海上生產設施雨水濾凈裝置

呂健(中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300450)

0 引言

夏季雨水豐量時導致積累于各層甲板上的大量雨水一直是海上生產平臺比較困擾的氣象危害。大量氣象降水收集在甲板上后，一方面，若將積水排放至生產處理系統，則會對該系統帶來諸如流體物性、系統溫度、承受能力等多方面影響；另一方面，若直接將甲板積水泄放入海，更有悖于健康安全環保的基本理念，對自然環境造成危害；再者，若對其置之不理，則會嚴重腐蝕平臺金屬結構及附屬設施。

1 濾凈裝置方案設計

收集氣象環境導致的甲板積水，利用物理吸附原理濾凈甲板積水中的油相介質、顆粒物等，經濾凈處理并達到排放標準的甲板積水進行自然排放。因設計初衷以保護自然環境不受危害為目的，所以杜絕使用化學制劑等有害物質。

1.1 濾凈系統設計及組成

1.2 濾凈裝置

1.2.1 外形設計

(1)采用開啟式壓蓋結構的圓柱形多級濾筒，單級濾筒間采用法蘭式短管連接，內部濾料可通過開啟壓蓋進行更換。壓蓋固定方式為不銹鋼活節螺絲配環形螺帽，拆卸方便、快捷，易于保養、防腐。多級結構也易于單級拆裝、維護，即可有效避免局部臟堵情況下濾料的大范圍更換，從而造成不必要的成本浪費。而且較更換大體積濾料相比，也可有效降低人力、物力的消耗、節省更換時間。但是，該濾筒的結構及拆卸方式使其在現場建造、安裝時需盡可能采用臥式布局，否則可能造成拆裝濾料時因內部濾料坍塌，含油污物溢出。濾器外觀如圖1所示。

圖1 開啟式多級濾筒

(2)采用桶裝式多單元預填裝濾筒，濾筒單元之間采用環形密封圈扣緊連接，再通過長螺栓緊固壓實，達到密封效果。該濾凈結構同樣具有開啟式壓蓋結構的圓柱形多級濾筒的諸多優點，并且可根據現場要求采用立式或臥式排列、安裝。而其缺點主要為：加工成本較前者相對較高；廢舊濾筒的重復使用能力相對較低；拆裝單級濾筒時存在整體拆卸的必要程序。濾器外觀如圖2所示。

圖2 桶裝式多單元濾筒

1.2.2 濾料選擇

(1)陶瓷：陶瓷濾芯，具有耐酸堿、耐高溫、抗腐蝕等獨特功能。優點主要表現為：對過濾環境的物理、化學等方面抗干擾性較強；產品技術成熟，過濾性能卓越，應用廣泛；滲透性較強，且抗淤堵性能較好；天然材料制品，不產生二次污染；基本不能燃燒，高溫環境下無可燃物質析出，阻燃、防爆性能優異；使用壽命長，易于清理，便于更換，可重復使用。缺點如下：設備塑形、制造成本較高；運輸、存放、處理存在后續成本；濾后水質遠遠超過自然環境下的原生水質，反而造成不必要的成本消耗和資源浪費。

(2)礫石、核桃殼顆粒、碳粉堆疊制成的組合濾芯：組合濾芯通過不同形狀、不同粒徑、不同材料的濾料分層堆疊，組成具有相互獨立濾層的濾芯，各濾層內部具有大小不一、形狀各異的孔隙半徑和孔隙形狀，介質內的不同粒徑的物理雜質在流動過程中分別被具有相應孔隙半徑的濾層攔截，達到物理凈化的效果。

優點如下：制作成本較低，濾料價格低廉；滲透性較強，流通阻力較小；針對被濾介質物性，可人為調整濾層比例和組合順序，且操作簡便；無化工或合成材料，避免二次污染。缺點如下：該濾芯主要化學成分為碳和鈣，所以耐酸、耐腐蝕性不存在優異性可言；抗淤堵性能一般，浸濕后體積膨脹和質量上升均比較明顯，現場清洗和重復利用存在難度。

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(3)毛氈型濾芯：特有的濾芯內部整體分布的不規則孔隙半徑和孔隙形狀，決定其具有較高的物理攔截、吸附的過濾能力。平臺每年調撥毛氈約8 t，約占生產過程中產生工業垃圾的10%，在所消耗的毛氈中有近40%的毛氈利用率較低，其中甚至又有近15%的毛氈并未用于油相流體清潔。累計形成約3.2 t的毛氈消耗余量。若將這些低利用率的毛氈進行收集整理制作成濾芯，按濾凈每噸吸油毛氈可濾凈63 183 L的甲板積水計算，則可過濾共計約202 185 L，近202 m3的甲板積水。

