杜 娟 孫潤(rùn)林 蔣志明 王 閣

中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 前言

原油在開采、運(yùn)輸、裝卸的過程中都會(huì)帶入水[1],當(dāng)原油進(jìn)入儲(chǔ)罐長(zhǎng)期儲(chǔ)存后,部分水會(huì)沉降在儲(chǔ)罐底部,出現(xiàn)油水分層,分層后水分不但會(huì)腐蝕儲(chǔ)罐底板[2],還可能會(huì)進(jìn)入常減壓裝置,污染管線;而且水被加熱氣化后會(huì)加速膨脹,導(dǎo)致裝置沖塔和著火。根據(jù)GB 36170—2018《原油標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定,原油水含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))要求在0.50%～2.00%之間,因此為了使原油水含量合格,必須對(duì)原油進(jìn)行脫水。多年來石化行業(yè)原油儲(chǔ)罐[3]脫水采用人工手動(dòng)操作,跑、冒、滴、漏情況時(shí)常發(fā)生[4],污染環(huán)境且存在安全隱患,工人操作強(qiáng)度也大[5]。本文從自動(dòng)脫水器的脫水原理和結(jié)構(gòu)出發(fā),研究原油儲(chǔ)罐如何選擇自動(dòng)脫水器。

1 原油儲(chǔ)罐脫水方式

原油儲(chǔ)罐脫水一般有手動(dòng)脫水和自動(dòng)脫水兩種方式。手動(dòng)脫水一般使用雙閥控制,將油品排入油罐附近的脫水池中,具體工藝流程見圖1。判定脫出水分中是否含油的方式一是靠聲音[6],水和油落到池中的聲音不同;二是靠觀察,水滴落到地上是珠狀,油會(huì)快速滲透呈發(fā)散型;三是靠氣味，水中油量增大時(shí)，油氣味變重;四是靠顏色,通過脫水管道上的視鏡觀察顏色。手動(dòng)脫水方式主要依靠經(jīng)驗(yàn)判斷水分是否脫完,所以始終無法避免在脫水時(shí)會(huì)帶出油品[7],油氣和硫化氫等有毒有害氣體會(huì)對(duì)人體造成傷害,且安全隱患大[8],再加上原油周轉(zhuǎn)量大,作業(yè)時(shí)還要避開雷電下雨等不利天氣,脫水作業(yè)強(qiáng)度大。

自動(dòng)脫水方式按照GB 50074—2014《石油庫設(shè)計(jì)規(guī)范》和SH/T 3007—2014《石油化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定設(shè)置。自動(dòng)脫水器能做到有水自動(dòng)脫,脫完自動(dòng)停[9],目前的脫水器產(chǎn)品脫水量約15～25 t/h,通過設(shè)置脫水器的參數(shù)也可調(diào)節(jié)脫水油含量。在通信方面,自動(dòng)脫水器的工作狀態(tài)參數(shù)能通過RS485通信上傳到工廠操作室,方便操作工觀察脫水狀態(tài)[10],有助于提高罐區(qū)自動(dòng)化管理水平[5]。

通過上述對(duì)比,從有利于生產(chǎn)作業(yè)及安全角度出發(fā),推薦原油儲(chǔ)罐脫水方式選用自動(dòng)脫水。

圖1 手動(dòng)脫水工藝流程圖Fig.1 Flowchart of manual dehydration process

2 自動(dòng)脫水器脫水原理

目前工業(yè)化自動(dòng)脫水器產(chǎn)品的脫水原理一般是利用油水的特性差異脫水[11],見表1。

表1 自動(dòng)脫水器脫水原理分析表

3 自動(dòng)脫水器結(jié)構(gòu)

3.1 分類

根據(jù)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)原理分類，當(dāng)前市場(chǎng)應(yīng)用較多的自動(dòng)脫水器類型主要有緩沖罐式、罐壁安裝式和管道式[13]自動(dòng)脫水器,見圖2。

圖2 自動(dòng)脫水器分類圖Fig.2 Flowchart of classification of automatic dewatering system

3.2 緩沖罐式自動(dòng)脫水器

緩沖罐式自動(dòng)脫水器的設(shè)計(jì)原理一般有機(jī)械浮球式、微波式、射頻導(dǎo)納式和超聲波式,其中機(jī)械浮球式最常用,因?yàn)樵诒姸嘤退匦灾?密度差最明顯易測(cè)。該類型的脫水器在儲(chǔ)罐外有單獨(dú)的緩沖罐,緩沖罐設(shè)有進(jìn)水口和排水口,內(nèi)部由浮球、杠桿、閥芯和配重等組成。油水在緩沖罐內(nèi)進(jìn)行二次沉降,隨著油水界面不停變化,浮球受浮力的作用上升或下降,通過連接桿帶動(dòng)閥芯開啟或關(guān)閉排水口[14]。緩沖罐式自動(dòng)脫水器工藝流程見圖3。

