海上平台用开排沉箱内油水两相分离性能试验

李东芳，高 华，马晋雄

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)



海上平台用开排沉箱内油水两相分离性能试验

李东芳，高 华，马晋雄

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

为研究斜板布置对开排沉箱分离性能的影响，以PY5-1B平台开排沉箱为基础建立试验模型，分别对沉箱内油水两相分离性能进行宏观和微观试验研究，分析沉箱内水中含油浓度分布和油滴粒度分布以及油滴在斜板间的流动情况。结果表明：在沉箱内加设斜板能构造静态区，同时增加油滴的停留时间，对油滴有碰撞聚结的作用，可有效提高油水分离和分离更小的油滴；适当增加斜板数量、增大斜板间距和第一块板距入口管口距离可进一步优化开排沉箱分离效率。为开排沉箱的生产和设计提升参考。

开排沉箱；斜板布置；油水分离；试验

0 引言

开排沉箱是海上平台上生产污水、生活污水及甲板雨水的排海通道，为处理含油污水的最末一级设备，因其结构简单、造价低廉、处理量大在海上平台中获得了广泛的应用，其中斜板式开排沉箱应用最广，它通过构造流动静态区能有效去除污水中含有的油滴等杂质，对保障清洁海洋油气生产和可持续发展具有重要意义[1]。

提高沉箱分离效率、减小其结构尺寸一直是工程人员们研究的方向，国外已经形成一套完整的体系，但国内起步晚，研究及设计都不完善，一般采用理论分析和数值计算。但是，由于油水两相流动的随机性，数值建模对油滴受力和运动的理论分析及简化建模使其结果不可避免地与实际情况存在一定误差。因此，对开排沉箱内分散相的浓度分布、停留时间及油水分离效率进行深入的试验研究具有重要意义[2-3]。

通过参考工业应用的开排沉箱，在保证开排沉箱内油滴停留时间相同的条件下按1∶20的比例对开排沉箱进行缩放，得到一套试验装置，在充分测定其分离效率和内部宏观含油浓度分布的基础上，对污油粒径及粒级浓度等微观参数进行了研究。试验结构可对开排沉箱的实际生产及设计工艺提供参考，还可以给CFD多相流数值模拟的相关边界条件及准确性提供验证。

1 试验

1.1 试验模型的建立

本文参考的PY5-1B平台开排沉箱筒体总长58.8 m，海平面以下49 m，沉箱内径1.6 m，污水处理量为1 120 m3/h。考虑到试验场地条件及其他因素将其按1∶20的比例缩放，确定试验模型的总长为3 m，内径为0.08 m，按照相似原理换算试验入口流量为0.14 m3/h，污油在沉箱内的停留时间为375 s。根据文献[2]可知含油污水至少应在沉箱内停留300 s才可满足油水分离的需要，由此可知此试验模型能够保证足够的停留时间。

沉箱内的斜板除按等比例进行缩放外，考虑到加工难度及可观察性将内部升油管进行外置处理，通过减少接管长度以及对弯管进行平滑处理以降低试验误差。共设计4种沉箱内部结构研究第1块板距入口管口距离、斜板数量和间距对开排沉箱分离性能的影响，如图1所示，其中：图1a)为光管，作为空白对照；图1b)中第1块板距离入口管口的距离为100 mm，6块斜板间隔80 mm均布排列，倾斜角为45°；图1c)中第1块板距离入口管口缩短至80 mm，6块斜板之间按照120 mm，110 mm，100 mm，90 mm，80 mm变间距布置，倾斜角45°；图1d)在图1b)结构的基础上增加了6块板，共12块板间隔80 mm均布，其他不变。

图1 四种沉箱内部结构

1.2 试验装置及相关器材

试验装置如图2所示，整个试验台主要由动力部分、管路混合部分、测控部分及沉箱主体等组成。沉箱筒体总长3 000 mm，直径90 mm，壁厚5 mm，整个筒体按照入口段、斜板段和水底出口段进行分节安装。为保证沉箱出口位于2.5 m深的静水压下，通过连通器原理用1个充满水的密闭真空容器将沉箱与另外1根细管的底部相连，控制细管中的液位在2.5 m处，从而在沉箱底部构造真实的压力出口环境。连通器及沉箱各部件为有机玻璃材质，用以观察试验过程中沉箱内部的流场。

试验台各组成部分用聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride,PVC)软管连接，根据各部分位置及口径使用相应的弯头、三通、喉箍、变径以保证其连接紧密。为保证取样质量、避免影响沉箱内部流场，取样口使用直径为10 mm的钢芯球阀，图2中2个取样口距顶端入口的距离分别为1 490 mm和2 805 mm。

图2 试验装置图

试验中使用的其他设备还包括：用于油水乳化的电动搅拌器、萃取油相的石油醚及相关玻璃器皿、测试含油浓度的UV-6000 PC紫外可见分光光度计、用于微观分析的Winner 99显微颗粒图像分析仪等。

