張黎明， 趙崯橙， 張 凱， 齊 冀

(中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東 青島 266580)

0 引 言

目前油田采出液中常含有伴生的水、氣等物質(zhì)，對于原油深加工造成了制約和阻礙， 為了提高油田經(jīng)濟(jì)效益，必須對原油采出液進(jìn)行分離后分別處理運(yùn)輸[1-4]。目前來看，重力式分離器結(jié)構(gòu)具有較為簡單，制造運(yùn)行成本低，工作條件適應(yīng)性高等優(yōu)點(diǎn)， 已經(jīng)成為了對原油采出液進(jìn)行分離的最廣泛應(yīng)用以及最重要的分離設(shè)備之一[5-8]。

分離器的分離效率取決于它的外形設(shè)計(jì)和內(nèi)部構(gòu)件，不同部位的分離構(gòu)件對混合物的分離機(jī)理不同[9-10]?，F(xiàn)階段對不同處理調(diào)節(jié)下，各個(gè)分離構(gòu)件的對比選取尤其是實(shí)驗(yàn)研究極為有限。本文設(shè)計(jì)了一整套可替換調(diào)節(jié)重力分離系統(tǒng)，并進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，探究了分離效果與內(nèi)部構(gòu)件設(shè)計(jì)之間的聯(lián)系， 形成了一定條件下對于重力式分離器內(nèi)部構(gòu)件選擇的體系[12-14]。

1 重力式油水分離器內(nèi)部構(gòu)件設(shè)計(jì)

分離器室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的目的：① 以油出口的含水率、水出口的含油率和3個(gè)取樣口的含油率作為評價(jià)指標(biāo)，分析在固定分離器尺寸情況下不同聚結(jié)構(gòu)件的分離特性；② 優(yōu)選出適用于不同混合液情況的聚結(jié)構(gòu)件，并分析影響分離效率結(jié)果的因素。

圖1所示為實(shí)驗(yàn)使用的臥式重力分離器。 此分離器尺寸為：直徑30 cm，長度200 cm(長度不包括兩側(cè)凸起部分)，壁厚2 cm，長徑比6.7。 其工作原理：油氣水混合物由左側(cè)管線混合泵入分離器，流經(jīng)入口構(gòu)件、整流構(gòu)件、聚結(jié)構(gòu)件等內(nèi)部構(gòu)件后分別由右側(cè)油氣水出口流出至儲液箱， 流程圖如圖2所示。

圖1 重力式分離器(無任何構(gòu)件情況)

圖2 重力式分離器流程圖

圖3是實(shí)驗(yàn)所使用的取樣裝置示意圖，它設(shè)置在分離器靠近入口處位置，由3個(gè)位于不同高度的取樣管組成，以便取出各個(gè)液位處樣品并進(jìn)行測量，每根管線上設(shè)有節(jié)流閥以調(diào)節(jié)取樣液量。實(shí)驗(yàn)中取樣管內(nèi)徑設(shè)置為5 mm。實(shí)驗(yàn)使用的介質(zhì)為10號白油、水以及空氣。油樣含水率的測試方法依照GB/T260-2016《石油產(chǎn)品水分測定法》[15]。

圖3 取樣裝置示意圖

實(shí)驗(yàn)選擇測試4種聚結(jié)構(gòu)件(見圖4)的分離性能。

A型

B型

C型

D型

圖4 4種聚結(jié)構(gòu)件

A型聚結(jié)板采用不銹鋼制作，厚度1 mm，其具體結(jié)構(gòu)為：加工不銹鋼鐵皮為夾角120°的波紋板，交錯(cuò)30°搭接相鄰波紋板。

B型聚結(jié)板為聚乙烯制成的波紋板，厚度1 mm左右。聚結(jié)板折板夾角為120°，與流道垂直方向的每個(gè)折邊長度為20 mm。

C型聚結(jié)板采用聚乙烯制作，厚度1 mm左右，與A型板大體相同，交錯(cuò)30°搭接，波紋板夾角120°。不過，C型聚結(jié)板的流道略大于A型，即構(gòu)成C型聚結(jié)板的波紋板折邊略長于A型。這樣A型與C型在聚結(jié)特性上產(chǎn)生了差異，適合處理不同范圍的粒徑，因而宏觀上分離效率也將產(chǎn)生差異。

D型聚結(jié)板材料采用不銹鋼，厚度1.5 mm左右，波紋板之間夾角120°，與流道垂直方向的每個(gè)折邊長度60 mm，相鄰波紋板間距設(shè)置20 mm。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集

