轉油放水站三相分離器界面現場優化

李建斐(大慶油田第六采油廠規劃設計研究所，黑龍江 大慶 163000)

1 現狀及存在問題

1.1 現狀

臥式三相分離器在我廠轉油放水站廣泛應用。此類設備依靠重力完成油、氣、水的分離，依托堰板區分油水出口。內部一般設有斜板、波紋板等聚結組件，以增大油滴直徑、促進油水分離。

1.2 存在問題

站庫中設備的來液環境、結構尺寸均固化的情況下，調整參數設置是優化運行的關健途徑。調查發現生產中主要通過經驗控制油水界面，設備處理效果不理想。

2 三相分離器工作原理

2.1 油水界面的對罐內流態的影響

三相分離器處理高含水原油時，水相雷諾數卻隨水量增加而增大，分離效果受到影響。[1]當分離器進液量出現波動而引起界面波動時，在油水兩相間流態差別及界面波動同時存在下，界面低凹處產生渦體，其旋轉方向與流速較高的水相方向一致，而與油相流動方向相反。

2.1.1 當界面設置低于堰板高度時

對于渦體上n1點附近的流體來說，因其方向與渦體旋轉方向相反而速度變慢、壓強增加；n2點附近的流體由于其方向與渦體旋轉方向相同而速度變快、壓強減少，從而在渦體n1點與n2點之間存在一個橫向動水壓力p，其方向自n1點向n2點。見圖1。由于p 的作用，使渦體進入水層，使污水含油大幅升高。隨著油水兩相雷諾數差值的增大，渦體數量增多，中間層隨之加厚，使油水分離條件急劇變差。

圖1 油水兩相間流態差別及界面波動

2.2.2 當界面設置超過堰板高度時

界面處油相流速大于水相流速，渦流體進入油層，導致外輸油含水大幅上升。同時隨著油水兩相雷諾數差值的增大，渦體數量隨之增多，中間層加厚，油水分離急劇變差。

綜上，宜保證油水界面處油、水兩相的速度相等或相近，以減少渦體的產生，從而保證處理效果。

2.2 油水界面對處理能力的影響

在弱化分離器內部部件的情況下，將油水分離過程簡化為油滴在水相空間內從沉降起始端向沉降末端浮升的運動規律。位于圓筒最低點的油滴到達油水界面所通過的水相距離最大。圖2 是設備沉降分離段簡化示意圖。

圖2 沉降分離段示意圖

理想狀態下，油滴的浮升軌跡如圖2-3 虛線所示，油滴從始端最低點正好位移到沉降段末端。它在液流中按斯托克斯定律向上浮升，到達油水界面所需的時間為：

式中：tT為油滴浮升所需時間(s)；h 為油水界面高度(m)；Vt為浮升速度(m/s)；d 為容器內徑(m)；hD為油水界面相對位置比值(hD=h/d)；q 為設定水連續相流量(m3/s)；ST為垂直于液流的水相橫截面積(m2)；S 為垂直于液流方向的容器總橫截面積(m2)。

按斯托克斯定律油滴浮升速度為：

（3）不愿做，沒有做。有的站區長認為思想政治工作是上級的事，做了也是“無用功”。對職工思想問題袖手旁觀，言行舉止脫離群眾，講話辦事脫離實際，作風不接地氣，工作無法落地。“陰天馱穰草，越馱越重”，矛盾日積月累，導致部分基層單位思想政治工作松癱軟。

式中：ρw、ρo為操作溫度下水和油的密度(kg/m3)；do為油滴直徑(m)；μw為水相的動力粘度(Pa·s)；g 為重力加速度(9.81m/s2)。

結合公式(1)、(2)得出：

從公式可看出，在設備的外形尺寸(設備長度Le、內徑d)、操作環境(油滴直徑do、油水的密度ρ)等確定的情況下，游離水的水相處理量與M 和hD相關，M/hD的比值越大，處理能力也增大。

已知M=S/ST，hD=h/d，結合面積公式。可推導出：

按照操作規范，hD取值0.2～1 之間，利用公式(4)、(5)計算相關性，得出如圖3。

綜上，三相分離器的油水界面在h=0.687d 時，水相能力出現極大值，理論上可提高處理能力5.45%；擬定堰板高度為0.85d 時，當界面超過堰板高度后，水相處理能力趨于水平，M/hD=1.004，理論上僅提高水相處理能力0.4%。

3 現場驗證

為驗證理論研究成果，選取喇410 轉油放水站作為試驗站庫。該站采用φ4×20m 三相分離器3 臺，設計堰板高度3.3m。

3.1 試驗步驟

(1)采集試驗站庫日常生產數據、界面參數。

(2)調整界面設定值。每天調整油水5cm，同步檢測外輸指標。

(3)分析數據，繪制曲線，分析界面對于外輸指標的影響規律。

3.2 試驗效果

試驗以5cm 為區間調整三相分離器界面參數，并檢測放水含油、外輸油含水等參數變化情況。分析數據變化情況如圖4。

通過繪制放水含油-外輸油含水與油水界面關系曲線，發現以下變化規律：

(1)外輸油含水隨界面升高而上升。界面由3.28m升至3.3m時，外輸油含水由44%升至70.7%。此時渦流體較多，中間層加厚，影響外輸指標；當界面持續升至3.33m 時，外輸油含水高達91.9%，此時水淹油室。

(2)放水含油隨著界面的升高而下降。在3.25～3.3m 之間達到相對穩定狀態；隨著界面超過堰板高度，放水含油仍有小幅下降。說明界面設置在堰板高度以下時，水相處理能力隨界面升高而不斷增加，并在低于堰板高度某一位置出現穩定狀態，當界面超過堰板高度后，中間層隨水淹進入油室，水相處理能力有小幅提升。

(3)界面為3.25m 處出現明顯交點，此界面處三相分離器運行效果最佳。此時外輸油含水率44.60%，放水含油230.75mg/L。

(4)當界面高度為3.25m，hD=0.81，大于公式推導值hD=0.678。一方面認為并非所有油滴均從公式設計的始端最低點運動至沉降段末端，一方面認為是內部整流組件對設備能力有綜合提升作用。

圖3 M和M/hD隨hD變化情況圖

圖4 喇410轉油放水站界面參數變化曲線

4 幾點認識

4.1 取得認識

(1)油水界面的設置不宜超過堰板高度。以免水淹油室，導致外輸油含水超標。

(2)以斯托克斯公式為基礎，理論上可確定三相分離器的處理能力并非隨油水界面的升高而提高。在極限值處，水相處理能力最大。

(3)試驗狀態下，設備的外輸油含水、放水含油指標存在明顯交點，認為該界面高度下，設備運行最佳。

4.2 存在不足

生產中，三相分離器形式多樣。本文未能開展更具體的分析與驗證。以后將進一步開展分析研究，借以摸清油水界面的變化規律，并用以指導生產實際。