圖3 緩沖罐式自動(dòng)脫水器工藝流程圖Fig.3 Process flowchart of buffer tank type automatic dewatering system

機(jī)械浮球式緩沖罐式自動(dòng)脫水器主要靠油水二次沉降后形成穩(wěn)定的油水界面后脫水,因此緩沖罐必須安裝在穩(wěn)定堅(jiān)固的基礎(chǔ)上,且比油罐罐底標(biāo)高低[15],因此密度差越大,脫水速度越快,停留時(shí)間越短,脫水油含量越高。本文分別統(tǒng)計(jì)了5個(gè)原油油庫的原油基礎(chǔ)參數(shù),見表2。從表2可知,原油來源不同,其密度、黏度等變化范圍很大[16-17],一般原油密度可以從760 kg/m3到980 kg/m3,再加上油水之間存在乳化層,上層是油包水,下層是水包油,沉降再久也不容易界面清晰[18],因此機(jī)械浮球式緩沖罐式自動(dòng)脫水器很難脫除和水密度相近的原油[11],對(duì)于油水分層明顯的清潔輕質(zhì)油品,建議選用不易受乳化層影響、油中水含量易于檢測(cè)的機(jī)械浮球式緩沖罐式自動(dòng)脫水器。

表2 原油基礎(chǔ)參數(shù)表

3.3 罐壁安裝式自動(dòng)脫水器

罐壁安裝式自動(dòng)脫水器一般分為微波式和射頻導(dǎo)納式,目前微波式工業(yè)化產(chǎn)品較為成熟。微波式罐壁安裝式自動(dòng)脫水器是指利用微波能量吸收技術(shù),檢測(cè)油中水含量,將界位探測(cè)針插入罐內(nèi),探測(cè)針尖端發(fā)射高頻能量,利用電子控制電路探測(cè)水和油吸收的能量值。水比油導(dǎo)電性強(qiáng),吸收能量多,因此當(dāng)探測(cè)范圍內(nèi)水越來越多時(shí),探測(cè)到的信號(hào)值越來越大[19]。微波式罐壁安裝式自動(dòng)脫水器原理見圖4,控制工況見表3。

圖4 微波式罐壁安裝式自動(dòng)脫水器原理圖Fig.4 Schematic diagram of microwave tankwall-mounted automatic dewatering system

表3 微波式罐壁安裝式自動(dòng)脫水器控制工況表

在儲(chǔ)罐罐壁不同高度安裝兩個(gè)探測(cè)針,對(duì)照控制面板上的油、水、報(bào)警三種指示燈,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程脫水。當(dāng)高低位探測(cè)針同時(shí)檢測(cè)到水時(shí),水燈亮,切水控制閥自動(dòng)打開;當(dāng)高位探針檢測(cè)到油,低位探針檢測(cè)到水時(shí),油燈亮,切水控制閥自動(dòng)關(guān)閉;當(dāng)高位探針檢測(cè)到水,低位探針檢測(cè)到油時(shí),油燈亮,報(bào)警燈亮,提示操作人員現(xiàn)場(chǎng)檢查設(shè)備是否異常。

微波式罐壁安裝式自動(dòng)脫水器的缺點(diǎn)是傳感器只對(duì)水敏感,對(duì)油不敏感,而且與機(jī)械浮球式緩沖罐式自動(dòng)脫水器類似,需要油水界面清晰,一旦被乳化層誤導(dǎo),容易導(dǎo)致脫除的水中含油[11],并且探測(cè)針只能檢測(cè)導(dǎo)電率較高的水質(zhì),同時(shí)整個(gè)脫水系統(tǒng)價(jià)格高,因此不利于推廣應(yīng)用[12]。

3.4 管道式自動(dòng)脫水器

管道式自動(dòng)脫水器一般有超聲波式、微波式和液柱諧振式。鑒于超聲波和微波式都需要穩(wěn)定的油水界面,以下重點(diǎn)討論液柱諧振式。液柱諧振式管道式自動(dòng)脫水器主要是在介質(zhì)流動(dòng)的過程中,檢測(cè)水中的油含量,因此液柱諧振式管道式自動(dòng)脫水器的傳感器對(duì)油敏感,而不是對(duì)水敏感，其結(jié)構(gòu)圖見圖5。

圖5 液柱諧振式管道式自動(dòng)脫水器結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Schematic diagram of liquid column resonance typepipeline automatic dewatering system