2.1 實(shí)驗(yàn)步驟

(1) 攪拌罐按不同體積比加入水和油共10 L，并加入合適濃度的OP-10乳化劑；

(2) 開攪拌機(jī)攪拌混合液直至均勻；

(3) 開泵，將齒輪泵的轉(zhuǎn)速頻率調(diào)節(jié)為50 Hz。調(diào)節(jié)油水出口閥門，使油水界面始終保持一定高度；

(4) 油水界面穩(wěn)定后，記錄攪拌器內(nèi)部的溫度；測定油出口的流量、含水量；水出口的流量、含油量；6個(gè)取樣口的含水量(含油量)；

(5) 改變泵速和節(jié)流閥改變不同的入口流量；

(6) 關(guān)閉泵使入口流量為零，待分離器內(nèi)油水混合液全部流出后，依次使用4塊聚結(jié)板,并重復(fù)上述步驟(2)～(6)。

(7) 使用質(zhì)量含油率為20%的油水乳狀液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并重復(fù)以上所有步驟。

(8) 關(guān)泵，檢查各設(shè)備入口出口有無泄漏，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 聚結(jié)板前后含油率之差

由圖5、6可以看出，隨著分離器進(jìn)口流量的加大,即分離器內(nèi)混合液流速的加大，聚結(jié)板前后(中取樣口與水出口)含油率差逐漸增大，說明在該進(jìn)口流量范圍內(nèi)(即混合液流速范圍內(nèi))，分離器的分離效果隨流速加大而上升。該含油率差值越大,說明分離器分離效果越好。綜合來看，聚結(jié)板A、C的分離效果優(yōu)于聚結(jié)板B、D。

圖5 進(jìn)口含油率10%時(shí)板前后含油率差

圖6 進(jìn)口含油率20%時(shí)板前后含油率差

值得特別注意的是，圖5中聚結(jié)板 B的含油率之差在進(jìn)口流量大于0.275 L/s左右后幾乎保持水平，說明在進(jìn)口含油率10%情況下聚結(jié)板B存在適應(yīng)的工作范圍，當(dāng)流量大于該范圍后，B板的分離效果不再增加， 盲目加大流量只會造成資源的浪費(fèi)而難以獲得更好的效益。另外，在進(jìn)口流量足夠小時(shí)，4塊聚結(jié)板的含油率之差均趨近于0，說明這種現(xiàn)象不隨著聚結(jié)構(gòu)件的改變而改變。

2.2.2 有無聚結(jié)構(gòu)件分離特性對比

由圖7可知,隨著進(jìn)口流量的增加，4塊聚結(jié)構(gòu)件的聚結(jié)分離效果越來越好。整體來看，很明顯聚結(jié)分離效果A板最好，其次是C板，再次是B、D板。流量較小時(shí),B板分離效果優(yōu)于D板;而當(dāng)流量超過0.17 L/s時(shí)，B板分離效果將小于D板，此現(xiàn)象也再次印證了聚結(jié)板具有自身最佳使用工況這一設(shè)想。

圖7 進(jìn)口含油率為20%時(shí)4塊聚結(jié)板水出口

3 結(jié) 語

在無聚結(jié)構(gòu)件情況下進(jìn)行了混合液分離實(shí)驗(yàn)，通過油水相停留時(shí)間為指標(biāo)代表重力分離作用強(qiáng)弱，獲得了水出口含油率和油出口含水率受重力影響的關(guān)系，并通過控制變量法獲得了聚結(jié)分離效果與入口濃度、進(jìn)口流量的關(guān)系：進(jìn)口流量0.1～0.25 L/s中存在一個(gè)使油出口含水率最小的最佳進(jìn)口流量值；分離器內(nèi)不加裝聚結(jié)構(gòu)件時(shí)水出口含油率主要與進(jìn)口流量有關(guān)，與入口油相濃度關(guān)系不大。

依次加裝4塊不同的聚結(jié)構(gòu)件進(jìn)行進(jìn)口含油率分別為10%、20%的實(shí)驗(yàn)，得到4塊聚結(jié)板的聚結(jié)分離效果依次為A、C、B、D聚結(jié)板，并觀察到聚結(jié)板具有自身最適合的含油率、進(jìn)口流量等工況條件。通過對兩個(gè)含油率下取樣口處與水出口含油率之差與流量關(guān)系測定，進(jìn)一步驗(yàn)證了4塊聚結(jié)板的分離效果順序以及分離器存在最適合工況的現(xiàn)象，并得出了隨著流速增大，聚結(jié)板工作效果大多提高的結(jié)論。