生产水除气罐内部结构优化研究

于 洋，王金成，张孝光

(中海石油(中国)有限公司天津分公司辽东作业公司 天津300457)

1 研究背景

生产水除气罐为生产污水系统第一级处理设备，对于生产水除油起着至关重要的作用。其主要作用是去除污水中的气体，避免气体影响水力旋流器的处理效果。同时靠油水密度差实现油水自然沉降分层，通过其内部收油结构回收污水中的分散油，生产水除气罐基本结构见图 1。按照设计，混合室的液位应该始终维持在 1,885,mm，当混合室内污水含油量逐渐累积后，混合室的液面逐渐升高，当达到 1,900,mm时，混合室顶部分散的油膜将自动溢流至生产水除气罐的收油槽内。经过沉降的水则经过油室底部连通空间后溢过水室堰板进入水室。

图1 生产水除气罐的内部结构Fig.1 Internal structure of degassing vessel for wastewater

2 生产水除气罐存在的问题分析

2.1 生产水除气罐无法收油的可能原因

①根据图1数据，生产水除气罐内水室的堰板高度是 1,885,mm，油室前堰板高度为 1,900,mm，现场实际尺寸与原设计不一致。②生产水除气罐入口管线的内部结构，有因为入口液流量较大，直接同时进入混合室和油室的可能。③油室存在泄漏情况。

2.2 生产水除气罐的相关数据核算

2.2.1 生产水除气罐的设计指标

通过对生产水除气罐原设计的水力停留时间、流通能力等数据进行计算，得出原设计的水力停留时间、流通能力，为内部优化改造方案提供理论依据，要求内部优化改造后的水力停留时间和流通能力不小于原设计值。

污水处理中重要的设计指标包括水力停留时间、流通能力。其中水力停留时间HRT(Hydraulic Retention Time)，是指待处理污水在容器内的平均停留时间，也就是污水在容器内平均沉降时间。因此，水力停留时间为生产水除气罐的处理能力的衡量指标。如果容器的有效容积为 V(m3)，则：HRT＝V/Q(h)，即水力停留时间等于反应器高度与水流速度之比。

在传统的污水处理过程中，水力停留时间很大程度上决定了污水的处理程度，因为它决定了污泥、油污的停留时间，污油停留时间越长，油水分离的时间越长，油污从水中分离的效果越好。

流通能力是指液体通过单位横截面积流量的指标，通常用流通截面流速 v表示，v＝Q/A，其中 A为横截面积，Q为通过的流量[2]。图 2为生产水除气罐内部结构尺寸，表1是生产水除气罐操作参数。

目前实际工况下生产水除气罐入口流量约为83,m3/h，而生产水除气罐的设计处理量为 265,m3/h，本次研究以生产水除气罐的设计处理能力 265,m3/h作为基础数据对生产水除气罐进行计算。

表1 生产水除气罐操作参数Tab.1 Operation parameters of degassing vessel for wastewater

图2 生产水除气罐内部结构尺寸Fig.2 Internal dimension of degassing vessel for wastewater

2.2.2 生产水除气罐停留时间的计算[1]

将生产水除气罐的内部划分为4部分，有效体积分别为 V1、V2、V3、V4，在正常进液的情况下，水室的液位为 14,000,mm，混合室液位为 1,900,mm，Q＝265,m3/h，通过查询图 2生产水除气罐的内部结构尺寸可以分别计算出，V1＝0.175,m3、V2＝6.21,m3、V3＝0.986,m3、V4＝3.375,m3。

液相在混合室的停留时间为：

液相在整个生产水除气罐罐内的停留时间为：

2.2.3 生产水除气罐的流通能力计算

根据生产水除气罐的内部结构可知，影响其流通的因素为罐内 U 型连通的截面积，截面高h＝210,mm，罐体直径 D＝2,500,mm，截面长l＝1,300,mm，流通截面积为A。

2.2.4 生产水除气罐的压降和水头损失的计算

生产水除气罐内流体通过底部横截面时存在沿程水头损失和局部水头损失。沿程水头损失是指流体流经一定管道时由于内摩擦而产生的阻力；局部水头损失是指流体流经管件、阀门等局部地方由于流速大小及方向的改变而引起的阻力[3]。

目前油室的前堰板和水室堰板的高度差为△H＝15,mm，油室的前堰板高度为 1,900,mm，水室堰板高度为 1,885,mm，流通截面积为A，作用水头为H，局部阻力系数为 ζ≈1.3，沿程阻力系数λ＝0.045,5，长度为 L＝1,100,mm，有效半径d＝50,mm，压降△p。

流通截面水头损失包括沿程水头损失和局部水头损失[4]：

流通截面压降：

由上面公式计算的结果可知，高度差为ΔH不足以推动液流通过油室底部的流通截面，同时考虑水溢流进入水室时会产生一定的水头高度，因此需要对油室和水室的堰板高差进行调整。

根据上述计算结果，对生产水除气罐的水室液位尚未上涨的情况下，油室液位上涨的原因分析如下：①油室的前堰板和水室的堰板的液位高度差较小，且在液溢流过水室堰板时会产生一定的水头高度，导致水室在尚未进液的情况下，油室液位在一直上涨。②生产水除气罐进液对液面造成扰动，使得液面不稳定，油室两侧的混合室无法形成有限的液位高差去克服底部流通截面的摩擦阻力损失。③初始阶段进液量较小，加上进液对液面产生扰动，油水混合物会同时进入油室和水室，由于进入水室的水量较少，在还未达到可观测的液位时就已经被出口的提升泵打走，而出现始终未进液的情况，此时水室的液位调节阀LV-3003(泵的出口调节阀)全开，并逐渐有液进入到生产水除气罐内，入口液量增加，水室的液位才会逐渐升高，同时油室液位也逐渐上涨。