1.3 介质物性

本次试验所用的分离介质为马林原油，密度为917.5 kg/m3，用UV-6000 PC紫外可见分光光度计测定其不同浓度下的吸光度，以拟合原油标准曲线进行后期测试。测试原理主要基于朗伯-比尔定律[4]，经扫描得最佳测试波长为390 nm。通过制得已知浓度试样绘制出标准工作曲线如图3所示，并拟合出通用公式为C=486.81A-0.124 5。

图3 马林原油标准曲线

将油和水按比例在混合桶内充分搅拌后得到待分离进料，取试样后，使用Winner 99显微颗粒图像分析仪拍得照片如图4所示。经分析可知：油滴粒径在0～100 μm的范围内，油相在水中存在形式复杂，主要有浮油、分散油和乳化油，且乳化呈油包水、水包油的复杂形式。因此，该进料可模拟实际生产中的含油污水。

图4 进料微观照片

1.4 试验方法

试验时首先将沉箱内的水位调至2.5 m处以保证出口的压力，然后打开自吸泵将混合好的油水混合物注入沉箱内，通过球阀控制入口和出口的流量，使沉箱内的水位不变并且达到动态平衡。待超过标准停留时间后，使用取样瓶对入口和各采样口进行取样，过程中须做到迅速、全流、放样稳定且取样适量。将样品分为2部分：一部分加入表面活性剂后使用显微颗粒图像分析仪进行粒度分析；另一部分则使用石油醚萃取出水中的油分制得试样进行含油浓度测试。

2 结果与分析

2.1 停留时间对分离性能的影响

开排沉箱是利用重力沉降的油水分离设备，水中油滴在沉箱内的运动一般属于层流运动或流线状运动，根据Stokes公式和浅池原理[5]可知：在油滴浮升速度一定的条件下，增加油滴逃逸前在水中的停留时间可提高分离效率。

沉箱内油水分离的停留时间主要由入口流量决定，这组试验使用不加斜板的沉箱模型以排除停留时间外的其他影响因素，分别控制入口流量为100 L/h，120 L/h和140 L /h进行试验。

图5为不同入口流量下沉箱分离效率的对比图。从图中可以看出：随着入口流量增大，污水中的油滴在沉箱内的停留时间减少，对于浮升速度慢的油滴在有限的时间内不足以到达顶层油水界面而从出口逃逸；随着入口流量的增大，水流对浮升油滴的曳力作用逐渐增大，当其与重力的和大于浮力时，油滴会逃逸，导致宏观上除油效率指标下降，研究结果与重力分离的理论模型一致。因此，降低沉箱入口流量，增加含油污水的停留时间可有效提高分离效率。

图5 不同入口流量下沉箱分离效率对比图

2.2 加入斜板后对分离性能的影响

试验中选择入口流量为140 L/h，分别对6块斜板均布(图1b)和12块斜板均布(图1d)的结构进行试验，测得其分离效率，并与不加斜板的结构(图1a)进行的对比，如图6所示。

图6 不同斜板数量的沉箱分离效率对比图

由图6可知：在定流量下加入斜板后，沉箱分离效率得到了大幅提升，这是由于含油污水在斜板不断的折流作用下，在沉箱内的停留时间增加，且斜板构造出很多流动缓慢的静态区，使得进入静态区的油滴不必浮升至顶层的油水界面即可脱离主流被捕获，通过升油管将各处聚集的连续油相统一收集；此外，油水分离效率随斜板数量的增多而增大，这是由于随着斜板数量增加油滴的停留时间会增加，形成了更多的静态区，随主流运动的油滴被捕获的概率大幅增加，从而提高了沉箱的分离效率。但是增加斜板数不仅增加造价，还会增加开排沉箱的重量，增加平台的负荷，所以在实际生产中需要布置最佳斜板数。

图7 不同斜板数量的沉箱内含油浓度分布对比图

图7为不同斜板数量的沉箱内部含油浓度分布的对比，可以看出：增加斜板后沉箱内部水中含油浓度的降幅变大，可见油滴在斜板间流过时是被逐级捕捉的；但是，由于斜板的折流作用，与不加斜板相比，其内部浓度场不再单一稳定，某些点会出现浓度陡增的波动，这一方面是由于静态区油滴正常聚集造成的浓度升高，另一方面是由于贴近斜板的层流流速缓慢，而远离斜板处水流速度大，在斜板之间形成旋涡，造成静态区油滴的返混，不利于油水分离。

2.3 不同斜板布置方式对分离性能的影响

斜板布置的主要结构参数有：倾斜角、板距和第1块板距离入口关口的距离等。试验中将图1b)的结构作为基准结构，图1c)与图1b)的结构相比缩短了距入口管口的距离，同时逐级减小了板间距，图1d)与图1b)结构相比增加了斜板数量。试验入口流量为140 L/h，通过对比分析得到各结构形式下分离效率的对比图，如图8所示。

