JZ9-3平臺除油罐斜管結構參數的設計與優化

付家新，向問陶，周 薇，王建文，靖 波，尹先清

（1長江大學化學與環境工程學院，湖北 荊州 434023；2海洋石油高效開發國家重點實驗室，北京 100027；3中國海洋石油總公司研究總院，北京 100027）

應用技術

JZ9-3平臺除油罐斜管結構參數的設計與優化

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長江大學化學與環境工程學院，湖北 荊州 434023；2海洋石油高效開發國家重點實驗室，北京 100027；3中國海洋石油總公司研究總院，北京 100027）

從沉降原理和數學分析的角度出發，探討了JZ9-3平臺V-301除油器斜管工藝結構參數的設計與優化，給出了除油罐斜管工藝結構尺寸的優化結果，為斜管工藝設計改造提供了理論依據。優化后的結果顯示，污水中油滴粒徑下降了4 μm，除油效率明顯提高，除油器堵塞現象亦會有所改善。

除油罐；斜管結構參數；設計與優化

斜板（管）除油提高油水分離效率的依據是“淺池沉淀理論”，這種理論忽略了紊流（即認為是層流）、進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，認為顆粒和油滴是在理想狀態（即未受干擾）下進行重力沉降而被分離的。

從水流和斜板（管）的傾斜關系來劃分，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（側向流）5種。其中前向流和后向流用得很少，實際意義不大，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，運用沉降理論并結合三角形相似原理經數學推導，歸納整理可得出如下3組數學模型（見表1）[1-2]。

表1 斜板（管）幾何參數與水流速度、沉降速度和分離直徑之間的對應關系

1 JZ9-3平臺V-301斜管除油罐斜管工藝結構參數優化的理論分析

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），器內斜管斷面為六邊蜂窩型，其內切圓直徑為φ50 mm，水平傾角60°，且為下向流，兩臺并聯運行，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尺寸（單位：mm）

考慮到海上平臺設備改造的不便，現維持斜管布置區空間幾何尺寸（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及其它參數不變，通過優化確定斜管工藝結構尺寸。這樣做就不會傷害到設備的內部結構，只需改造或更換斜管即可。

1.1 水流方向

關于水流方向的優化。對表1中的公式進行分析即可得出如下結論。

（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）工程應用時，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，出現污泥滑落不暢容易造成斜板（管）堵塞時，應盡可能采用下向流以發揮重力和水力沖刷的作用。

1.2 斜管傾角

關于斜管傾角的優化。原設計中，l=1000 mm、w=5000 mm、s=3180 mm、θ=60°、d=50 mm，計算n時取壁厚為2 mm，按原設計點并結合現有污水處理量按表2計算步驟進行。

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

圖2（a）和圖2（b）分別對應于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中的計算步驟計算得到。從圖2中可以看出如下結果。

（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，最佳傾角范圍應在40°～50°，且與斜管直徑和水流方向無關，只與斜管組布置的空間參數（長、寬、高）和管壁油泥的滑脫性能有關。

表2 優化設計步驟中各計算項目所對應的計算公式（適用于下向流）

（2）下向流明顯優于上向流。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）計算結果還表明（此處未列出計算結果），沉降所需斜管的理論長度均大于實際長度，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除油罐其它參數不變，只改變斜管直徑，并忽略因管數變化而引起的η值的變化，分別計算出45°、50°、55°、60°的相關參數，數據處理結果見圖 3。從圖 3可以得出如下結果。

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關系

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關系

①隨著斜管內徑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而導致斜管堵塞，因此，適宜的斜管直徑需由實驗確定。

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 斜管停留時間

對除油器而言，停留時間越長，除油效果越好。由于是老設備的改造，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，則停留時間就不會改變。

2 V-301除油罐斜管尺寸的優化結果

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

V-301除油罐斜管布置區斜管組理論優化的結果見表3。

根據理論分析，表3中的12組數據中以第1組數據除油率最好，但是，因JZ9-3平臺V-301斜管除油器堵塞現象比較嚴重，故傾角和管徑均不能太小，結合生產實際，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），堵塞現象有可能得到緩解。

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

3 結 論

（1）斜管沉降常用的進水方式主要有上向流、下向流和橫向流3種。這3種進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，當固粒和液滴同時存在時則表現出6種運動方式，通過數學描述得出3組數學模型，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”是已有設備改造提高除油效率的有效手段，但同時會增大斜管堵塞的傾向，合理的參數還需由實驗確定。

（4）經對V-301斜管除油器斜管結構的理論分析并結合現場生產實際，經優化后的斜管傾角為50°，斜管長度1130 mm，斜管直徑60 mm。優化參數與原設計參數（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），除油效率和堵塞現象將會有所改善。

符 號 說 明

A——斜板（管）區工作面積，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— —實際斜板（管）長度，mm

l′ ——理論斜板（管）長度，mm

K——常數，K=18μw/[(ρw-ρo)g]

n— —斜板（管）間隔數

s— —斜板（管）厚度，mm

w— —斜板（管）區寬度，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]上海市政工程設計院編. 斜板斜管沉淀 [M]. 北京：中國建筑工業出版社，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。

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

及聯系人：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。