2.3 核算内部优化改造数据

2.3.1 切除部分水室的堰板

水的密度取 1,000,kg/m3，油的密度近似取830,kg/m3，当混合室油层厚度维持在 300～400,mm时开始收油，水室的堰板高度为：

如果将水室的堰板高度调整为 1,850,mm，V1＝0.175,m3，V2＝6.13,m3，V3＝0.976,m3，V4＝3.375,m3，液液相在混合室的停留时间为：

液相在整个生产水除气罐内的停留时间为：

从计算结果看满足原设计要求的水力停留时间。

2.3.2 切除部分油室堰板

由于水室液位计的可调范围为 300～1,800,mm，为了满足 LT-3003的调节范围，且最大限度地保证液流在罐内的停留时间，将 LT-3003的设定点调整为1,600,mm，并取消其高报警点，同时维持混合室的油层厚度在 100,mm时开始进行收油，基于以上内容，油室前堰板的高度需要调整为：

需要将油室前堰板高度调整为1,618,mm以满足要求。如果将油室前堰板的高度调整为 1,620,mm，V1＝ 0.175,m3，V2＝ 5.27,m3，V3＝ 0.196,m3，V4＝3.866,m3，液相在整个生产水除气罐内的停留时间计算如下：

若将 LT-3003设定点调整为 1,800,mm，油室前堰板的高度需要调整为 1,820,mm，液相在整个生产水除气罐罐内的停留时间为：

从计算结果看，满足原设计要求的水力停留时间。

2.4 生产水内部优化改造方案

根据理论计算，在排除设计与实际存在偏差和有污物堵塞流通截面的情况下，需要对罐内水室堰板进行切割，通过改造实现设计处理能力。

切除水室堰板分为两种形式：切除部分堰板和全切堰板。现场进行简单的改造后，进行运行调试，在生产水除气罐进液的过程中，观察油室、水室和混合室液位的变化情况。

2.4.1 切除部分水室堰板方案

切除部分水室堰板，根据理论计算第一套方案，水室堰板从顶部向下切除35～55,mm(见图3、4)。

2.4.2 切除部分油室堰板方案

图3 生产水除气罐内部示意图Fig.3 Schematic of the interior layout of degassing vessel for wastewater

图4 生产水除气罐切除部分水室堰板示意图Fig.4 Schematic of cutting off partial weir plate in hydroecium of degassing vessel for wastewater

图5 生产水除气罐内部示意图Fig.5 Schematic of the interior layout of degassing vesselfor wastewater

图6 生产水除气罐切除部分油室堰板示意图Fig.6 Schematic of cutting off partial oil cavity weir plate of degassing vessel for wastewater

切除部分油室堰板，降低油室前板高度，将油室前板高度降至 1,620,mm，并全部切除水室堰板(见图5、6)。

3 生产水除气罐内部优化改造效果分析

3.1 生产水除气罐内部优化改造情况

根据现场实际施工情况，采取切除部分油室堰板的方案，切除油室前板 280,mm，将油室前板高度降至1,620,mm，并切除水室堰板至500,mm。

3.2 生产水除气罐内部优化改造后水质化验情况分析

3.2.1 优化改造前生产水除气罐进出含油情况(见表2)

从表 2生产水除气罐优化改造前化验数据中数可以看出，在 2017年 8月 1日～8月 20日之间，8月13日化验数据显示除油率达到6.38%，为20天内最高，其他时间除油率大多低于5%，并且出口最低值为8月1日的化验值166,mg/mL，无论从出口水中含油还是除油率上均未达到生产水除气罐的设计要求。

表2 生产水除气罐优化改造前化验数据Tab.2 Test data of degassing vessel for wastewater before the optimization

3.2.2 优化改造后生产水除气罐进出含油情况

从表 3生产水除气罐优化改造后化验数据可以看出，优化改造后，生产水除气罐入口含油变化不大的情况下，出口化验含油在下降，在 2017年 8月25日～8月 26日两天的化验数据中，可以明显看到化验含油明显下降，除油率达到 39.89%,，并且出口最低值为110,mg/mL，与优化改造前相比明显变好。

表3 生产水除气罐优化改造后化验数据Tab.3 Test data of degassing vessel for wastewater after the optimization

4 结 论

通过现场实际测试并结合流体力学计算，寻找出该生产水除气罐设备无法正常收油、除油的原因，并针对引发问题的原因，设计出对该设备的内部结构优化改造方案。切除生产水除气罐的油室部分前堰板和全切水室堰板。现场进行内部优化改造后，进行运行调试，观察生产水除气罐进液过程，油室、水室和混合室液位的变化情况，并且对比改造前后生产水除气罐入口与出口污水含油变化情况，得出以下结论：①内部优化改造后，设备投入使用时，水室的液位先上涨，液位达到1,650,mm时，油室液位逐渐上涨，将油室液位调节阀调整为自动控制后，油室液位可以控制在设定值1,500,mm。②内部优化改造后，水室的液位可控，油室液位可控。③通过化验数据可知，内部优化改造后，设备出口污水含油量明显下降，水质得到改善。■

［1］姜维东，徐文江. 海上低渗油田注水水质对储层影响实验研究[J]. 工业水处理，2016，9(5)：85-88，102.

［2］刘洋，史俊瑞，李楠，等. 结构化填充床内流体流动的三维数值研究[J]. 沈阳工程学院学报：自然科学版，2016，3(5)：208-212.

［3］李硕. 流体流动对曲管产生的压力[J]. 中国石油和化工标准与质量，2013(6)：58.

［4］常胜，牧振伟，万连宾. 玻璃钢管沿程水头损失计算公式选用[J]. 南水北调与水利科技，2014，5(3)：196-198.