图8 不同斜板布置方式的沉箱分离效率对比图

由图8可以看出：减小斜板间距结构(图1c)的分离效率较另外2种结构有所降低。分析斜板间流体运动可知：斜板间距变小则流通截面积减小，斜板间流体的流速增大，容易与近壁面的层流形成漩涡，且其湍动更加剧烈，更容易影响本就缩小的静态区。在实际生产中，增加斜板间的间距可有效减少漩涡的形成，从而提高分离效率。但是，斜板间距过大会使沉箱内的流体不足以折流而失去斜板的作用。

2.4 沉箱内油滴粒径的微观研究

开排沉箱作为平台生产最末一级的处污设备，为保障环保的海洋油气开采，对其出口指标的要求非常严格，因此，有必要对沉箱内部油滴的微观参数进行研究，并与宏观结论相互印证。通过Winner 99显微颗粒图像分析仪对所取试样进行测定，得到各取样口中油滴粒径与粒级浓度的分布如图9所示。

图9 沉箱内油滴微观照片和粒度分布

由图9可以看出：各取样口所取试样中的油滴中位粒径分别是16.5 μm，24.8 μm，14.8 μm，呈由小到大再到小的趋势。分析沉箱内斜板间的流动情况可知：由于污水在入口处速度较大，与第1块板碰撞的剪切作用导致油滴分散返混，大粒径油滴数量减少、小粒径油滴数量增多；随后含油污水进入斜板段，在各斜板间不断地折流增加了小油滴的碰撞聚结概率，形成更易被重力分离的大油滴；随着曲折流动继续进行，小油滴不断聚结而大油滴不断被静态区捕集，所以沉箱内从入口往下水中含油浓度逐步降低且油滴粒径不断减小，这与宏观分析是一致的。

油滴粒径的变化证明了斜板的碰撞聚结作用，开排沉箱内加设斜板可提高分离效率，且能分离粒径更小的油滴[6]。

3 结论

本文对4种不同结构形式的开排沉箱进行试验研究，在得到沉箱内污水含油浓度分布和油滴粒度分布的基础上，分析油滴在斜板间的运动情况，得到以下结论：

(1) 减小入口流量、增加停留时间可以提高开排沉箱的分离效率，但同时减少了处理量；在沉箱内加设斜板，可在入口流量不变的条件下增加内部油滴重力分离的停留时间，提高沉箱分离效率。

(2) 斜板的布置方式直接影响沉箱的分离效率，增加斜板数量可增加停留时间和静态区数量，适当增大斜板间距能减少漩涡产生，增大第1块板距入口管口的距离能减少冲击返混，这些结构改变都可提高沉箱的分离效率，但同时增加了沉箱的尺寸和重量，在实际生产过程中需综合考虑。

(3) 从入口到出口，沉箱内油滴粒径呈现由小变大再变小的趋势，证明了斜板的折流对油滴有碰撞聚结的作用，沉箱内加设斜板可分离粒径更小的油滴。

[1] 张树宝，李传凯，陈欣.开排沉箱在海上平台开式排放系统中的应用[J].石油化工设备,2014,43(3):48-53.

[2] 刘华君，李双胜，郝宝齐，等.斜板设计对沉箱分离作用影响的研究[J].中国海洋平台,2011,26(4):47-50.

[3] 孙治谦,金有海,王振波.油水重力分离原理及聚结破乳机理初探[J].化工机械,2009,36(6):636-639.

[4] 霍瑞岗.朗伯-比伯定律在化学分析中的应用及局限性[J].化学周刊：C版，2013(11):1673-9132.

[5] 徐应波,王树祥,杨相伟.应用浅池理论与聚结技术改进油田污水处理系统[J].水处理技术,2010,36(10):115-118.

[6] 刘亚莉,吴山东,戚俊清,等.用于油水分离的聚结技术及其进展[J].西南石油大学学报(自然科学版)，2008,30(1):129-132.

Test on Separation Performance of Oil and Water in
Open Drain Sump Caisson for Offshore Platform

LI Dongfang,GAO Hua,MA Jinxiong

(Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300451,China)

In order to study the separation performance of the open drain sump caisson influenced by inclined plate arrangement.Experimental model is established based on open drain sump caisson of offshore platform PY5-1B,macro and micro test are made respectively on se-paration performance of oil and water phases in sump caisson.The concentration distribution and particle size distribution of oil in water flow in sump caisson,and the flowing condition of oil between inclined plates are analyzed.The test results demonstrate that adding inclined plates in sump caisson can structure quiescent flowing region,also increase oil residence time and have collision coalescence effect on oil droplets.And increasing number of inclined plate,spacing of inclined plates and the first plate distance from the nozzle appropriately can optimize the separation efficiency of open drain sump caisson.It provides reference for produce and design of open drain sump caisson.

open drain sump caisson; inclined plate layout; separation of oil and water； test

2017-02-20

李东芳(1982-)，女，工程师

1001-4500(2017)03-0062-07

TE53

A