氣浮選器溶氣裝置升級(jí)改造

梁波

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司，天津 300452)

氣浮選器是石油化工企業(yè)中重要的生產(chǎn)水處理設(shè)備，氣浮選器其基本原理就是向生產(chǎn)水中通入空氣、氮?dú)饣蛱烊粴獾葰怏w，并在生產(chǎn)水中行成微小的氣泡，水中的微小顆粒雜志、懸浮物、乳化油等污染物可以以氣泡為載體粘附在這些微小的氣泡上，利用密度低自然上浮的原理上浮到水面，從而實(shí)現(xiàn)凈化水質(zhì)的目的[1]。按照產(chǎn)生氣泡工藝的不同可以將氣浮工藝分為布?xì)鈿飧　⑷軞鈿飧　⒓訅喝軞鈿飧〉确N類。渤海某油田FPSO所采用氣浮裝置為溶氣氣浮，但由于設(shè)備設(shè)計(jì)不合理等原因產(chǎn)生了噴射的氣泡過大的現(xiàn)象，同時(shí)氣泡的過大造成了氣浮選器液位的大幅波動(dòng)，因此處理效果反而不理想。為提升氣浮選器的處理能力，決定在現(xiàn)有氣浮選器結(jié)構(gòu)組成基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)改造，同時(shí)分析其在不同工況下的處理效果，從而滿足油田生產(chǎn)水處理的需求。

1 氣浮選器運(yùn)行過程分析

1.1 氣浮選器運(yùn)行過程

氣浮選器內(nèi)部主要由進(jìn)水區(qū)、氣浮區(qū)、收油區(qū)、出水區(qū)、液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及氣浮循環(huán)泵等幾大部分組成，原始設(shè)計(jì)采用噴射式誘導(dǎo)氣浮機(jī)，原理見圖1。噴射器作為噴射式誘導(dǎo)氣浮機(jī)的核心部件能夠利用水為動(dòng)力將氣介質(zhì)導(dǎo)入水中并使之破碎成氣泡[2]。噴射器具體工作原理見圖2。

圖1 氣浮選器工作原理示意

圖2 噴射器工作原理示意

高速水流由噴嘴射入，在吸入室產(chǎn)生一定的負(fù)壓將氣體吸入，氣體在氣與液體粘滯特性作用下，被射流從吸入室?guī)牖旌鲜遥@時(shí)氣體與液體作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，且均為連續(xù)相，液體表面由于受到氣體的摩擦，表面產(chǎn)生表面波，流動(dòng)變得不穩(wěn)定；液體表面的表面波振幅不斷增大，導(dǎo)致液體逐漸被剪切，最后破碎成小顆粒，與氣體一起進(jìn)入混合段；被剪切成小顆粒的液體和氣體在混合段相互摻混，形成相對(duì)穩(wěn)定的氣液乳狀液。

1.2 存在的問題

由于經(jīng)噴射器形成的氣液混合介質(zhì)中氣泡較大，因此上升過程中極易破碎并形成強(qiáng)紊流，從而引起液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)的液位大幅波動(dòng)，造成流程運(yùn)行狀態(tài)不平穩(wěn)[3-4]。經(jīng)過對(duì)操作壓力、溶氣制備系統(tǒng)回流比例、氣水溶解比例等相關(guān)參數(shù)的試驗(yàn)優(yōu)化，依舊不能使氣浮選器處于平穩(wěn)的運(yùn)行狀態(tài)。

為保障油田實(shí)現(xiàn)“注好水、注夠水、優(yōu)質(zhì)注水，滿足油田提液穩(wěn)產(chǎn)”的目標(biāo)，需要提升氣浮選器的處理效果，減輕下游生產(chǎn)水處理設(shè)備核桃殼過濾器的處理壓力，同時(shí)進(jìn)一步減少化學(xué)藥劑的使用量，增強(qiáng)流程的抗波動(dòng)能力。決定對(duì)氣浮選器罐內(nèi)及罐外設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造，拆除原有氣浮循環(huán)泵，安裝微氣泡發(fā)生裝置及各配套設(shè)備，提升立式氣浮的處理效果并恢復(fù)其氣浮功能。

2 工藝改造及運(yùn)行參數(shù)優(yōu)選

2.1 氣浮選器裝置工藝改造

2.1.1 微氣泡發(fā)生裝置改造

將原噴射器拆除，改用微氣泡發(fā)生裝置制備溶氣水，改造后氣浮選器設(shè)備及工作流程見圖3。從氣浮選器出水區(qū)取適量水作為溶氣水的水源，設(shè)備撬外氣源增壓后引入氣體注入器，利用水流的高速切割機(jī)理生成高濃度的溶氣水，其中一部分氣體快速溶入水體中，而更多的過飽和游離氣體以細(xì)小氣泡形式存在，并隨水流帶入微氣泡配水腔，在導(dǎo)流裝置引流下，經(jīng)旋流穩(wěn)定后流入加速區(qū)，旋流水流中的大氣泡被切割成細(xì)小的氣泡，水層中的細(xì)小氣泡在離心力的作用下向旋流中心移動(dòng)，大氣泡在離心力和浮力作用下至排放口排出，經(jīng)多次切割后的微細(xì)氣泡均勻的分布于水體中，由進(jìn)水管道送入氣浮選器與含油來水接觸混合。

