渤海某油田加氣浮選器優化改造研究與應用

王承坤

(中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300450)

1 優化改造背景

該油田生產水系統主要處理各級分離器分離出來的含油污水，主要處理工藝采用“斜板除油器+加氣浮選器+核桃殼過濾器”。該油田加氣浮選器采用某公司DNF-330型溶氣式氣浮設備，2017年安裝調試完成并投入使用。設計處理量7200 m3/d，目前實際處理污水量為4200 m3/d。該氣浮要求入口污水含油在300 mg/kg以下，處理后水質含油達到50 mg/kg以下。

圖1 某油田溶氣浮選機設備流程圖

該裝置通過高壓回流溶氣水減壓產生大量的微氣泡，使其與含油污水中的浮油、懸浮物等接觸上浮并分離。由氣浮溶氣泵給溶氣釋放頭供水，從浮選器罐底抽吸部分生產水增壓后作為循環水，循環水與氮氣混合后經溶氣泵加壓后，經氣液混合罐和溶氣釋放頭，把小氣泡均勻地分布到整個浮選室內，設備流程圖如圖1所示。油粒和懸浮物會立即吸附到微氣泡表面并隨之上浮，在液面上形成浮油層，置于上部的浮油層從頂部刮渣區排出，內部結構圖如圖2所示，被處理后的污水進入下一級核桃殼過濾器。

圖2 某油田溶氣浮選機內部構造圖

通過分析對比2017 年某月加氣浮選器出口水質化驗數據，發現加氣浮選器出口含油在60～80 mg/kg波動，遠達不到設計指標，打開上部的人孔蓋觀察，發現氣浮內部液位波動較大，溶氣釋放頭曝氣量少，上部明顯有浮油和浮渣的存在。

2 問題探究及原因分析

通過深入探究，查閱相關文獻[1-2]，經多次試驗論證，分析造成加氣浮選器處理效果不佳的原因如下：

(1)由于段塞流的存在，氣浮進液量波動較大，而氣浮輸送泵的3寸回流調節閥通過量小，不能及時補償液位波動，造成含油污水在氣浮內處理時間不均，處理效果差。

(2)溶氣裝置設計溶氣量和回流比不合理，開蓋觀察發現曝氣效果差，產生氣泡量少，影響除油效果。

(3)浮選劑處理效果不好或加藥濃度不夠。

(4)頂部刮渣機與底部刮泥機啟動頻次與每次啟動時間設計不合理，導致內部浮油和廢渣集聚不能及時排出，容易越過內部結構堰板隨出口水一同進入下一級設備。

3 優化改造措施

3.1 氣浮泵出口增加壓力調節閥組

為減少氣浮緩沖罐液位調節波動，實現自動調節并減少人工干預工作量，提高流程穩定性，故在氣浮泵出口新增一組液位調節閥(見圖3所示)，新增液位調節閥選擇氣浮緩沖罐液位信號做調節信號，將原有3寸液位回流調節閥改為壓力調節閥，根據根據泵出口壓力信號實現開關功能，如此構成離心泵出口標準的液位-壓力雙閥控制流程，合理控制泵出口排量、壓力實現氣浮液位自動調節。

圖3 渤海某油田氣浮泵出口改造示意圖

3.2 正交實驗篩選氣浮關鍵運行參數

對于氣浮溶氣量、回流比、加藥濃度三個參數在探索最佳的結果時，如按全面式實驗對3個參數做4個梯度的實驗需要做64組實驗，耗費大量的時間、成本、人力等，因此本文采用文獻[3-4]中提到的正交實驗法, 用此方法，則只需做16次實驗即可篩選出最佳組合。

現舉例說明本文正交試驗方案的制訂。

表1 因素水平表

欲考查氣浮溶氣量、回流比、加藥濃度三個因素對出口含油量的影響。每個因素設4個位級，即3因素4位級。藥劑期望節省掉，故設置了0位級。試驗內容如表1所示。

查適用的正交表，得表 L16(45)，將試驗內容列入表中，即成出口含油量的試驗方案。根據方案，括號中“4”，表示每個因素取4個位級，指數“5”，表示該表有5列，最多可安排5個因素，因此，該表可作3因素4位級試驗之用，需做16次試驗，結果見表2所示，兩個空列作為對比因素之間有無不可忽略的交互作用。

表2 正交實驗結果

從試驗結果直觀看出，實驗9出口含油最低，即因素位級A3B1C3，但方案中各因素位級都有4次試驗，為比較各因素位級之間哪個出口含油最低，需進行每個因素中各位級實驗結果之和Ki(i=1，2，3，4)。

例如溫度10%回流比試時，4次試驗出口含油之和48+41+51+60=200，20%時49+40+60+53=202，30%時為179，40%時為188。再分別除4，得k1=50，k2=50.5，k3=44.75，k4=47，填入回流比項下，分別表示溫度在10%，20%，30%和40%時的平均出口含油量。溶氣量、加藥濃度同樣計算后填入表2中。從表2可見，三個因素平均出口含油量最低是A3B2C1組合，即回流比30%，溶氣量25 LPM，加藥濃度0 mg/kg，藥劑可以省去。

極差R=max(ki)-min(ki)分別計算后填入極差項中，極差越大，表示該列因素數值對實驗結果影響越大。由表看出溶氣量、加藥濃度對指標影響最大，回流量次之，各因素之間的交互作用可以忽略。

用因素的水平作橫坐標平均出口含油量作縱坐標，繪出因素與效果的關系圖，如圖4所示，從趨勢圖上可以看出，各趨勢的拐點均出現在線段的中間位置，因此，各因素都沒有必要再提高(或降低)位級進行實驗。

圖4 因素-效果趨勢圖

本例通過分析得出的最優A3B2C1組合，并不在正交16組實驗中，必須進行效果驗證，按A3B2C1參數組合運行一周，測試氣浮出口含油值，其平均值34 mg/kg，達到設備設計值50 mg/kg以下，證明正交實驗所得結果，確實是一個優化組合。

3.3 收油與刮渣時間優化

浮選機收油裝置在頂部刮渣與底部刮泥時間上不合理，原PLC程序設定每隔2 h刮泥機與刮渣機運行5 min，隨后底部排泥閥A、B、C依次開10 s，收油時間短，間隔時間長，導致頂部浮油與底部壓渣積累嚴重，容易越過內部堰板從出水口排出導致出水指標不穩定。

現場經過摸索發現，刮渣機和刮泥機運行20 min后停20 min，隨后底部排泥閥A、B、C依次開25 s后關閉，以此設定的刮渣與刮泥程序經過一段時間運行，開蓋檢查發現頂部浮油明顯減少，排除了從出水口跑出污染下級設備的可能。

4 效果評價

通過對比本次優化改造前后30天的氣浮出口含油量柱狀圖，如圖5、圖6所示，氣浮出口含油量由改造前的60～80 mg/kg降為改造后的30～40 mg/kg左右，達到了降低氣浮出口含油量改善氣浮處理效果的目的。

圖5 優化前氣浮出口含油量

圖6 優化后氣浮出口含油量

5 結 論

本次加氣浮選器的優化改造在渤海某油田是成功的，通過對氣浮增加調節閥組的改造，對溶氣量、回流比及藥劑濃度的優選及對氣浮刮渣排泥程序的優化，找到了氣浮運行的最佳工況，降低了氣浮出口含油的水平，減輕了下游處理壓力，改善了油田污水處理效果。