三相分离器结构优化设计与应用

2018-06-09吉效科

设备管理与维修 2018年6期

吉效科

（1.西南石油大学机电工程学院，四川成都 610500；2.长庆油田公司设备管理处，陕西西安 710018）

0 引言

随着油田的日益开采，原油含水率不断上升，原油处理成本居高不下。解决好原油脱水，确保油气密闭处理工艺的正常运行，使原油处理保持较低的生产成本，已经成为油田地面工程发展的迫切需要[1]。长庆油田于2003年在西一联成功试验油气水三相分离器技术，并在油田全面推广应用。但是，随着油田开采工况和工艺条件的变化，三相分离器在运行过程中出现4个问题：①油水界面调整费时费力，可调范围小；②来液波动大，影响分离效果，处理效率降低；③设备内部部件腐蚀严重，使用寿命缩短；④冲砂、清淤、防泥砂能力不足。

针对长庆油田三相分离器在应用过程中存在的上述问题，结合油田场站的生产工况和简化的地面工艺现状，于2013年开始积极探索、引进三相分离器先进的工艺技术，优化改进三相分离器结构、配置和工艺，并在油田试验评价和规模应用，取得显著效果。

1 三相分离器的技术分析

1.1 工作原理

油气水混合来液进入三相分离器后，初步进行液气两相分离。伴生气通过一级分离、二级捕雾器处理后，进入站内气处理系统。油水混合物进入预分离室，经过整流、消泡、聚集等处理后，至沉降室开始分离，形成油水层。通过调节水室导水管的高度，形成稳定的油水界面。沉降室上部的油溢流进油室，通过浮子液面调节阀调节出油阀的开度，自动控制油室液面高度。而沉降室底部的水通过导水管流入水室，通过浮子液面调节阀调节出水阀的开度，自动控制水室液面高度。

1.2 结构改进

1.2.1 采用旋流分离技术

将传统三相分离器重力沉降分离结构改为旋流分离结构。在入口构件上，采用旋流分离器作为气、液预分离，并辅以二级气体旋流除沫器设计。气相基本不进入沉降室，这样减少了气流对预分离室内的液相扰动，有利于沉降室的油水分离。根据Trapp和Mortensen提出的离散颗粒模型理论，用拉格朗日法将流体主相视为连续相并求解其Navier-Stokes方程，同时选择通用性较好的欧拉方法结合雷诺应力湍流模型优化设计。气液旋流预分离器、气沫旋流除沫器结构型式如图1、图2所示。

1.2.2 采用消能器技术

经旋流预分离器分离出的液相进入三相分离器沉降室，设计安装椭圆型消能器进行消能，流体通过消能器转向整流，减少流体对设备的冲击、冲蚀。消能后的来液通过布液板、整流板整流后形成平稳流态。

1.2.3 内部结构优化改进

（1）布液、整流装置采用防腐性能好的非金属材质加工，并设计采用可拆装结构。

（2）罐内设计整流凝聚、一级捕雾填料。整流凝聚、一级捕雾填料采用316不锈钢材料的刺孔压延波纹填料，提高油水分离效果；依据润湿、聚结作用原理，除去＞50 μm 的液滴。

图1 气液旋流预分离器

图2 气沫旋流除雾器

（3）油出口设计内置式油室，采用非金属防腐材料。分离出的原油通过溢流进入油室，起到原油缓冲存储作用，使流体流态平稳，溢流口设置在流体路径的最远端，尽量延长油相的有效停留时间。出水口设置于尽量远的油室结构下方，增大有效停留容积，且有更佳的防涡效果。

（4）沉降室设计集砂斜板、冲砂排管和多个集砂斗。分离器液相出口设置防涡流挡板，分离器气出口设置挡板，减少气相夹带雾沫。

1.2.4 沉降技术优化设计

沉降室的总体尺寸计算主要取决于液相有效停留时间。所需的有效停留时间与分离器内部结构、运行参数、流体的物性参数等有关。液相流经沉降室中有效停留时间取决于沉降室的有效停留容积。沉降室的有效停留容积为稳流状态、油水共存。因此确定液相的有效停留时间需考虑2个方面：①原油沉降时间要保证水足以从油中脱出；②水的沉降时间要保证油足以从水中脱出。

根据沉降理论中的Navier-Stokes方程式，计算进入沉降室的气相和液相的体积比，确定为1∶5。

1.2.5 防腐处理工艺技术

（1）在工艺设计、结构设计过程，选用耐腐蚀材料，简化罐内结构，内构件拆装方便，便于组装部位在防腐处理时不留死角

（2）防腐处理采用内表面及内构件喷铝工艺，厚度指标（150～200）μm，并加涂厚度 50 μm 的环氧树脂。

（3）增加电流阴极保护系统，提供三相分离器内部所需的保护电流，使内壁的各种材料整体达到保护电位，消除电偶腐蚀。

优化后的三相分离器主体结构如图3所示。