圖3 改造后氣浮選器工作流程

2.1.2 溶氣水制備系統(tǒng)改造

由于流程運(yùn)行過程中流量一直處于變化狀態(tài)，因此為了達(dá)到處理的最佳效果，回流水量及溶氣量也應(yīng)處于動(dòng)態(tài)變化的狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，對(duì)溶氣水制備系統(tǒng)流程進(jìn)行如下改造。

1)合理調(diào)整進(jìn)氣量。在氣源處加入一PCV，首先保證進(jìn)氣壓力的穩(wěn)定性，其次在氣源管線上增加一FCV閥門，并將該閥門設(shè)置成3種調(diào)節(jié)狀態(tài)(人為輸入固定閥開度、設(shè)定固定流量閥門開度自動(dòng)調(diào)節(jié)、根據(jù)水量自動(dòng)折算需供氣量閥門自動(dòng)調(diào)節(jié))，在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)實(shí)際流程情況自行改變調(diào)節(jié)方式，從而實(shí)現(xiàn)流程調(diào)節(jié)的人性化、自動(dòng)化。

2)合理調(diào)整氣浮循環(huán)泵回流水排量。為了在滿足流程工況的需求現(xiàn)場(chǎng)對(duì)回流水量進(jìn)行多次測(cè)試，當(dāng)進(jìn)水量在一定范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)氣浮循環(huán)泵排量在一固定值時(shí)，能夠保證氣浮選器的處理效果，當(dāng)有流程調(diào)整導(dǎo)致氣浮選器入口水量變化較大時(shí)，可根據(jù)已有測(cè)試結(jié)果手動(dòng)調(diào)節(jié)氣浮循環(huán)泵出口閥門開度。

2.1.3 氣源改造

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，使用天然氣作為氣源時(shí)施工簡(jiǎn)便且氣源供氣量充足并壓力穩(wěn)定，但使用天然氣時(shí)會(huì)伴隨有少量液態(tài)烴的存在，會(huì)造成加入溶氣水后反而水質(zhì)變差的情況。為了解決這一問題，在現(xiàn)場(chǎng)改造過程中設(shè)計(jì)2種方案。

1)為了最大程度去除天然氣中存在的各種雜質(zhì)、污物、液態(tài)烴等，改造過程中在氣體入口前增加了氣體過濾器，用以去除氣體中的油滴、粉塵、管道銹渣等。

2)在改造過程中加入氮?dú)庖宦纷鳛閭溆脷庠矗?dāng)FPSO氮?dú)庥脩糨^少時(shí)可以選擇氮?dú)庾鳛槿軞鈿庠础?/p>

同時(shí)為保持氣浮選器在設(shè)定壓力下工作，罐體頂部設(shè)置欠壓補(bǔ)氣閥和過壓排氣閥，均為自力式調(diào)節(jié)閥。

2.1.4 氣浮選器內(nèi)部結(jié)構(gòu)改造

在收油區(qū)增加擋板加快收油效率，進(jìn)液管線上增加彎管使罐內(nèi)產(chǎn)生弱旋流，同時(shí)增加入口溶氣水釋放口和溶氣水釋放管，使同一平面內(nèi)釋放的微細(xì)氣泡均勻分布，出水區(qū)增加出水擋板建立清水區(qū)域，與出水口形成緩沖空間，同時(shí)將出水管路和回流水管路內(nèi)向延伸，使出水口位于清水區(qū)上層，避免與排污口干擾[5]。

2.2 氣浮選器運(yùn)行參數(shù)優(yōu)選

氣浮選器相關(guān)工藝設(shè)備管線改造后，為了使氣浮選器達(dá)到最佳處理效果，結(jié)合微氣泡發(fā)生裝置設(shè)計(jì)原理，決定通過調(diào)整微氣泡發(fā)生裝置進(jìn)氣量、進(jìn)氣壓力，以及回流水比例(氣浮循環(huán)泵流量與氣浮選器處理水量之間的比值，其中氣浮選器處理水量基本為一定值)3個(gè)參數(shù)來觀察不同工況下氣浮選器出口水質(zhì)情況。

2.2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總

在試驗(yàn)過程中，分別在不同工況條件下維持4 h，并每間隔1 h進(jìn)行取樣化驗(yàn)生產(chǎn)水中含油情況，含油越少說明氣浮選器處理效果越好，最終取4 h化驗(yàn)結(jié)果平均值作為該工況條件下氣浮選器出口水質(zhì)進(jìn)行對(duì)比分析。

最終匯總得到表1。

2.2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

通過對(duì)表1內(nèi)數(shù)據(jù)的匯總分析，將不同工況下氣浮選器出口水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果繪制成圖4。

