一种新型紧凑式气浮在海洋平台的应用

王涛，周晓艳，戴磊，杨宇环，邓婷

一种新型紧凑式气浮在海洋平台的应用

王涛，周晓艳，戴磊，杨宇环，邓婷

（海洋石油工程股份有限公司设计院，天津 300451）

紧凑式气浮作为含油污水处理设备，具有尺寸小、重量轻、处理效率高等优点。本文就近期海上采油平台使用的一种新型紧凑式气浮进行原理及流程介绍，对比传统紧凑式气浮，新型气浮采用独立的油水腔室设计，减少油水二次污染；油气集中排放，减少设备排放口；流程设计上缩减了气浮泵的使用，减少了设备投资及维修费用；设备采用满液操作，不需覆盖气管线及仪表阀门，所有这些特点降低了设备投资费用，减少了撬块尺寸，更加适用于集约型海上采油平台。

新型紧凑式气浮；集约型；海洋采油平台

紧凑式气浮（CFU）自2001年由挪威EPCON[1]研发并在海洋平台使用，因其占地面积小、处理效率高等特点，已大量应用于海洋石油平台，特别是在南中国海已有广泛应用。随着设备的不断改造创新，已进入第三代气浮时代，第三代气浮设备处理效率更高，流程更加简洁，占地面积更小，更加适用于集约型海洋石油平台。

1 紧凑式气浮原理及特点

紧凑式气浮利用气泡浮选原理，空气以小气泡的形式作为上升载体，使废水中的乳化油、微小悬浮颗粒等污染物质通过黏附或包裹气泡使总体密度与水的密度相差增大，增加其上浮速度，使之上浮至水面，并通过撇除装置将废物从水中去除。在污水净化中，各种气浮处理方法最本质的区别在于水中形成气泡的方式和气泡大小的差异。除此之外，在进水口采用特殊内件，将污水沿径向方向进入，使含油污水在设备内达到旋流效果，在离心力的作用下帮助油水分离，其工作原理简而言之就是浮选加旋流，紧凑式气浮装置简图如图1[1]。因此，紧凑式气浮相比于传统水处理设备具有以下特点。

1.1 尺寸小，重量轻[2]

由于气浮采用旋流加浮选除油技术，设备需要的停留时间较短，大约为30~60 s，所需的设备尺寸小，加上采用立式布置，减少了设备占地面积和重量。

1.2 除油效率高

经过油田使用情况调研和查询资料，其效率可达80%~99%[3]，除油效率高。因其采用微气泡浮选技术，还能去除污水中部分悬浮物。

图1 紧凑式气浮装置图

其除油效率也通常受以下因素影响：（1）气泡和油滴的接触时间。气泡与油滴的接触时间与气泡大小有关，小气泡的上升速度比大气泡的小。如果气泡上升太快，它们与油滴接触的几率就会很小。随着技术不断发展，产生的气泡粒径不断减小，微气泡气浮技术产生的气泡可以小于30 μm。（2） 结合方式。油滴和气泡的结合有两种途径，分别是附着和包裹。附着是气泡和油滴的部分表面接触。由于这种结合联系较弱，一旦发生湍流，它们就可能很容易被冲开。而包裹的联系较强，此时油滴将气泡完全包住。这种状况较为理想，因为两者较难分开，这也意味着它们一起到达液面的可能性很大。（3）低湍流和剪切力。油滴一旦附着或包裹着气泡，就要保证它们保持状态，直到到达液面。如果它们过早分离，会极大降低气浮装置的分离效率。油滴和气泡被大量地分开的原因一般是由于气浮罐内较大的剪切力和湍流较强。这些作用的来源主要有两个，一为气浮罐内部设计得不合理；二为气泡较大。大气泡上升较快，同时还会在其尾流中产生大量的湍流，小气泡产生较小的分散力，这是小气泡的另一个优点。

2 新型紧凑式气浮设备原理

新型CFU属第三代气浮，装置设置有独立的混合内腔和外腔，外腔用于储存分离后的干净水，装置简图见图2。首先浮选气体如氮气或燃料气注入CFU入口管线产生微气泡，在进入CFU罐前经混合器（图3）混合均匀，之后从底部进入内部腔室。水在布液管的作用下，水出口与内腔壁相切，产生旋流。水中夹带的固体杂质在旋流作用下沉积在内腔下部，可定期通过排渣口排出。

