梁宏寶 陳洪濤 陳 穎 梁宇澤

(東北石油大學(xué) a.機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院;b.化學(xué)化工學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

近年來，吉林油田出現(xiàn)老化油現(xiàn)象，老化油的破乳脫水極為困難，會(huì)隨著分離后的凈化油及污水等進(jìn)入其他處理環(huán)節(jié)，嚴(yán)重破壞油水分離過程，影響原油的脫水質(zhì)量和含油污水的處理效果，威脅到采出液和含油污水處理設(shè)施的正常運(yùn)行[1]。老化油的及時(shí)回收與高效處理有著十分重要的經(jīng)濟(jì)意義[2]。老化原油處理主要通過沉降過濾等手段進(jìn)行預(yù)處理，然后回收至原油系統(tǒng)與大量新鮮原油混摻后泵入電脫水裝置在電場作用下使水滴聚結(jié)借助重力從油中分離[3]。

目前，在換熱器設(shè)備中，管殼式換熱器使用量最大[4]，對(duì)國外換熱設(shè)備市場調(diào)研表明，管殼式換熱器占主導(dǎo)地位(約64%)[5]。管殼式換熱器有著廣闊的應(yīng)用前景，筆者打破常規(guī)處理工藝思路，建立了一套利用換熱器達(dá)到老化油脫水目的的處理工藝，經(jīng)過大量室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，物性分析和理論計(jì)算，按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范GB 150[6]、GB 151[7]研制出老化油深度蒸餾脫水裝置。用溫度指標(biāo)替代含水率指標(biāo)，在裝置運(yùn)行過程中，以溫度控制老化油進(jìn)裝置流量，以導(dǎo)熱油流量調(diào)節(jié)溫度。

1 模擬實(shí)驗(yàn)①

為了明晰含水老化油的含水率與溫度之間的關(guān)系，在實(shí)驗(yàn)室做老化油模擬蒸餾實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)開始后記錄不同時(shí)刻的含水率隨溫度變化的情況，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象見表1，測得含水率隨溫度變化的曲線如圖1所示。

表1 不同溫度下水和油加熱爆沸的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

圖1 不同溫度時(shí)老化油的含水率

由實(shí)驗(yàn)可知，含水老化油溫度在80～105℃之間時(shí)含水率略有下降，110℃左右開始急劇下降，120℃開始趨于平穩(wěn)。說明含水老化油在105～110℃之間達(dá)到沸點(diǎn)開始沸騰，溫度在120℃時(shí)測定含水率為1%，125℃時(shí)測定含水率為0.5%，含水率不大于0.5%時(shí)即達(dá)到脫水目的。因此，可以用溫度示數(shù)替代含水率的檢測。

2 脫水裝置簡介

2.1 裝置的工作原理

如圖2所示，老化油深度脫水裝置采用U形管半布管形式的管殼式換熱器，管程走導(dǎo)熱油，殼程走老化油，分為左腔室和右腔室并由一根導(dǎo)油管連通。左腔室為初蒸部分，其溫度控制在105～115℃，老化油由裝置上部進(jìn)入，沿S路線流動(dòng)到右腔室，下部U形管束是換熱區(qū)，上部為蒸汽區(qū)，為防止老化油爆沸，在U形管束上布一層鐵絲網(wǎng)并鋪上沸石，初蒸部分可以實(shí)現(xiàn)老化油含水率由10%下降到1%的目標(biāo)；右腔室為精蒸部分，其溫度控制在120～125℃，可以分為換熱區(qū)、蒸汽區(qū)和泄油區(qū)，老化油從右至左沿S路線流動(dòng)到泄油區(qū)，無水老化油從出口流出脫水裝置。

圖2 U形管脫水裝置示意圖

2.2 裝置的布管形式

U形管具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、操作彈性大、適應(yīng)性強(qiáng)、可靠程度高、選材范圍廣、處理能力大以及能承受高溫高壓等特點(diǎn)，在工程中得到廣泛應(yīng)用[8]。排列在管板上的換熱管，應(yīng)在整個(gè)換熱器截面上均勻地分布，換熱管子在管板上的排列方式通常有正三角形、旋轉(zhuǎn)正三角形、正方形及正方形旋轉(zhuǎn)45°等幾種[9]。在本設(shè)計(jì)中結(jié)合流體的性質(zhì)，為保障流體流動(dòng)通暢，采用φ25mm鋼管正三角形排列，如圖3所示，布管形式如圖4所示。

圖3 排列形式

圖4 布管形式

圖4中，深灰色S形管和緊貼其上的箭頭共同表示老化油在U形管束之間流動(dòng)的路徑，這樣固定的折流擋板有一定的合理性，可以增強(qiáng)含水老化油的受熱，使蒸餾更充分；另一方面不至于出現(xiàn)死油區(qū)，可以提高換熱脫水效率，而且不會(huì)因?yàn)榫植繙囟冗^高而出現(xiàn)爆沸現(xiàn)象。爆沸主要與換熱面積、老化油含水率和換熱時(shí)間有關(guān)。

