JZ9-3平台除油罐斜管结构参数的设计与优化

付家新，向问陶，周 薇，王建文，靖 波，尹先清

（1长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州 434023；2海洋石油高效开发国家重点实验室，北京 100027；3中国海洋石油总公司研究总院，北京 100027）

应用技术

JZ9-3平台除油罐斜管结构参数的设计与优化

付家新1，向问陶2，3，周 薇2，3，王建文2，3，靖 波2，3，尹先清1

（1长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州 434023；2海洋石油高效开发国家重点实验室，北京 100027；3中国海洋石油总公司研究总院，北京 100027）

从沉降原理和数学分析的角度出发，探讨了JZ9-3平台V-301除油器斜管工艺结构参数的设计与优化，给出了除油罐斜管工艺结构尺寸的优化结果，为斜管工艺设计改造提供了理论依据。优化后的结果显示，污水中油滴粒径下降了4 μm，除油效率明显提高，除油器堵塞现象亦会有所改善。

除油罐；斜管结构参数；设计与优化

斜板（管）除油提高油水分离效率的依据是“浅池沉淀理论”，这种理论忽略了紊流（即认为是层流）、进出口水流的不均匀性（即未考虑流速分布）以及颗粒下沉和油珠上浮过程中的絮凝聚并（即未考虑加速沉降）等因素，认为颗粒和油滴是在理想状态（即未受干扰）下进行重力沉降而被分离的。

从水流和斜板（管）的倾斜关系来划分，斜板（管）的布置方式可分为前向流、后向流、上向流、下向流和横向流（侧向流）5种。其中前向流和后向流用得很少，实际意义不大，工程上常用的是上向流、下向流与横向流[1]。

考察上向流、下向流与横向流，并结合颗粒沉降与油珠浮升，可建立6种不同的沉降模型，分别是：上向流颗粒沉降（异向流）和上向流油珠浮升（同向流）；下向流颗粒沉降（同向流）和下向流油珠浮升（异向流）；横向流颗粒沉降（错向流）和横向流油珠浮升（错向流）。针对这6种沉降模型，运用沉降理论并结合三角形相似原理经数学推导，归纳整理可得出如下3组数学模型（见表1）[1-2]。

表1 斜板（管）几何参数与水流速度、沉降速度和分离直径之间的对应关系

1 JZ9-3平台V-301斜管除油罐斜管工艺结构参数优化的理论分析

JZ9-3平台V-301A/B斜管除油器为φ3400 mm× 8000 mm的卧式圆筒形容器（图1），器内斜管断面为六边蜂窝型，其内切圆直径为φ50 mm，水平倾角60°，且为下向流，两台并联运行，日处理污水约7000 m3。

图1 JZ9-3平台V-301斜管除油器斜管布置区尺寸（单位：mm）

考虑到海上平台设备改造的不便，现维持斜管布置区空间几何尺寸（长×宽×高＝5000 mm×3180 mm×866 mm）不变，即斜管斜长l=1000 mm、斜管布置宽度w=5000 mm、斜管组厚度（或深度）s=3180 mm、斜管布置高度866 mm及其它参数不变，通过优化确定斜管工艺结构尺寸。这样做就不会伤害到设备的内部结构，只需改造或更换斜管即可。

1.1 水流方向

关于水流方向的优化。对表1中的公式进行分析即可得出如下结论。

（1）就去除油滴效果而言，下向流最好（异向流），横向流居中（错向流），上向流（同向流）最差。原因是在Q、Af和A一定的情况下，采用下向流时所需理论板（管）长l′较短，能被完全去除的颗粒直径dp也较小。

（2）就去除固粒效果而言，上向流最好（异向流），横向流居中（错向流），下向流（同向流）最差，原因与（1）相同。

因此不论是颗粒沉降还是液滴浮升，异向流最好，错向流居中，同向流最差。

（3）工程应用时，因Af是A的十几倍或上百倍（即fA≫A），故3种流向的除油效果基本接近。如果悬浮固相含量高沉泥多，出现污泥滑落不畅容易造成斜板（管）堵塞时，应尽可能采用下向流以发挥重力和水力冲刷的作用。