液柱諧振式管道式自動(dòng)脫水器由主體、液位傳感器、前傳感器(前傳感器配主控制器)、后傳感器(后傳感器配從控制器)、脫水調(diào)節(jié)閥等組成。當(dāng)水中油含量增多或減少時(shí)密度和黏度會(huì)發(fā)生變化,因此諧振頻率和振幅也會(huì)變化,在一定溫度下,傳感器的振幅越大,脫出的水分越干凈,振幅越小,水中油含量越多[7]。

液柱諧振式管道式自動(dòng)脫水器的安裝位置低于油罐罐底,當(dāng)油罐底部含水時(shí),水會(huì)自動(dòng)進(jìn)入脫水器[13]。當(dāng)前后傳感器都檢測(cè)到水(水中油含量達(dá)到排放要求)時(shí),脫水調(diào)節(jié)閥打開。當(dāng)前傳感器檢測(cè)到油量超標(biāo)時(shí),主控制器的輸出電流關(guān)閉脫水調(diào)節(jié)閥;當(dāng)后傳感器檢測(cè)到油量超標(biāo)時(shí),輸出開關(guān)節(jié)點(diǎn)信號(hào),開關(guān)節(jié)點(diǎn)斷開,關(guān)閉脫水調(diào)節(jié)閥的氣源或電源。閥門關(guān)閉后,油水在脫水器內(nèi)分層,油回到儲(chǔ)罐,水進(jìn)入脫水器,當(dāng)水沉淀達(dá)到一定量時(shí)再次進(jìn)入脫水管道并循環(huán)之前的步驟進(jìn)行脫水作業(yè)。

液柱諧振式管道式自動(dòng)脫水器的優(yōu)點(diǎn)是不需要穩(wěn)定的油水界面,而是直接測(cè)水流動(dòng)過程中的油含量。當(dāng)兩個(gè)傳感器都檢測(cè)到水時(shí),才打開脫水閥,當(dāng)任何一個(gè)傳感器檢測(cè)到油時(shí),都會(huì)關(guān)閉脫水閥[4],而且當(dāng)脫水器進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí)不檢測(cè)、不加熱、關(guān)閥關(guān)氣,節(jié)約能耗。液柱諧振式管道式自動(dòng)脫水器現(xiàn)場(chǎng)安裝圖見圖6。

圖6 液柱諧振式管道式自動(dòng)脫水器現(xiàn)場(chǎng)安裝圖Fig.6 Installation diagram of liquid column resonancepipeline automatic dehydrator

根據(jù)GB 31570—2015《石油煉制工業(yè)含油廢水排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定,加工單位原(料)油基準(zhǔn)排水量為0.5 m3/t原油,環(huán)境承載能力及生態(tài)脆弱等地,加工單位原(料)油基準(zhǔn)排水量為0.4 m3/t原油,油庫污水處理廠根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)確定各排污點(diǎn)油含量上限值,因此脫水器的脫水效果由脫除水分中的油含量指標(biāo)來驗(yàn)證。通常油庫污水處理廠可接受的油含量一般在500 mg/L以內(nèi)[20]。四川某油庫原油儲(chǔ)罐1在改用液柱諧振式管道式自動(dòng)脫水器后收集到的有效數(shù)據(jù)見表4。

表4 某油庫原油儲(chǔ)罐液柱諧振式管道式自動(dòng)脫水器水樣分析數(shù)據(jù)表

與人工手動(dòng)脫水的油含量1 000～3 000 mg/L相比較,表4的油罐脫除的水分中平均油含量約200 mg/L,遠(yuǎn)低于油庫污水處理廠的進(jìn)水指標(biāo)。效果驗(yàn)證表明液柱諧振式管道式自動(dòng)脫水器是原油儲(chǔ)罐自動(dòng)脫水的較佳選擇[5]。因此,對(duì)于密度和黏度變化大的油品以及重質(zhì)油品,建議選用油水界面穩(wěn)定、安裝簡(jiǎn)單、維護(hù)方便的液柱諧振式管道式自動(dòng)脫水器。

4 結(jié)論

1)通過對(duì)比手動(dòng)脫水方式和自動(dòng)脫水方式,分析自動(dòng)脫水的原理及結(jié)構(gòu),從有利于生產(chǎn)作業(yè)及安全角度出發(fā),推薦原油儲(chǔ)罐脫水選用自動(dòng)脫水方式。

2)液柱諧振式管道式自動(dòng)脫水器更適合原油產(chǎn)品,其性能穩(wěn)定,安裝簡(jiǎn)單且維護(hù)方便,不受限于穩(wěn)定的油水界面,不用等待二次沉降時(shí)間,可直接檢測(cè)水中油含量,尤其適合于密度變化大的原油以及重油脫水。機(jī)械浮球式緩沖罐式自動(dòng)脫水器更適合于輕質(zhì)潔凈的油品。