3 自動(dòng)化管線的布置

3.1 導(dǎo)熱油管線和老化油管線

管程走導(dǎo)熱油，初蒸和精蒸兩個(gè)腔室的導(dǎo)熱油采用并聯(lián)方式進(jìn)入，這樣的好處是可以分別調(diào)節(jié)進(jìn)入裝置的導(dǎo)熱油的流量，從而達(dá)到對(duì)殼程老化油溫度的控制。導(dǎo)熱油管線進(jìn)初蒸腔室和精蒸腔室的管線安裝有流量調(diào)節(jié)閥，在導(dǎo)熱油進(jìn)、出管線之間安裝有電動(dòng)切斷閥，在老化油進(jìn)裝置和出裝置管線安裝有電動(dòng)切斷閥。蒸餾裝置安裝有5個(gè)熱電偶，其中熱電偶(4)測得的溫度最高，即當(dāng)溫度達(dá)到此值時(shí)，老化油脫水合格。熱電偶(4)將測得的電信號(hào)經(jīng)計(jì)算機(jī)分析傳給老化油進(jìn)裝置的電動(dòng)切斷閥，即溫度達(dá)到125℃時(shí)打開電動(dòng)閥，溫度低于125℃時(shí)關(guān)閉電動(dòng)閥。其工作原理如圖5所示。

圖5 自動(dòng)控制管線

在脫水裝置的初蒸腔內(nèi)裝有兩個(gè)液位傳感器LT(01、02)，當(dāng)發(fā)生爆沸現(xiàn)象時(shí)，液面超過警戒液面，傳感器將電信號(hào)迅速傳給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)立刻做出反應(yīng)將信號(hào)分別傳給流量調(diào)節(jié)閥FV(01、02)使其關(guān)閉、電動(dòng)切斷閥XV(01)使其關(guān)閉、電動(dòng)切斷閥XV(02)使其打開、電動(dòng)切斷閥XV(03)使其關(guān)閉和電控柜使其斷電。電動(dòng)切斷閥XV(03)安裝在無水老化油出精蒸腔室到緩沖罐之間的管線上，它的作用是在發(fā)生爆沸時(shí)阻止緩沖罐中的老化油受到污染。

3.2 蒸汽管線

蒸汽管線是連接脫水裝置和冷凝器的管線。考慮其安全性，在蒸汽管線上安裝安全閥。當(dāng)發(fā)生爆沸時(shí)安全閥打開，液體沿管線噴出裝置，管線布置如圖6所示。

圖6 蒸汽管線示意圖

3.3 老化油出裝置管線

無水老化油從脫水裝置出來后，經(jīng)管道流動(dòng)到緩沖罐，緩沖罐內(nèi)裝液位傳感器，當(dāng)液面達(dá)到一定高度時(shí)，傳感器將電信號(hào)傳給齒輪泵的變頻電機(jī)，電機(jī)工作帶動(dòng)齒輪泵將無水老化油泵出設(shè)備；當(dāng)液面降到最小時(shí)，傳感器將電信號(hào)傳給變頻電機(jī)，電機(jī)停止工作。工藝流程如圖7所示。為達(dá)到氣相平衡，緩沖罐與外界連通，在管線的末端安裝帶阻火器的呼吸閥，考慮設(shè)備的安全性，緩沖罐可能存在可燃性凝析氣體。

圖7 無水老化油出裝置流程

3.4 凝結(jié)水出裝置管線

凝結(jié)水管線與老化油出裝置管線布置相似，從冷凝器凝結(jié)出來的水經(jīng)管線流到凝結(jié)水罐中，水罐中安裝有液位傳感器，當(dāng)液面達(dá)到一定高度時(shí)，傳感器將電信號(hào)傳給離心泵的變頻電機(jī)，電機(jī)開始工作；當(dāng)液面降至最小，傳感器將電信號(hào)傳給變頻電機(jī)，電機(jī)停止工作。

同樣，為達(dá)到氣相平衡，凝結(jié)水罐與外界連通，在管線的末端安裝帶阻火器的呼吸閥，考慮設(shè)備的安全性，緩沖罐可能存在可燃性凝析氣體。不同的是，凝結(jié)水從冷凝器到凝結(jié)罐這段管線上安裝有吹掃作用的三閥組和溫度表，根據(jù)溫度表的示數(shù)，判斷凝結(jié)的效果，從而手動(dòng)調(diào)節(jié)冷凝器的循環(huán)冷水流量調(diào)節(jié)閥，工藝流程如圖8所示。

圖8 凝結(jié)水出裝置的流程

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

現(xiàn)場投運(yùn)后，該設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，日處理含水老化油48m3，老化油含水率達(dá)標(biāo)。與某新型移動(dòng)式老化油處理裝置[10]對(duì)比，移動(dòng)式老化油處理裝置對(duì)老化油的處理效果較好，可使處理后的原油含水率小于2%，污水含油量小于500mg/L；而老化油深度脫水裝置，處理后老化油的含水率小于0.5%，污水含油量小于400mg/L。

5 結(jié)束語

老化油深度脫水裝置依據(jù)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，規(guī)范性設(shè)計(jì)，科學(xué)合理地布置管線，同時(shí)配套設(shè)計(jì)了自控系統(tǒng)，保證其安全平穩(wěn)地運(yùn)行。為確保裝置的安全性，采用物理措施和電氣措施防止爆沸，裝置內(nèi)裝有防沸石和液位傳感器。裝置每天可以處理含水老化油48m3，對(duì)老化油的及時(shí)處理和回收具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。