油田新型加热分离处理装置技术应用与结构设计要求

牟鸿翔，苏海鹏

（华油惠博普科技股份有限公司北京分公司，北京 100088）

油田一体化加热分离处理装置是指应用于油气田地面生产、用以加热、分离油水混合物，与油气田地面工程的建设规模和工艺流程的优化简化相结合，将加热、分离等工艺过程高度集成，能独立完成油气田地面工程中常规的中、小型站场或大型站场加热和分离功能。它综合了火筒式加热炉和油水分离器等工艺原理，通过在金属圆筒壳体内设置火筒，将燃料燃烧释放的热量直接传递给被加热介质，将原油、天然气及井产物加热到工艺所要求的温度，并进行沉降、分离。加热分离处理装置分为卧式和立式两种结构型式，其共同特征是设备由容器外壳、火筒、分离装置等组成，功能区域分为加热区、缓冲区、分离区等内部区域[1-2]。加热分离处理装置内部分离区域作为设备的核心之一，其结构组成与型式需要根据不同的介质而进行特殊的构思设计[3-4]。

文章归纳总结国内外加热分离处理装置技术和应用现状的基础上，对国外比较成熟的加热分离设计工艺进行了介绍。总结了油田一体化加热分离处理装置的技术特点和基本设计要求，给出了有关部件的设计计算思路和方法，为油气田加热分离处理装置的设计选型及操作运行提供有益参考。

1 国内外油田加热分离处理装置应用

油田加热分离处理装置在国外的应用大约始于20世纪70年代，主要以油田气或天然气为燃料提供热源，主要用于直接加热井口来液。其在结构型式和工程应用上，加热分离处理装置有卧式和立式两种。国内类似装置仅发现以油井多功能储油罐的形式有工程应用，其主要应用于胜利油田、大港油田和大庆油田等[5-6]。另外一种与之类似的是橇装数字化增压装置，它是将油气混合物的过滤、加热、分离、缓冲、增压、燃料气分离等工艺过程，集成为油田一体化加热分离处理装置，其采用间接加热油气混合物的方式对介质进行升温后[7-8]。

1.1 卧式加热分离处理装置

图1和图2分别为在国外应用较为广泛的卧式加热分离处理装置工艺原理图和应用情况。从图中可以看出，火筒位于油水界面或乳化液与水的界面以上。与一般的分离处理工艺相比较，加热分离处理装置内介质主要加热对象为原油或乳状原油，较为有利于后期的操作运行和控制出口油、水的分离指标。

图1 新型加热分离器工艺原理图

图2 双火筒加热分离处理装置

卧式加热分离处理装置适用于处理规模比较大、指标要求较高、含水量不是很大的情况，因此，加热分离处理装置外形尺寸、筒尺寸及其受热面积通常比较大。卧式加热分离处理装置可根据处理规模、容器直径以及油水界面的高度，设置1至4套数量不等的立式或水平型式火筒。卧式加热分离处理装置往往由于运输和外形尺寸方面的限制，其油水界面和火筒的安装空间受到限制。

1.2 立式加热分离处理装置

立式加热分离处理装置在国外油田工程应用较为常见的工艺原理见图3和图4，分别为以加热为主的工艺原理图和装置应用情况。立式加热分离处理装置具有储罐功能，通常设计和操作压力不高，适用于井口混合物的加热处理、处理规模比较小、指标要求不高、含水量相对较大且需要回注的情况，因此，立式加热分离处理装置的火筒尺寸和受热面一般比较小。

图3 加热分离工艺原理

图4 立式加热分离处理装置

立式加热分离处理装置设备内部除了火筒以外，通常根据加热处理介质等的特性和要求，会设置内件或填料等。立式加热分离处理装置可根据处理规模、容器直径以及油水界面的高度设置立式或水平型式的火筒，油水界面的设置和火筒的安装高度有较大的实施空间。

1.3 加热分离处理装置的主要应用情况

加热分离处理装置在国外的应用主要集中在北美洲地区的美国、加拿大、墨西哥，南美洲地区的哥伦比亚、厄瓜多尔、巴西等，亚洲地区的印度尼西亚、马来西亚、哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦、伊朗、伊拉克和阿联酋等，欧洲地区的俄罗斯、阿尔巴尼、马其顿等，非洲地区的阿尔及利亚、尼日利亚、阿尔及尔、尼日尔等。全球加热分离处理装置的主要生产厂商基本上都集中在美国德克萨斯州、俄克拉荷马州、新墨西哥州、密苏里州和加拿大阿尔伯塔省等地区，其中以为美国德克萨斯州和加拿大阿尔伯塔省的类似产品供应商最为集中，亚洲地区的阿联酋、伊朗和非洲地区尼日利亚等地有少量供应商能够提供这种产品。

2 新型卧式加热分离处理装置的结构设计要求

2.1 结构设计基本要求

加热分离处理装置按照ASME VIII进行设计、制造，采用火筒可抽出结构型式，以便后续运行过程中加热负荷调节和设备维护。对于卧式设备，火筒在设备内部的安装位置应尽可能的布置在油水界面以上，以确保足够的热量用以加热原油。由于油、水的热物理学性质差别较大，如果火筒受热面完全或部分位于油水界面以下，将会对分离原油的温度提升十分不利，进而影响油、水分离的指标和性能。

作为燃料燃烧和热量传递的唯一部件，火筒应具有良好的力学性能、便于设备维护。由于原油、井产物自身的物理特性，介质通常含有泥沙和胶质物，沉淀物状态比较粘稠，因此，就对火筒的力学性能和沉积物的清理及设备维护具有较高的要求，需要在机械结构设计方面采取有效措施保证火筒安全性能[9-10]。

2.2 内部构件功能布置方案设计

根据工艺计算结果及基本设计要求，采用图1所示的设备内部工艺布置的思路。被加热介质由设备前端进入容器内部，由内部导流管引入设备底部。火筒位于油水界面以上、采用双立式火筒结构型式，位于加热区域、设备纵向轴线中心位置附近。容器中部缓冲区域设置波纹板填料，以提高油的分离指标。容器后端上半部为油室，位于设备后端分离区域，分别由堰板和隔板与前端缓冲区与底部水室分割开来。分离出的气体由顶部汽包分离出设备。基于上述火筒便于维护和清理沉积物的原因，火筒与设备壳体的连接采用既具有开拆、可抽出的功能，又要具有良好的承压、密封性能的结构型式，火筒在设计上可参考API 12规范有关条款[11]。

3 结语

加热分离处理装置是集加热、分离等功能于一体的油田处理设备，其火筒的可抽出结构是技术关键。沉浸在石油或石油乳化液中的火筒外壁，如果附着泥沙或是胶质物，将对燃烧传热较大的影响。泥沙或是胶质物长时间得不到清理，将加剧火筒的局部过热、影响设备的安全运行。通过对加热分离处理装置结构设计过程的分析，笔者认为：1）对于这种具有可抽出功能的筒加热分离处理装置，其强度设计的关键是在于对非标受压元件进行正确的力学性能分析和结构优化；2）类似具有长圆法兰连接结构的椭圆封头开孔及长圆法兰，其最大应力出现在4个对称的圆弧与直段连接处；3）立式火筒与长圆法兰盖连接处的最大应力，出现在下部燃烧器法兰连接管嘴的顶部；4）对于处理油泥或胶质物含量较多的介质，火筒局部可考虑采用波纹型结构；5））加热分离处理装置内部清洗冲沙机构，在设备实际运行过程中是否能够起到有效作用，都是需要通过时间进行检验的。