表1 不同工況下氣浮選器出口水質(zhì)記錄表

圖4 不同工況下氣浮選器出口水質(zhì)監(jiān)測(cè)對(duì)比

由圖4可以明顯看出，隨著進(jìn)氣量的不斷增加，氣浮選器出口水中含油值逐漸降低，直到進(jìn)氣量達(dá)到8 m3/h后，氣浮選器處理效果達(dá)到最佳狀態(tài)，當(dāng)進(jìn)氣量增加到9 m3/h后，氣浮選器出口水中含油值又再次升高。

通過分析溶氣水產(chǎn)生原理及現(xiàn)場(chǎng)取樣觀察微氣泡發(fā)生器出口溶氣水狀態(tài)可以對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行解釋：當(dāng)進(jìn)氣量過低時(shí)，大部分氣體都能夠通過旋流、剪切等作用在生產(chǎn)水中行成穩(wěn)定的微氣泡，但由于進(jìn)氣量的不足，會(huì)導(dǎo)致微氣泡的濃度偏低，不能將生產(chǎn)水中的所有懸浮物、微小顆粒等雜質(zhì)與微氣泡粘附上浮，因此雖然氣浮選出口水質(zhì)不能達(dá)到最佳狀態(tài)；當(dāng)進(jìn)氣量過大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致微氣泡發(fā)生器中所形成的微氣泡濃度過大，在此部分溶氣水經(jīng)過管線進(jìn)入氣浮選器的過程中，增加了微氣泡間碰撞融合的幾率，從而使氣浮選器內(nèi)的微氣泡體積過大，相對(duì)應(yīng)的其比表面積減小，因此不能充分發(fā)揮其微氣泡的作用。

圖4表明，目前工況下最佳進(jìn)氣量為8 m3/h，但通過此圖很難看出回流水比例及進(jìn)氣壓力對(duì)氣浮選器出口水中含油的影響，因此，將進(jìn)氣量為8 m3/h的試驗(yàn)數(shù)據(jù)單獨(dú)抽出進(jìn)行作圖對(duì)比，見圖5。

圖5 不同進(jìn)氣壓力及回流水比例工況下氣浮選器出口水質(zhì)監(jiān)測(cè)對(duì)比

由圖5明顯看出，當(dāng)進(jìn)氣壓力為750 kPa時(shí)，氣浮選器出口水質(zhì)最好，橫向?qū)Ρ群笥挚梢钥闯霎?dāng)回流水比例為0.9%時(shí)氣浮選器處理效果最佳。這主要時(shí)因?yàn)檫M(jìn)氣壓力過低時(shí)，氣體不能夠與生產(chǎn)水進(jìn)行充分的混合，因此會(huì)影響微氣泡的形成，但當(dāng)進(jìn)氣壓力過高后，在微氣泡發(fā)生器內(nèi)所產(chǎn)生的旋流擠壓作用會(huì)更強(qiáng)，從而影響微氣泡的穩(wěn)定存在；回流水的比例影響著微氣泡的濃度，當(dāng)回流水比例過低時(shí)會(huì)導(dǎo)致微氣泡發(fā)生器出口進(jìn)入氣浮選器內(nèi)的溶氣水總量過低，因此影響處理效果，當(dāng)回流水比例過高時(shí)，由于微氣泡發(fā)生器裝置本身的容積限制，會(huì)導(dǎo)致溶氣水在微氣泡發(fā)生器內(nèi)的滯留時(shí)間變短，不能達(dá)到穩(wěn)定的溶氣水狀態(tài)，因此也會(huì)影響微氣泡的穩(wěn)定存在。

2.2.3 最佳工況確定

通過上述分析可知，當(dāng)進(jìn)氣量為8 m3/h、進(jìn)氣壓力為750 kPa、回流水比例為0.9%時(shí)氣浮選器出口水中含水達(dá)到最低狀態(tài)，氣浮選器處理效果最佳。

3 結(jié)論

通過對(duì)氣浮選器溶氣水制備系統(tǒng)、氣源、氣浮選器內(nèi)部結(jié)構(gòu)等工藝設(shè)備的改造，恢復(fù)了氣浮選器的氣浮功能，增強(qiáng)了其生產(chǎn)水處理效果。同時(shí)在運(yùn)行過程中對(duì)不同工況下的氣浮選器處理效果進(jìn)行了測(cè)試試驗(yàn)，最終得出其最佳運(yùn)行工況。氣浮選器的運(yùn)行狀況表明，改造后的溶氣水制備系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好，達(dá)到了其設(shè)計(jì)的溶氣狀態(tài)，降低了下游生產(chǎn)水處理設(shè)備的壓力，保障了油田的注水水質(zhì)。所實(shí)施的設(shè)備改造內(nèi)容對(duì)其他類似生產(chǎn)水處理設(shè)備的升級(jí)改造有借鑒意義，在后續(xù)設(shè)備處理能力提升上，可繼續(xù)從溶氣水的制備效果上著手，進(jìn)一步研究溶氣水狀態(tài)對(duì)生產(chǎn)水處理效果的影響。