渤海某油田加气浮选器优化改造研究与应用

王承坤

(中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300450)

1 优化改造背景

该油田生产水系统主要处理各级分离器分离出来的含油污水，主要处理工艺采用“斜板除油器+加气浮选器+核桃壳过滤器”。该油田加气浮选器采用某公司DNF-330型溶气式气浮设备，2017年安装调试完成并投入使用。设计处理量7200 m3/d，目前实际处理污水量为4200 m3/d。该气浮要求入口污水含油在300 mg/kg以下，处理后水质含油达到50 mg/kg以下。

图1 某油田溶气浮选机设备流程图

该装置通过高压回流溶气水减压产生大量的微气泡，使其与含油污水中的浮油、悬浮物等接触上浮并分离。由气浮溶气泵给溶气释放头供水，从浮选器罐底抽吸部分生产水增压后作为循环水，循环水与氮气混合后经溶气泵加压后，经气液混合罐和溶气释放头，把小气泡均匀地分布到整个浮选室内，设备流程图如图1所示。油粒和悬浮物会立即吸附到微气泡表面并随之上浮，在液面上形成浮油层，置于上部的浮油层从顶部刮渣区排出，内部结构图如图2所示，被处理后的污水进入下一级核桃壳过滤器。

图2 某油田溶气浮选机内部构造图

通过分析对比2017 年某月加气浮选器出口水质化验数据，发现加气浮选器出口含油在60～80 mg/kg波动，远达不到设计指标，打开上部的人孔盖观察，发现气浮内部液位波动较大，溶气释放头曝气量少，上部明显有浮油和浮渣的存在。

2 问题探究及原因分析

通过深入探究，查阅相关文献[1-2]，经多次试验论证，分析造成加气浮选器处理效果不佳的原因如下：

(1)由于段塞流的存在，气浮进液量波动较大，而气浮输送泵的3寸回流调节阀通过量小，不能及时补偿液位波动，造成含油污水在气浮内处理时间不均，处理效果差。

(2)溶气装置设计溶气量和回流比不合理，开盖观察发现曝气效果差，产生气泡量少，影响除油效果。

(3)浮选剂处理效果不好或加药浓度不够。

(4)顶部刮渣机与底部刮泥机启动频次与每次启动时间设计不合理，导致内部浮油和废渣集聚不能及时排出，容易越过内部结构堰板随出口水一同进入下一级设备。

3 优化改造措施

3.1 气浮泵出口增加压力调节阀组

为减少气浮缓冲罐液位调节波动，实现自动调节并减少人工干预工作量，提高流程稳定性，故在气浮泵出口新增一组液位调节阀(见图3所示)，新增液位调节阀选择气浮缓冲罐液位信号做调节信号，将原有3寸液位回流调节阀改为压力调节阀，根据根据泵出口压力信号实现开关功能，如此构成离心泵出口标准的液位-压力双阀控制流程，合理控制泵出口排量、压力实现气浮液位自动调节。

图3 渤海某油田气浮泵出口改造示意图

3.2 正交实验筛选气浮关键运行参数

对于气浮溶气量、回流比、加药浓度三个参数在探索最佳的结果时，如按全面式实验对3个参数做4个梯度的实验需要做64组实验，耗费大量的时间、成本、人力等，因此本文采用文献[3-4]中提到的正交实验法, 用此方法，则只需做16次实验即可筛选出最佳组合。

现举例说明本文正交试验方案的制订。

表1 因素水平表

欲考查气浮溶气量、回流比、加药浓度三个因素对出口含油量的影响。每个因素设4个位级，即3因素4位级。药剂期望节省掉，故设置了0位级。试验内容如表1所示。

查适用的正交表，得表 L16(45)，将试验内容列入表中，即成出口含油量的试验方案。根据方案，括号中“4”，表示每个因素取4个位级，指数“5”，表示该表有5列，最多可安排5个因素，因此，该表可作3因素4位级试验之用，需做16次试验，结果见表2所示，两个空列作为对比因素之间有无不可忽略的交互作用。

表2 正交实验结果

从试验结果直观看出，实验9出口含油最低，即因素位级A3B1C3，但方案中各因素位级都有4次试验，为比较各因素位级之间哪个出口含油最低，需进行每个因素中各位级实验结果之和Ki(i=1，2，3，4)。

例如温度10%回流比试时，4次试验出口含油之和48+41+51+60=200，20%时49+40+60+53=202，30%时为179，40%时为188。再分别除4，得k1=50，k2=50.5，k3=44.75，k4=47，填入回流比项下，分别表示温度在10%，20%，30%和40%时的平均出口含油量。溶气量、加药浓度同样计算后填入表2中。从表2可见，三个因素平均出口含油量最低是A3B2C1组合，即回流比30%，溶气量25 LPM，加药浓度0 mg/kg，药剂可以省去。

极差R=max(ki)-min(ki)分别计算后填入极差项中，极差越大，表示该列因素数值对实验结果影响越大。由表看出溶气量、加药浓度对指标影响最大，回流量次之，各因素之间的交互作用可以忽略。

用因素的水平作横坐标平均出口含油量作纵坐标，绘出因素与效果的关系图，如图4所示，从趋势图上可以看出，各趋势的拐点均出现在线段的中间位置，因此，各因素都没有必要再提高(或降低)位级进行实验。

图4 因素-效果趋势图

本例通过分析得出的最优A3B2C1组合，并不在正交16组实验中，必须进行效果验证，按A3B2C1参数组合运行一周，测试气浮出口含油值，其平均值34 mg/kg，达到设备设计值50 mg/kg以下，证明正交实验所得结果，确实是一个优化组合。

3.3 收油与刮渣时间优化

浮选机收油装置在顶部刮渣与底部刮泥时间上不合理，原PLC程序设定每隔2 h刮泥机与刮渣机运行5 min，随后底部排泥阀A、B、C依次开10 s，收油时间短，间隔时间长，导致顶部浮油与底部压渣积累严重，容易越过内部堰板从出水口排出导致出水指标不稳定。

现场经过摸索发现，刮渣机和刮泥机运行20 min后停20 min，随后底部排泥阀A、B、C依次开25 s后关闭，以此设定的刮渣与刮泥程序经过一段时间运行，开盖检查发现顶部浮油明显减少，排除了从出水口跑出污染下级设备的可能。

4 效果评价

通过对比本次优化改造前后30天的气浮出口含油量柱状图，如图5、图6所示，气浮出口含油量由改造前的60～80 mg/kg降为改造后的30～40 mg/kg左右，达到了降低气浮出口含油量改善气浮处理效果的目的。

图5 优化前气浮出口含油量

图6 优化后气浮出口含油量

5 结 论

本次加气浮选器的优化改造在渤海某油田是成功的，通过对气浮增加调节阀组的改造，对溶气量、回流比及药剂浓度的优选及对气浮刮渣排泥程序的优化，找到了气浮运行的最佳工况，降低了气浮出口含油的水平，减轻了下游处理压力，改善了油田污水处理效果。