蓬勃号工艺流程优化研究

赵景岩 张庆峰（天保中天科技（天津）股份有限公司，天津300308）

1 项目背景及研究目的

蓬莱油田各平台的生产流体经过海管汇总至RUP后，再通过海底管道汇集到蓬勃号进行处理。蓬勃号上设有两套相同的油气水分离流程，单套流程主要包括有一级分离器,二级入口加热器，二级分离器,三级入口加热器，三级分离器。在目前的生产状态下，蓬勃号由生产流程入舱的原油含水率比较高，入舱原油中含水率达到21.3%和12%故需对FPSO生产流程进行分析并优化。通过优化分离器的堰板高度，通过增加二级和三级分离器的油水分离停留时间，达到降低下仓原油含水、提高分离器产出生产水水质的目的。

2 流程模拟与研究

根据现场实际运行数据，一级分离器堰板高度为60%直径，但乳化层位置在55.2%直径，乳化层所处位置偏高，造成过多的含水原油进入二级分离器。正常情况下，一级分离器起到除砂、段塞流处理和脱除少量水的功能。其液位设定综合考虑到段塞流、油水停留时间的影响等因素，经过核算后，目前的堰板高度合理，不需要进行调整。

二级分离器堰板高度为36%直径,但乳化层位置在39.5%位置，油水界面已超过堰板高度，造成过多的含水原油进入三级分离器。二级分离器前设有加热器能将原油加热到90℃左右，起到热化学脱水的功能，二级分离器起到关键的作用，可以脱出大部分的水，但二级分离器的堰板高度过低，可以调高二级分离器堰板以增加油水停留时间，提高脱水效果。

三级分离器堰板高度为40%直径，但乳化层位置在31.4%直径，堰板高度偏低，造成原油停留时间过短，不利于提高脱水效果。三级分离器前设有加热器能将原油加热到97℃左右，起到热化学脱水的功能，能将小部分的水脱除，降低原油含水率。通过调高三级分离器堰板高度以增加液体停留时间，提高脱水效果。

由于对现有分离器进行改造，因此需要通过提高操作温度及增加液体的停留时间来提高原油脱水效果，同时还需要满足气相空间尺寸要求以及液位关断和操作反应时间，且要适当考虑起泡空间等因素，尽量提高堰板高度，然后建立正常的操作液位。通过这一方法得出最大的停留时间和最佳的脱水效果。

文章主要根据油品实验数据中的不同含水原油在操作温度下的不同停留时间所得出的脱水效果数据进行分析。

2.1 分离器计算理论分析[1]

水中油滴和油中水滴在分离器内的运动一般属于层流范围内,由于油的粘度较大，停留时间较长。且油、水密度差相对由气密度差也较小,因此，分离计算可以简化为计算油中分离出水滴的沉降速度。

根据堰板高度计算出堰板油水混合室的容积，从而根据来液流量计算液体的停留时间，最终根据液体的停留时间和实验数据分析出各级分离器的脱水效果。

2.2 HYSYS 软件分析

根据原油脱水实验数据，对各级分离器油相出口的油中含水率进行设定。生产工艺流程模拟见图2.2-1。

2.3 气相空间的考虑

来液经分离器入口初步分离,含油气体进入沉降部分后速度变慢,开始进入重力沉降阶段,油滴下降速度于所受阻力同时增加。当油滴所受合力为零时,开始匀速下降。均匀沉降速度的大小决定了油气分离能否实现。沉降速度计算做如下假设:

(1)油滴为球形；

(2)油滴自由沉降；

(3)沉降速度稳定不随时间变化；

(4)油滴沉降速度不变。根据以上假设,按流态推荐选用以下计算公式:[1]

式中:

Wo—油滴均匀沉降速度,m/s；

do—油滴直径,m；

rL—油滴的密度,kg/m3；

rg—分离条件下气体的密度,kg/m3；

图2.2-1 蓬勃号生产工艺流程

卧式分离器,气流方向与油滴沉降方向垂直,因此,油滴能够沉降至集液部分的必要条件是：油滴沉降至集液部分液面所需时间应小于油滴流过重力沉降部分所需时间，根据HYSYS模拟结果查得二级分离器及三级分离器气相及油滴物性数据，根据公式4-1-4 及公式4-1-2 计算得二级分离器沉降速度为0.189m/s，三级分离器沉降速度为0.306m/s；考虑预留最小气相空间100mm，则二级分离器液滴沉降时间为0.53s、三级分离器液滴沉降时间为0.33s；

二级分离器气相空间弓形截面积S=0.12㎡

三级分离器气相空间弓形截面积S=0.085㎡

二级分离器和三级分离器气相入口到捕集器水平距离均为22m，因此二级气体流速为0.64m/s,气体通过时间为34.4s，三级气体流速为6.15m/s，通过时间为3.6秒。

气体沉降时间小于水平通过时间。因此预留100mm 最小气相空间可行。

4.1.2.5 自由液面厚度的考虑

极端情况下，考虑二级分离器和三级分离器在满足油水界面刚好在堰板高度处时，含水原油在油水界面上会建立起一定的自由液面厚度，该厚度为最大厚度。该厚度的计算采用流体力学工程中的计算明渠流流体高度的曼宁公式：[3]公式4-1-5

其中：

V为截面的平均速度（m/s）

k是转换系数;

n为Gauckler-曼宁系数，为无因次量

Rh为水力半径（m）

S为水力坡线或是线性扬程损失的斜率（L/L）

计算出二级分离器中自由液面厚度为340mm，三级分离器中自由液面厚度为290mm。

2.4 最高堰板高度的确定

结合以上考虑的因素，根据LAH～LAHH的3分钟反应时间计算出二级分离器堰板高度为4120mm，三级分离器堰板高度为3110mm；根据LAH～LAHH 的5 分钟反应时间计算出二级分离器堰板高度为3760mm，三级分离器堰板高度为2880mm。

3 结语

（1）乳化层溢流到油室可能是造成目前脱水效果差的原因之一，需要提高堰板高度，增加停留时间，防止乳化层溢流到油室；

（2）二、三级分离器堰板高度建议调整为4120mm 和3110mm，且需要专业的分离器制造及设计单位进行设计改造。

（3）堰板增加而引起的分离器液位提升，湿面积增加，需对PSV火灾工况释放量进行核算。