計算如下：已知體積為120 mm×380 mm×10 mm，質量為150 g的吸油毛氈可吸收9.45 L含油污水(在后面的實驗中可測得)，則：

單位體積吸油毛氈的質量為：

(150/1 000)/(120×380× 10)/10-9≈329 kg/m3=0.328 t/m3

單位體積毛氈的濾凈能力為：

9.45 L/(120×380×10)/10-9≈20 724 L/m3

由此可得單位質量毛氈的濾凈能力為：

20 724/0.328≈63 183 L/t

優點如下：濾料取材方便，制造工藝簡單；工業生產廢棄物的回收利用，減少新生資源的使用量，提高生產資源利用率；無化工或合成材料，避免二次污染；浸濕后膨脹性較弱。缺點如下：由于羊毛主要成分為蛋白質，這就造成了用其制成的該濾芯制品不耐酸堿環境，易燃，基本不可重復使用，廢棄濾料回收、處理存在一定經濟成本投入。

(4)壓縮秸稈型濾芯：將這些秸稈回收利用，并將使用后的秸稈濾芯進行反向循環，可大量減低上述領域對化學原料、電煤及礦產資源的消耗和依賴。

優點如下：濾料取材方便且價格低廉，不受地域限制；制造工藝相對簡單；無化工或合成材料，避免二次污染；濾凈效果明顯；副產物的綜合利用高度符合環境保護、持續發展的基本理念，有效提高生產資源利用率。缺點：使用秸稈為原料制成的濾芯，其主要成分為植物纖維，化學成分為碳；同樣在耐酸堿、阻燃、抗膨脹等方面表現相對薄弱。

1.3 裝配位置

(1)氣象環境：防潮汐、防颶風、防海冰。(2)設備安裝要求：設備場所需配備相應照明，以方便夜間操作；加設伴熱保溫設備。方便人員操作，并預留相應設備保養空間。

2 濾凈裝置模型及模擬濾凈實驗

2.1 模擬濾凈裝置模型

由于平臺無類似實驗設計，且本次實驗所用材料均為廢舊物品再次利用，所以存在外觀較為粗糙以及實驗精度誤差較大等弊端。材料準備如下：含油分析儀一臺；100 mL量筒3個；500 mL廢舊飲料瓶兩個；18.9 L廢舊飲水桶三個；10×10醫用紗布塊3張；石英砂、核桃殼濾料、吸油毛氈若干；制作工具，如：剪刀、裁紙刀、卷尺等。

2.2 模擬實驗步驟

(1)用廢舊飲水桶取18.9 L生產污水作為模擬甲板匯集雨水，測得桶內污水含油582 mg/L。正常條件下，平臺安全區甲板所匯集的雨水出現如此高含油濃度的可能性非常低。(2)為降低實驗誤差，采取逐一過濾的方法，利用兩種濾器依次過濾飲水桶中1/2即9.45 L生產水，以避免更換容器導致的含油濃度改變。(3)分別對兩種濾器進行過濾計時，并對濾后流體進行含油測試。

2.3 實驗對比

通過實驗發現：

(1)核桃殼濾器在過濾初期濾液量未及期望值，流體過濾阻力較大，偶有流體滯留現象出現。過濾09分04秒后流體嚴重滯留，并出現進口溢流。濾器出口流量明顯減小，由帶狀流態逐漸變為滴狀流態。遂停止過濾，收取濾后液量1 400 mL。觀察濾液較為渾濁，測得流體含油150 mg/L。同時，濾器外觀出現輕微膨脹變形，稱得濾后濾器質量652 g。

(2)毛氈濾器初始過濾時由于毛氈親油拒水物性導致生產水因表面張力無法快速浸潤毛氈，出現流體滯留現象。待毛氈緩慢浸潤后，過濾速度明顯上升，濾液流動較為順暢，且濾液色澤較為清亮、透明。該濾器過濾9.45 L生產水用時12分33秒，測得流體含油5 mg/L，濾后稱得濾器質量為215 g。且觀察濾后毛氈發現仍有部分濾料未粘有油相液體，仍可繼續過濾使用。

2.4 實驗結論

實驗對比可知：較核桃殼濾器相比，毛氈濾器具有濾料少、質量輕、濾液速度快、濾凈程度高、膨脹變形程度低等優點。

3 結語

綜上所述，從環境保護根本角度出發，以提倡廢舊回收利用為基點，建議使用毛氈或秸稈作為濾凈裝置的濾芯制作原料。既可達到降低成本、節能減排，同時又能保證排放水質的標準要求。若能將此套濾凈系統投入使用則能夠大大降低雨水環境對平臺的正常生產帶來的負面壓力，提高平臺運轉的安全系數，降低環境污染事件的發生概率。