趙景巖 張慶峰（天保中天科技（天津）股份有限公司，天津300308）

1 項目背景及研究目的

蓬萊油田各平臺的生產(chǎn)流體經(jīng)過海管匯總至RUP后，再通過海底管道匯集到蓬勃號進(jìn)行處理。蓬勃號上設(shè)有兩套相同的油氣水分離流程，單套流程主要包括有一級分離器,二級入口加熱器，二級分離器,三級入口加熱器，三級分離器。在目前的生產(chǎn)狀態(tài)下，蓬勃號由生產(chǎn)流程入艙的原油含水率比較高，入艙原油中含水率達(dá)到21.3%和12%故需對FPSO生產(chǎn)流程進(jìn)行分析并優(yōu)化。通過優(yōu)化分離器的堰板高度，通過增加二級和三級分離器的油水分離停留時間，達(dá)到降低下倉原油含水、提高分離器產(chǎn)出生產(chǎn)水水質(zhì)的目的。

2 流程模擬與研究

根據(jù)現(xiàn)場實際運行數(shù)據(jù)，一級分離器堰板高度為60%直徑，但乳化層位置在55.2%直徑，乳化層所處位置偏高，造成過多的含水原油進(jìn)入二級分離器。正常情況下，一級分離器起到除砂、段塞流處理和脫除少量水的功能。其液位設(shè)定綜合考慮到段塞流、油水停留時間的影響等因素，經(jīng)過核算后，目前的堰板高度合理，不需要進(jìn)行調(diào)整。

二級分離器堰板高度為36%直徑,但乳化層位置在39.5%位置，油水界面已超過堰板高度，造成過多的含水原油進(jìn)入三級分離器。二級分離器前設(shè)有加熱器能將原油加熱到90℃左右，起到熱化學(xué)脫水的功能，二級分離器起到關(guān)鍵的作用，可以脫出大部分的水，但二級分離器的堰板高度過低，可以調(diào)高二級分離器堰板以增加油水停留時間，提高脫水效果。

三級分離器堰板高度為40%直徑，但乳化層位置在31.4%直徑，堰板高度偏低，造成原油停留時間過短，不利于提高脫水效果。三級分離器前設(shè)有加熱器能將原油加熱到97℃左右，起到熱化學(xué)脫水的功能，能將小部分的水脫除，降低原油含水率。通過調(diào)高三級分離器堰板高度以增加液體停留時間，提高脫水效果。

由于對現(xiàn)有分離器進(jìn)行改造，因此需要通過提高操作溫度及增加液體的停留時間來提高原油脫水效果，同時還需要滿足氣相空間尺寸要求以及液位關(guān)斷和操作反應(yīng)時間，且要適當(dāng)考慮起泡空間等因素，盡量提高堰板高度，然后建立正常的操作液位。通過這一方法得出最大的停留時間和最佳的脫水效果。

文章主要根據(jù)油品實驗數(shù)據(jù)中的不同含水原油在操作溫度下的不同停留時間所得出的脫水效果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.1 分離器計算理論分析[1]

水中油滴和油中水滴在分離器內(nèi)的運動一般屬于層流范圍內(nèi),由于油的粘度較大，停留時間較長。且油、水密度差相對由氣密度差也較小,因此，分離計算可以簡化為計算油中分離出水滴的沉降速度。

根據(jù)堰板高度計算出堰板油水混合室的容積，從而根據(jù)來液流量計算液體的停留時間，最終根據(jù)液體的停留時間和實驗數(shù)據(jù)分析出各級分離器的脫水效果。

2.2 HYSYS 軟件分析

根據(jù)原油脫水實驗數(shù)據(jù)，對各級分離器油相出口的油中含水率進(jìn)行設(shè)定。生產(chǎn)工藝流程模擬見圖2.2-1。

2.3 氣相空間的考慮

來液經(jīng)分離器入口初步分離,含油氣體進(jìn)入沉降部分后速度變慢,開始進(jìn)入重力沉降階段,油滴下降速度于所受阻力同時增加。當(dāng)油滴所受合力為零時,開始勻速下降。均勻沉降速度的大小決定了油氣分離能否實現(xiàn)。沉降速度計算做如下假設(shè):

(1)油滴為球形；

(2)油滴自由沉降；

(3)沉降速度穩(wěn)定不隨時間變化；

(4)油滴沉降速度不變。根據(jù)以上假設(shè),按流態(tài)推薦選用以下計算公式:[1]

式中:

Wo—油滴均勻沉降速度,m/s；

do—油滴直徑,m；

rL—油滴的密度,kg/m3；

rg—分離條件下氣體的密度,kg/m3；

圖2.2-1 蓬勃號生產(chǎn)工藝流程

臥式分離器,氣流方向與油滴沉降方向垂直,因此,油滴能夠沉降至集液部分的必要條件是：油滴沉降至集液部分液面所需時間應(yīng)小于油滴流過重力沉降部分所需時間，根據(jù)HYSYS模擬結(jié)果查得二級分離器及三級分離器氣相及油滴物性數(shù)據(jù)，根據(jù)公式4-1-4 及公式4-1-2 計算得二級分離器沉降速度為0.189m/s，三級分離器沉降速度為0.306m/s；考慮預(yù)留最小氣相空間100mm，則二級分離器液滴沉降時間為0.53s、三級分離器液滴沉降時間為0.33s；

二級分離器氣相空間弓形截面積S=0.12㎡

三級分離器氣相空間弓形截面積S=0.085㎡

二級分離器和三級分離器氣相入口到捕集器水平距離均為22m，因此二級氣體流速為0.64m/s,氣體通過時間為34.4s，三級氣體流速為6.15m/s，通過時間為3.6秒。

氣體沉降時間小于水平通過時間。因此預(yù)留100mm 最小氣相空間可行。

4.1.2.5 自由液面厚度的考慮

極端情況下，考慮二級分離器和三級分離器在滿足油水界面剛好在堰板高度處時，含水原油在油水界面上會建立起一定的自由液面厚度，該厚度為最大厚度。該厚度的計算采用流體力學(xué)工程中的計算明渠流流體高度的曼寧公式：[3]公式4-1-5

其中：

V為截面的平均速度（m/s）

k是轉(zhuǎn)換系數(shù);

n為Gauckler-曼寧系數(shù)，為無因次量

Rh為水力半徑（m）

S為水力坡線或是線性揚程損失的斜率（L/L）

計算出二級分離器中自由液面厚度為340mm，三級分離器中自由液面厚度為290mm。

2.4 最高堰板高度的確定

結(jié)合以上考慮的因素，根據(jù)LAH～LAHH的3分鐘反應(yīng)時間計算出二級分離器堰板高度為4120mm，三級分離器堰板高度為3110mm；根據(jù)LAH～LAHH 的5 分鐘反應(yīng)時間計算出二級分離器堰板高度為3760mm，三級分離器堰板高度為2880mm。

3 結(jié)語

（1）乳化層溢流到油室可能是造成目前脫水效果差的原因之一，需要提高堰板高度，增加停留時間，防止乳化層溢流到油室；

（2）二、三級分離器堰板高度建議調(diào)整為4120mm 和3110mm，且需要專業(yè)的分離器制造及設(shè)計單位進(jìn)行設(shè)計改造。

（3）堰板增加而引起的分離器液位提升，濕面積增加，需對PSV火災(zāi)工況釋放量進(jìn)行核算。