油水分離器及其內部構件的工藝設計計算方法的研究

李 巍，伊 鋒，孫章權，沈志恒，蘭 藍

（ 1.海洋石油工程股份有限公司特種設備公司，天津，塘沽 3004512.中海油有限公司天津分公司墾利油田群區域開發項目組 天津塘沽 3001152）

0 引言

海上油田的生產水來源于在油氣生產過程中所產出的地層伴生水。為獲得合格的油、氣產品，需先將伴生水與油氣進行分離，分離后的伴生水中，含有一定量的原油及其他雜質，這些含有一定量原油和其他雜質的伴生水稱之為含油污水。海上油田大都采用各種油水分離器對含油污水進行處理，將處理后的含油污水進行排放或者作為油田回注水、人工舉升井動力液等。而處理含油污水的目的是要求排放水或回注水達到相應的排放或回注標準。

海上油田由于其特殊性使其與陸地油田在設備的要求與設計考慮上面有所差別。由于海上平臺面積比較小，并且在重量上要滿足結構經濟性的要求，因此要求設備尺寸小，重量輕，效率高，同時還要兼顧經濟性。處理含油污水的方法通常分為化學方法和物理方法兩種。主要包括:沉降法，混凝法，氣浮法，過濾法，生物處理法及旋流器法等等。目前沉降法是應用較為廣泛且比較經濟的油水分離方法。文中主要針對沉降分離方法分析油水分離器的設計工藝計算方法。

目前，國內許多學者對分離器進行了大量的研究，研究方法分為試驗方法及數值模擬方法兩種。但無論是試驗研究還是數值模擬的方法其主要都是針對分離器內多相介質的復雜流動特性進行的研究工作［1－3］。然而，對于整體的油氣分離器分離特性方面的設計計算方法的研究較少。而對于內部構件工藝設計計算的深入研究也較少。因此，本文系統地分析了油水分離器內油水分離計算過程中所要考慮的若干問題，同時分析了對油水分離器的內部構件工藝設計的計算方法。其方法可以使設計人員很好的掌握油水分離器以及內部構件的工作原理，為提高設計人員的設計水平提供理論幫助。

1 油水分離器工作原理

對于海洋平臺上的油水分離器設備，由于受海洋平臺甲板之間的高度所限，海洋平臺上所使用的油水分離器大都采用臥式布置形式。因此，文中以典型的臥式油水分離器為例進行介紹。

圖1 臥式油水分離器典型結構示意圖

圖1表示為典型臥式油水分離器的結構示意圖。如圖所示，油水混合物由混合相進口進入分離器，由于原油的密度小于水的密度，因此，在浮力作用下油滴在混合液中向上運動，而水由于重力的作用向下運動，經過足夠長的時間，油滴漂浮在油水界面上部，水沉降在油水界面下部，此時認為油水開始分離。被分離出來的油滴在水池上方不斷積累，當油層厚度達到一定高度時，原油流過堰板進入油池。通常情況下，由混合相入口進入的混合物中還含有一定量的氣體，這部分氣體經分離器頂部的氣體出口排出。

由于單純的重力分離需要油水混合物在分離器內停留較大時間，分離器尺寸也將相應增加。為了減少分離時間，同時提高分離效率，通常在分離器內部增加多種內部構件以加速油水的分離。通常在混合相入口增加均布裝置，使混合相的分布更加均勻，以降低來流對下部液面沖擊;同時，對油水中的氣體也起到初步分離作用。當油水混合物流量較大，引起分離器內液面產生較大波動時，通常在油水分離內部構件前面增加整流內件，以減弱或消除液面沿分離器徑向的波動。當分離器尺寸不能滿足油水重力分離停留時間的要求時，需要在分離器內增加聚結板等油水分離構件。當油水混合物中含氣量較大時，氣體以較高流速流經分離器上部空間，同時會夾帶部分液滴，為了分離出氣體所夾帶的液滴，通常在分離器的氣體出口處增加氣液分離裝置，如捕霧器等。

由于油中分離水滴與水中分離油滴的原理基本相似，因此可通過上述原理進行油中分離水滴的工藝流程。由于分離器針對不同來流參數會采用多種不同的分離輔助內件，文中僅針對含有聚結板，堰板的分離情況進行設計計算及分析。

2 分離器工藝設計計算

海洋平臺的生產水有時要經過幾級的分離才能達到排放的標準，而重力沉降分離器往往被用于分離的最后一級。由以往的研究［4－7］可知，只要保證足夠的停留時間，顆粒較大的油滴均可從水中被分離出來。

在流量一定及分離器內徑尺寸一定的條件下，油水分離所需要的時間越長，所需分離器的長度就越大。因此，要確定分離器長度，需要計算油水分離所需要的時間。而油水的分離時間又取決于油滴的上浮速度，因此首先需計算出油滴的上浮速度。在層流條件下，可以應用斯托克斯公式來計算，斯托克斯公式的表達式為:

式中:vt—油滴上浮速度，m/s;do—油滴直徑，m;ρw—水的密度，kg/m3;ρo—油的密度，kg/m3;μw—分離條件下水的動力粘度，Pa·s;

在計算過程中，進行如下假設:(1)流體在分離器內流動處于層流狀態;(2)油滴為球形，在分離過程中不破碎也不與其他油滴合并;(3)油滴與油滴、油滴與器壁及其他構件間沒有作用力;(4)油滴在分離過程中沉降速度是穩定不變的。