图2 新型气浮装置原理图

图3 混合器

水在旋流作用下沿内腔内壁向上流动。内腔成锥形，往上旋流速度逐渐降低，提高气泡和油滴聚集效果。在旋流和浮选作用下，气泡和油滴充分接触聚集成大的液滴和气泡，向上往中心移动，然后从顶部排出，分离后的水在顶部出来后沿边缘进入外腔流向底部。顶部内外腔之间装有一圈导流叶片，使水流动方向从旋流变为径向流动，防止气泡随旋流进入外腔，造成油进入水中，引起二次污染。经现场投产运行，除油效率达到90%左右，运行效果良好。

３　新型CFU和传统CFU流程对比

传统的CFU流程图如4，包括气浮循环泵、气体喷射器、气浮罐、流量控制仪表、压力控制仪表和安全仪表，利用气浮循环泵将部分水与气泡混合，进入气浮罐进行旋流浮选分离，覆盖气一部分用于气浮气，另一部分用于罐内稳压操作。处理后的污油和废气单独排放，循环泵的使用造成生产水在气浮罐中循环，增加了设备处理量，相应增加了设备尺寸，同时气浮泵的设置也增加了设备费及操作维修费用。

图4 传统紧凑式气浮流程图

图5 新型紧凑式气浮流程图

新型CFU流程图如5，包括混合器、气浮罐、相关控制和安全仪表，利用高效混合器将污水与气泡混合后，进入气浮罐进行旋流浮选分离，分离出的油和浮选气从上部排出，处理合格水从底部排出，与传统气浮设备相比完全取消了气浮循环泵，减少了设备一次投资费用，同时也避免了泵循环造成处理量增加的问题，罐内采用满液操作，不需单独设置覆盖气管线及控制仪表阀门。

综上，通过设备流程和平台使用情况对比，新型气浮相比传统气浮有如下优点：

（1）采用独立的净水腔体设计可以阻止油滴流向净水出口，防止油水二次污染。

（2）在特有的气泡发生器及混合器作用下产生均匀分散的气泡。无须使用循环泵+气体喷射器进行溶气操作，大大减少了工艺设备及操作维修费用。

（3）流程更加简化，撬块尺寸更小，若采用传统气浮，整撬尺寸为5.8m(L)×5.5m(W)，采用新型气浮尺寸降低为4.9m(L)×4m(W)，减少甲板面积约12.3 m2，减少平台甲板及结构钢材费用约130万。

（4）设备采用满液操作，无须设置单独的覆盖气管线及控制仪表、阀门，减少仪表阀门的投资费用。

（5）产生的油及气泡同时从上部排出，不同于传统CFU采用油气单独排放，减少了设备排出口，但应注意核实下游接收设备的处理能力，如有必要可在下级增加脱气罐，进行污油和浮选气的进一步分离。

4 结束语

新型紧凑式气浮设备与传统紧凑式设备相比，除油效率更高，流程上更加简化，减少了气浮循环泵、覆盖气管线及相关控制仪表的设置，降低了设备投资费用及整撬尺寸，减少了甲板面积，仅平台甲板结构钢材一项，节约成本约130万元，在集约型海洋石油平台上使用效益明显。

［1］王海燕，王春升，张明，等．多级紧凑式气浮工艺处理海上重质油田生产水的研究[J].海洋工程装备与技术，2018，5（1）：16-19．

［2］姜学华.小型集约化处理工艺在海洋重油油田含油污水处理中的研究[J].工艺与设备，2017（3）：69-70．

［3］张春娥，刘昕宇.番禺4-2/5-1油田生产水处理工艺[J].油气田地面工程，2013，32（6）：73-74．

Application of a New Compact Air Flotation Device on Offshore Oil Platform

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

The compact air flotation device as the produced water treated equipment has the advantages of small size, low weight and high efficiency. In this paper,the mechanism and process flow of a new type compact air flotation device recently used on offshore oil platforms were introduced. Compared with conventional compact air floatation devices, the new type air flotation device adopts individual oil and water compartment to reduce the likelihood of oil and water mixing together; in the device, oil and gas can be discharged together to reduce the number of equipment’s nozzles; the floatation pumps can be cut down to diminish the cost of equipment and maintenance; full-liquid operating mode can be employed to reduce blanket gas pipes and instrument valves. All above features make the investment and size of whole skid less, so the new type air floatation device is more suitable for intensive offshore oil platforms.

new compact air floatation device; intensive type; offshore oil platform

2019-11-27

王涛（1985-），男，工程师，硕士研究生，天津市人，2011年毕业于大连理工大学，研究方向：石油与天然气工艺设计。

TE978

A

1004-0935（2020）03-0309-03