1.2 斜管倾角

关于斜管倾角的优化。原设计中，l=1000 mm、w=5000 mm、s=3180 mm、θ=60°、d=50 mm，计算n时取壁厚为2 mm，按原设计点并结合现有污水处理量按表2计算步骤进行。

在其它参数不变的情况下只改变倾角，按表 1和表 2中给出的计算公式和计算步骤分别计算DN50 mm和DN60 mm斜管组的相关参数，并对计算结果作图得图2。

图2（a）和图2（b）分别对应于DN50 mm和DN60 mm斜管组，下向流与上向流曲线分别采用表1中的异向流和同向流公式按表2中的计算步骤计算得到。从图2中可以看出如下结果。

（1）V-301除油罐若不考虑其它因素，就除油效果而言，无论是上向流还是下向流，在两种不同管径下均存在一个除油最佳的相同倾角（约45°），30°～60°为可选范围，超过60°，斜管总投影面积Af急剧下降，能被去除的最小粒径值dpc急剧增大，除油效果急剧恶化，最佳倾角范围应在40°～50°，且与斜管直径和水流方向无关，只与斜管组布置的空间参数（长、宽、高）和管壁油泥的滑脱性能有关。

表2 优化设计步骤中各计算项目所对应的计算公式（适用于下向流）

（2）下向流明显优于上向流。尽管下向流和上向流并不改变斜管组的总投影面积Af和工作区面积A，但上向流去除油珠的临界直径dpc比下向流明显要大，除油效果明显变差。

（3）DN60 mm的总投影面积Af比DN50 mm明显要小，能完全去除油珠的临界直径明显比DN50 mm要大。这说明增大斜管直径将会降低斜管组的除油效率。

（4）计算结果还表明（此处未列出计算结果），沉降所需斜管的理论长度均大于实际长度，能被去除的油珠直径均在100 μm以上，只能去除浮油（＞100 μm），对分散油（10～100 μm）和乳化油（＜10 μm）的去除能力很差，因此导致V-301除油罐出口含油仍在120 mg/L以上。

1.3 斜管直径

同样，保持V-301除油罐其它参数不变，只改变斜管直径，并忽略因管数变化而引起的η值的变化，分别计算出45°、50°、55°、60°的相关参数，数据处理结果见图 3。从图 3可以得出如下结果。

图2 V-301除油罐斜管倾角与能被分割的最小油滴直径之间的对应关系

图3 V-301除油罐斜管直径与能被分割的最小粒径之间的对应关系

①随着斜管内径d的增大，总投影面积Af减小，能被去除的颗粒粒径dp却增大，除油效果变差。然而，“斜管直径越小，除油效果越好”这一结论仅仅只是针对颗粒沉降和油珠浮升而言，并未考虑斜管堵塞的问题。工程上考虑到黏稠物体和油泥附壁于斜管进而导致斜管堵塞，因此，适宜的斜管直径需由实验确定。

②45°和 50°两种情况下的临界直径和总投影面积曲线非常接近，但50°和55°、55°和60°的差距却逐步增大。

1.4 斜管停留时间

对除油器而言，停留时间越长，除油效果越好。由于是老设备的改造，斜管空间尺寸难以改变，否则会造成原斜管除油器不可用。只要斜管组空间尺寸不变化，则停留时间就不会改变。

2 V-301除油罐斜管尺寸的优化结果

从上文的理论分析可知，宜从“增大斜长、缩小倾角、减小管径”三方面进行调整，而且只能在原有设备上进行，显然调整的幅度不能过大，否则将导致V-301除油罐不可用。

V-301除油罐斜管布置区斜管组理论优化的结果见表3。

根据理论分析，表3中的12组数据中以第1组数据除油率最好，但是，因JZ9-3平台V-301斜管除油器堵塞现象比较严重，故倾角和管径均不能太小，结合生产实际，可考虑采用50°倾角、60 mm直径、斜长1130 mm的斜管，该斜管与原60°倾角、50 mm直径、斜长1000 mm的斜管相比，除油效果将会有所改善（dpc= 111 µm→107 μm），堵塞现象有可能得到缓解。