基于上述假設，可以計算出油滴上浮所需要的時間to，其解析式為:

式中:h—油水界面到分離器底部的距離，m;to—油滴上浮所需要的時間，s;

再根據入口混合液流量及液體潤濕周邊所圍成的面積計算出油滴在分離器內的停留時間t，具體表達式為:

式中:L—油水有效分離長度，m;t—油滴上浮所需要的時間，s;Q—混合液體積流量，m3/s;A—分離器橫截面上被液體潤濕周邊所圍成的面積，m2;

當to≤t時，認為油滴可以從水中分離出來;當to＞t時，認為油滴不會被分離。為了提高油水分離速度，可以采取如下方法:(1)增大油滴粒徑，從而增大油滴上浮速度vt、進而減小to;(2)降低油水界面高度，即降低h，從而減小to;(3)增加油水有效分離長度L，從而增大t。增加油水有效分離長度則要相應增加分離器尺寸，降低油水界面高度會導致分離器內部空間不能得到有效利用，因而后兩種方法都是不經濟的。當分離器內的有效分離長度無法滿足油水重力分離所需的停留時間時，如何在不改變分離器尺寸的前提下加速油水分離，同時提高分離效率就成為了有待解決的問題。因此，在分離器的工藝設計中，通常通過增加分離內部構件的方法來解決這個問題。聚結板是一種被廣泛采用的加速油水分離的內部構件。

3 分離器內部構件工藝設計計算

為了滿足油水有效分離長度，分離器需要具有足夠大的容積，但海洋平臺上對設備的尺寸限制十分嚴格，而設備尺寸過大會導致設備重量增大，同時設備成本升高，為了解決上述問題，設計人員往往通過在油水混合液入口與堰板之間填加一些內部構件來實現油水的迅速分離，其不僅能夠達到減小設備尺寸和重量的目的，而且可以增加油水的分離效率。目前油水分離的內部構件形式多種多樣，例如聚結板，旋流管等，但由于旋流管通常造價較高，且對于油水混合物的物性參數要求相對比較嚴格，在設計內部構件時，往往優先考慮采用聚結板。

聚結板是由一組由幾組具有一定傾斜角度的波紋板組合而成的填料裝置，其內部為孔隙空間結構。其工作原理為:通過波紋板間的間隙將油水混合液分隔在一個一個的小空間中，有效的改善水流的穩定性，同時降低了油滴上浮的距離，并且通過對其表面的結構設計，有效增大了油滴之間碰撞聚結和油滴在波紋板上粘附聚結的概率，從而縮短油水分離時間;同時可以大量吸附水中的油滴，使油滴不斷碰撞聚結，增大油滴的直徑，從而增加油滴上浮速度，有效的提高分離效率，降低分離器的尺寸［8－9］。

目前，聚結板的生產已經作為一項較為成熟的技術在我國廣泛應用，市場上廣泛采用的聚結板主要參數見表1。

表1 聚結板主要參數

圖2為聚結板內部結構簡化示意圖。根據相應聚結板尺寸計算油滴在波紋板間隙內上浮所需要的時間to，在計算to時，可采用如下表達式:

式中:h'—波紋板間間隙，m;vt—油滴上浮速度，m/s;α—波紋板傾斜角度，°;to—油滴上浮所需要的時間，s;

計算油水分離時間t時，可按下述公式進行計算:

式中:n—聚結板組數;W—每組聚結板的寬度，m;Q—混合液體積流量，m3/s;A—分離器橫截面上被液體潤濕周邊所圍成的面積，m2;ε—聚結板空隙率，通常為0.94～0.95左右;t—油滴在聚結板內停留的時間，s;

圖2 聚結板局部簡化示意圖

當to≤t時，認為油滴可以從水中分離出來;當to＞t時，認為油滴不會被分離。當現有聚結板不能滿足油水分離要求時，可采用如下幾種方法:(1)增加聚結板組數n，從而增大t;(2)降低聚結板內波紋板的波高，即降低h'，從而縮短to;(3)增加聚結板內波紋傾斜角度α，從而縮短to。由于市場上作為成品供貨的聚結板均有一系列相對固定的尺寸，后兩種方法可行性不高;如果單獨加工訂貨，經濟性也較差。因此，在分離器內空間充許的范圍內，增加聚結板組數是相對比較簡便經濟的方法。

有一點值得引起注意的是，上述計算方法是基于油水混合物在分離器內的流動是處于層流條件下的假設，因而，在計算的之前應該對雷諾數進行核算。如果分離器內液體流動為非層流流動，應該考慮在聚結板前加設整流內件，或在混合液入口處增加均流裝置，使油水混合相在較短的時間內達到穩定流動狀態，以利于油水更加快速的分離。

4 結論

文中主要介紹了臥式油水分離器的工作原理及分離器內油水重力分離的原理。分析結果表明，針對不同的油水混合物的流動情況，可以通過增加不同形式的分離內部構件來達到縮短分離時間，提高分離效率的效果。同時，文中著重分析了油水分離器內部構件(聚結板)對油水分離工藝的影響以及聚結板的工作原理，并提出了一種簡便，易于工程中使用的計算方法來確定油水分離器的內部構件，為今后對臥式油水分離器的內件工藝設計提供了理論依據。

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