則將導(dǎo)致V-301除油罐不可用。

V-301除油罐斜管布置區(qū)斜管組理論優(yōu)化的結(jié)果見表3。

根據(jù)理論分析，表3中的12組數(shù)據(jù)中以第1組數(shù)據(jù)除油率最好，但是，因JZ9-3平臺V-301斜管除油器堵塞現(xiàn)象比較嚴(yán)重，故傾角和管徑均不能太小，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，可考慮采用50°傾角、60 mm直徑、斜長1130 mm的斜管，該斜管與原60°傾角、50 mm直徑、斜長1000 mm的斜管相比，除油效果將會有所改善（dpc= 111 μm→107 μm），堵塞現(xiàn)象有可能得到緩解。

表3 斜管工藝尺寸優(yōu)化結(jié)果（布管空間尺寸5000 mm×3180 mm×866 mm）

3 結(jié) 論

（1）斜管沉降常用的進(jìn)水方式主要有上向流、下向流和橫向流3種。這3種進(jìn)水方式既可用于固體顆粒的沉降，又可用于液滴油珠的浮升，當(dāng)固粒和液滴同時(shí)存在時(shí)則表現(xiàn)出6種運(yùn)動方式，通過數(shù)學(xué)描述得出3組數(shù)學(xué)模型，即異向流、同向流和錯向流模型。

（2）在3種沉降模型中，無論是固粒沉降還是液滴浮升，異向流的去除率最好，橫向流居中，同向流最差。故就除油而言，以采用下向流為最好。

（3）“增大斜長、縮小傾角、減小管徑”是已有設(shè)備改造提高除油效率的有效手段，但同時(shí)會增大斜管堵塞的傾向，合理的參數(shù)還需由實(shí)驗(yàn)確定。

（4）經(jīng)對V-301斜管除油器斜管結(jié)構(gòu)的理論分析并結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)際，經(jīng)優(yōu)化后的斜管傾角為50°，斜管長度1130 mm，斜管直徑60 mm。優(yōu)化參數(shù)與原設(shè)計(jì)參數(shù)（斜管傾角60°、斜管長度1000 mm、斜管直徑50 mm）相比較，臨界粒徑下降了4 μm（111 μm→107 μm），除油效率和堵塞現(xiàn)象將會有所改善。

符 號 說 明

A——斜板（管）區(qū)工作面積，m2

Af——斜板（管）總投影面積，m2

d— —斜板垂直間距或斜管直徑，mm

dp— —顆粒和油珠的粒徑，μm

L— —顆粒沉降或液滴浮升需要的長度，mm

l— —實(shí)際斜板（管）長度，mm

l′ ——理論斜板（管）長度，mm

K——常數(shù)，K=18μw/[(ρw-ρo)g]

n— —斜板（管）間隔數(shù)

s— —斜板（管）厚度，mm

w— —斜板（管）區(qū)寬度，mm

μw——水的動力黏度，Pa?s

θ——斜板（管）傾角，(°)

ρw，ρo——分別為水和油的密度，kg/m3

υ——斜板（管）中水流平均速度，mm/s s

υ——顆粒沉降或油滴浮升速度，mm/s

[1]上海市政工程設(shè)計(jì)院編. 斜板斜管沉淀 [M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1978：1-43.

[2]許保玖. 給水處理理論 [M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004：234-242.

Design and optimization of inclined-tube structure parameters in oil remover，on JZ9-3 platform

FU Jiaxin1，XIANG Wentao2，3，ZHOU Wei2，3，WANG Jianwen2，3，JING Bo2，3，YIN Xianqing1
（1College of Chemistry and Environmental Engineering，Yangtze University，Jinzhou 434023，Hubei，China；
2State Key Laboratory of Offshore Oil Exploitation，Beijing 100027，China；3CNOOC Research Institute，Beijing 100027，China）

Based on settlement principle and mathmatical analysis，the design and optimization of inclined-tube structure parameters of V301 oil remover on JZ9-3 platform was studied，and inclined-tube structure parameters of oil remover was optimized，providing theoretical basis for the transformation of inclined tube process design. The diameter of oil drops in wastewater decreased by 4 μm and the efficacy of oil removal increased remarkably. Clogging in the oil remover was improved.

oil remover；inclined-tube structure parameters；design and optimization

TQ 050.2

A

1000-6613（2011）09-2090-05

2011-03-12；修改稿日期2011-05-01。

國家科技重大專項(xiàng)子課題（2008ZX05024-002）及中國海洋石油總公司項(xiàng)目（CNOOCRC-2010-ZHKY-ZX-005）。

及聯(lián)系人：付家新（1962－），男，高級工程師，主要從事油田污水處理研究。E-mail fjx123321@tom.com。