表3 斜管工艺尺寸优化结果（布管空间尺寸5000 mm×3180 mm×866 mm）

3 结 论

（1）斜管沉降常用的进水方式主要有上向流、下向流和横向流3种。这3种进水方式既可用于固体颗粒的沉降，又可用于液滴油珠的浮升，当固粒和液滴同时存在时则表现出6种运动方式，通过数学描述得出3组数学模型，即异向流、同向流和错向流模型。

（2）在3种沉降模型中，无论是固粒沉降还是液滴浮升，异向流的去除率最好，横向流居中，同向流最差。故就除油而言，以采用下向流为最好。

（3）“增大斜长、缩小倾角、减小管径”是已有设备改造提高除油效率的有效手段，但同时会增大斜管堵塞的倾向，合理的参数还需由实验确定。

（4）经对V-301斜管除油器斜管结构的理论分析并结合现场生产实际，经优化后的斜管倾角为50°，斜管长度1130 mm，斜管直径60 mm。优化参数与原设计参数（斜管倾角60°、斜管长度1000 mm、斜管直径50 mm）相比较，临界粒径下降了4 μm（111 μm→107 μm），除油效率和堵塞现象将会有所改善。

符 号 说 明

A——斜板（管）区工作面积，m2

Af——斜板（管）总投影面积，m2

d— —斜板垂直间距或斜管直径，mm

dp— —颗粒和油珠的粒径，μm

L— —颗粒沉降或液滴浮升需要的长度，mm

l— —实际斜板（管）长度，mm

l′ ——理论斜板（管）长度，mm

K——常数，K=18µw/[(ρw-ρo)g]

n— —斜板（管）间隔数

s— —斜板（管）厚度，mm

w— —斜板（管）区宽度，mm

µw——水的动力黏度，Pa·s

θ——斜板（管）倾角，(°)

ρw，ρo——分别为水和油的密度，kg/m3

υ——斜板（管）中水流平均速度，mm/s s

υ——颗粒沉降或油滴浮升速度，mm/s

[1]上海市政工程设计院编. 斜板斜管沉淀 [M]. 北京：中国建筑工业出版社，1978：1-43.

[2]许保玖. 给水处理理论 [M]. 北京：中国建筑工业出版社，2004：234-242.

Design and optimization of inclined-tube structure parameters in oil remover，on JZ9-3 platform

FU Jiaxin1，XIANG Wentao2，3，ZHOU Wei2，3，WANG Jianwen2，3，JING Bo2，3，YIN Xianqing1
（1College of Chemistry and Environmental Engineering，Yangtze University，Jinzhou 434023，Hubei，China；
2State Key Laboratory of Offshore Oil Exploitation，Beijing 100027，China；3CNOOC Research Institute，Beijing 100027，China）

Based on settlement principle and mathmatical analysis，the design and optimization of inclined-tube structure parameters of V301 oil remover on JZ9-3 platform was studied，and inclined-tube structure parameters of oil remover was optimized，providing theoretical basis for the transformation of inclined tube process design. The diameter of oil drops in wastewater decreased by 4 μm and the efficacy of oil removal increased remarkably. Clogging in the oil remover was improved.

oil remover；inclined-tube structure parameters；design and optimization

TQ 050.2

A

1000-6613（2011）09-2090-05

2011-03-12；修改稿日期2011-05-01。

国家科技重大专项子课题（2008ZX05024-002）及中国海洋石油总公司项目（CNOOCRC-2010-ZHKY-ZX-005）。

及联系人：付家新（1962－），男，高级工程师，主要从事油田污水处理研究。E-mail fjx123321@tom.com。