某联合站原油脱水除油工艺改进探讨

张 磊

安东石油技术(集团)有限公司安东油服DMCC陕西 西安 710065

1 引言

联合站的原油处理是油田的关键与重要生产环节,是否可以高效处理运行,直接关系到油田开采生产的综合效益。随着油田开采生产行业要求的不断提升,如何对联合站原油处理工艺进行改进与创新,在满足正常原油处理条件的基础上,更加高效化、系统化、低成本化的运行,就显得至关重要。以联合站原油脱水除油工艺为例,传统的工艺主要采用热化学沉降脱水。由于该工艺需要消耗大量的天然气进行加热,导致原油脱水除油生产成本较高,特别是进入油田开采生产中后期,原油的含水量(通常会达到30%左右)、产液量更大,这不仅会导致生产成本进一步增加,也会导致二级脱水加热炉超负载运行从而影响处理工艺质量,最终导致处理工艺无法满足原油进一步处理以及污水排放的标准[1]。以大庆、胜利等我国主力油田为例,随着进入中、高含水期阶段,其出液含水率普遍在80%以上,甚至一些油田的原油含水率高达90%,这不仅加大了原油采出液的处理量,也急剧增加了原油脱水除油的能耗[2-3]。因此,本文将在二级脱水加热炉前引进一个改进设计的脱水除油一体式旋流器对高含水原油进行脱水除油预处理,并对其脱水除油应用价值进行模拟实验分析,以期研究成果可以对联合站原油脱水除油工艺改进实践起到一点参考与借鉴价值。

2 脱水除油一体式旋流器改进设计

传统的二级脱水除油旋流器其内部切向速度衰减相对较小,导致其出口依然存在大量残留可供继续油水脱离的能量,究其原因,这和传统的二级脱水除油旋流器长径较小,无法对旋流能量进行充分利用有着密切关系。因此,本文将对常用的旋流器进行改进,改进后的旋流器结构参数如表1所示。

表1 改进后旋流器结构参数

另外,依据相关经验,将旋流器的结构从单入口调整为双入口,且采用渐开线入口,并增设圆柱段稳流管。

改进后的旋流器,相比传统旋流器,其切向速度明显衰减,从10m/s(Z=1.6m处)衰减到2m/s(Z=0.25m处),衰减程度为80%,这意味着改进后的旋流器可以对进料的切向速度进行充分利用,从而最大程度的提升旋流器的油水分离性能。但值得注意的是,由于该改进旋流器轴向长度较长,并增设了圆柱段稳流管,致使该改进旋流器虽然上半部分切向速度较大,但是到下半部分时,其切向速度已经变化为轴向速度,最终导致其下半部分油水分离性能不足。

鉴于此,本文进一步在改进后旋流器的内部加设再旋器,将旋流器下半部分的流体轴向速度再次转变为切向速度,从而让下半部分再次获取油水分离能力。通过模拟实验分析可知,改进后旋流器流体的切向速度在Z=0.93m处开始大幅衰减,故将再旋器安装在该位置,如图1所示。

图1 改进型旋流器再旋器加装位置

由于本文增加再旋器位置的流体已经具备了一定的切向速度,因此,在设计再旋器时,采用的是以初始螺距开始至目的螺距的渐变螺线,同时增加一段定螺距螺线以及在再旋器装置中间留有回流孔,以分别维持流体稳定性而降低湍流程度、降低再旋器对旋流器上半部分油柱的影响,如图2所示,其中再旋叶片最终角度为30°,导流叶片数为4。加装再旋器之后,再旋器位置以上油柱明显,再旋器位置以下部分存在原油团聚现象,并在再旋器的作用下,团聚的原油会从回流管上行汇入再旋器位置以上的油柱,而且再旋器上下两部分存在明显不连续,这是因为再旋器使用了较为复杂的非结构网络划分结构,使得结构相对简单的旋流器在再旋器位置出现了交换面。

