三相分离器油水界面调节范围确定

寇鹏 俞乐平 袁海涛

（中国石油管道局工程有限公司天津分公司）

三相分离器是油田联合处理站广泛采用的脱水设备，其脱水效果直接影响站内冷换设备的热负荷和产品质量。三相分离器除具有足够的集液区容积之外，油水界面调节器合理的调节范围，对处理后油中含水和水中含油的指标起着至关重要的作用。及时调整油水界面位置，才能确保集液区内油相中的乳化水和水相中的油滴有充足的时间分离出来。因此，本文从三相分离器的结构着手，结合具体工程实例，阐述油水界面调节范围的确定方法。

1 油水界面调节原理

三相分离器的主要结构如图1所示。其中，油水界面调节器由界面调节阀门和升降器构成，升降器可以看作是延长的阀杆，其下端焊有套在出水管顶端的圆管。旋动界面调节阀门，带动升降器下端圆管上下移动，可以调节出水口位置，实现油水界面的调节，其可调范围即图1中的“a”值。

图1 三相分离器结构示意

油水界面控制采用U型管原理，出水管高度计算如图 2和公式（1）、公式（2）［1］所示。

图2 出水管计算示意

式中：H——出水管高度，mm；ho——油层高度，mm；oρ——油密度，kg/m3；hw——水层高度，mm；wρ——水密度，kg/m3。

式中：h——油堰板高度，mm。

2 工程实例分析计算

2.1 脱水工艺简介

某联合站原油处理系统采用一段脱水工艺。各区块输送的原油混合后，经过换热器换热至60 ℃，再进入三相分离器进行油、气、水三相分离。分离出的天然气去毗邻的天然气处理中心；脱出的含油污水进站内污水处理装置进行处理；脱出的不稳定原油经脱水提升泵增压和换热器换热后进原稳系统，稳定后的原油经换热器换冷至50 ℃后进原油储罐储存。联合站进站混合原油物性如表1所示。

表1 联合站进站混合原油物性

2.2 三相分离器总体尺寸的确定

经三相分离器处理后，油水指标为油中含水≤0.5%、水中含油≤500 mg/L。为使逐年处理液量具有充分的脱水时间，首先应保证容器集液区具备足够的容积。各区块来的天然气产量、产出液量逐年预测数据如表2所示。由表2可以得知，三相分离器最大处理液量为第14年的28.90×104m3/a。原油脱水试验表明：当脱水温度为60 ℃、脱水时间为120 min时，可以保证处理后的油、水达标。同时，因分离出的油下游接泵，考虑油室缓冲时间为15 min，确定油堰板高度（h）为2.5 m、油室长度（L2）为2.8 m。三相分离器处理量计算如下：

表2 各区块气液产量逐年预测

式中：Q——液处理量，m3/min；D——分离器直径，m；tr——脱水时间，min；Le——集液区长度，m；m——集液区截面积与分离器截面积的比值。

根据公式（3），采用试算法，通过不同D值求出Q值与14年最大处理液量比较，最后确定三相分离器总体尺寸。

通过计算，选择2具直径3 m、筒体长度12 m的三相分离器可以满足生产要求，其中，集液区长度为9.2 m。三相分离器总体尺寸如图3所示。

图3 三相分离器总体尺寸示意

2.3 油水界面调节范围的确定

由表2可以得知，逐年处理液量的含水率均不相同。为使三相分离器处理后油水达标，需要集液区油层的乳化水和水层中的油滴有足够的停留时间进行分离，即集液区油相和水相容积需要分别满足脱水时间要求［2］，表明含水率决定了油水界面的位置。因此，需要根据含水率变化及时调整油水界面调节器，进而调整界面位置。

2.3.1 水相中分离油滴计算

若满足水相中的油滴得到充分分离的条件，则水相容积应由脱水时间和处理水量共同决定。首先，计算出集液区容积［3］：

式中：Vs——集液区容积，m3；VL——基于集液区长度和分离器直径确定的容积，m3；k——容积系数。

式中：0≤h≤D。

此时，水相容积计算如下［3］243：

式中：Vw——水相容积，m3；qw——处理水量，m3/min；k1——容积系数。

式中：hw1——水相分离油的水相高度，m。

采用试差法计算水出口高度。首先假定一个水相高度hw1，代入公式（8）计算出k1，与公式（7）计算出的k1相比较，如果二者基本相符，则假定的水相高度hw1满足要求。将hw1代入公式（1），计算出水出口高度H1。

2.3.2 油相中分离乳化水计算

与水相中分离油滴计算类似，若满足油相中乳化水得到充分分离的条件，则油相容积应由脱水时间和处理油量共同决定。此时，油相容积计算如下［3］243：

式中：Vo——油相容积，m3；qo——处理油量，m3/min；k2——容积系数。

式中：hw2——油相分离水的水相高度，m。

采用试差法计算水出口高度。首先假定一个水相高度hw2，代入公式（11）计算出k2，与公式（10）计算出的k2相比较，如果二者基本相符，则假定的水相高度hw2满足要求。将hw2代入公式（1），计算出水出口高度H2。

2.3.3 油水界面调节范围

综上所述，对于某一固定的含水率，水出口高度H介于H1和H2之间（即H1≤H≤H2）时，才能同时满足油相和水相的分离要求。计算得到油水界面调节器逐年调节范围，如表3所示。

表3 油水界面调节器逐年调节范围

油水界面调节器最大的调节范围为H1min ≤H≤H2max，根据表3可以确定最大调节范围为1 927.82 mm≤H≤2 250.28 mm。考虑油水量的波动情况，设计时可以适当放宽调节范围，最终确定油水界面调节器调节的下死点为1 800 mm、上死点为2 400 mm。

3 结束语

在确定油水界面调节器调节范围时，需要考虑集液区油相和水相容积均应满足总脱水时间的要求，根据产能预测中油水的处理量确定逐年调节范围，为运行方提供调节油水界面的依据。此外，在设计油水界面调节器时（确定调节的上死点和下死点）应以逐年计算的调节范围作为依据，并综合考虑油水量的波动性，合理确定调节器的调节范围。