图2 再旋器再旋螺旋面示意图

综上所述,本文所设计脱水除油一体式旋流器结构参数如表2所示,即使用渐开线式对称双入口,增设圆柱段稳流管,并在0.93m轴向位置加装导叶式再旋器。

表2 脱水除油一体式旋流器结构参数

3 脱水除油一体式旋流器的油水分离性能分析

为了探究将脱水除油一体式旋流器引进联合站原油脱水除油处理工艺的油水分离性能,本文对不同处理量下的脱水除油一体式旋流器油水分离效率进行了模拟实验分析,即分别将处理量设置为3m3/h、4m3/h、5m3/h、6m3/h、7m3/h,然后对脱水除油一体式旋流器的油水分离性能进行实验分析,分析结果如图3所示。

从图3可以看出,随着处理量的增加,脱水除油一体式旋流器的油水分离效率呈现出先增大后减小的变化趋势,在处理量为3m3/h时其油水分离效率最差,低于88%,然后随着处理量的增加其油水分离效率呈线性增加,在处理量为6m3/h时其油水分离效率达到最高,为96.67%,但当处理量为6m3/h时,此时油水分离效率开始出现缓慢下降趋势。

图3 不同处理量下的脱水除油一体式旋流器油水分离效率

这是因为当处理量过小时,旋流器的内流场不稳定,导致油水分离效果很差,随着处理量的提高,脱水除油一体式旋流器内流体的切向速度就会随之增加,从而有效促进油水的分离,但是当切向速度超过一定的数值界限时,容易导致高含水量原油油水乳化,特别是在加装再旋器的影响下,油水乳化现象会容易加剧,从而导致油水分离性能的下降。这是因为当高含水原油处理量增加到6m3/h以上时,会导致脱水除油一体式旋流器内速度过大,从而导致湍流强度过大,最终引发油水乳化现象。

总而言之,脱水除油一体式旋流器拥有一个最佳的工作工况与最合适的处理量,本文所改进设计原油脱水除油一体式旋流器的最佳的操作参数是6m3/h,入口含油30%,底流口出料含油1%,脱水除油效率达到了96.67%,使得处理后的原油可以更好的进行下一步的处理,最大程度的降低原油处理成本,并且使得处理后的污水含油率极低,符合污水排放标准。

以含水率为例,脱水除油一体式旋流器预处理后的原油含水率远低于3%-5%的标准,这样在后续的换热负荷、破乳剂费用、动力费用方面分别节省85%-95%、40%-50%、60%-70%,从而显著的降低联合站原油脱水工艺的能耗[4]。

综上所述,将脱水除油一体式旋流器引进联合站原油脱水除油处理工艺,不仅可以显著降低原油脱水除油处理的生产成本,使得能耗更低,给联合站赢得经济效益,而且显著提升原油脱水除油处理效率,提升油水分离性能,使得底口出料的含水率、含油率符合原油进一步处理以及污水排放标准,最大程度的为联合站带来更高的循环利用环境效益,具有极高的应用价值。

4 结论

综上所述,本文在某联合站原油脱水除油工艺的基础上,首先对脱水除油除油器进行了改进与优化,且通过再旋器的安装位置、回流孔直径、导流叶片结构参数进行了进一步的改进优化设计,形成全新的脱水除油一体式旋流器,并将脱水除油一体式旋流器这一操作方便、流程简单、更加绿色的改进设备引进某联合站原油脱水除油处理工艺,不仅可以显著降低原油脱水除油处理的生产成本,使得能耗更低,给联合站赢得经济效益,而且显著提升原油脱水除油处理效率,提升油水分离性能,使得底口出料的含水率、含油率符合原油进一步处理以及污水排放标准,最大程度的为联合站带来更高的循环利用环境效益。总之,将脱水除油一体式旋流器引进联合站原油脱水除油处理工艺,可以全面提升联合站原油生产处理的综合效益,值得推广与应用。