复合式油气水三相分离器设计与应用研究

    董庆国

    摘 要：为了满足我国海洋石油勘探开发高速发展的要求，结合我国海上油气处理工艺的实际情况，深入进行新型油气水三相分离器应用研究和橇块产业化研究，自主设计开发出性能可靠、质量上乘、性价比合理、适用于海上油田不同开采期的油气水三相分离器橇块。

    关键词：三相分离器;高效;油气处理工艺

    1 概述

    海上采油平臺由于操作空间和承载能力的严格限制，要求所用的油气水分离器橇块结构简单、体积小、重量轻、分离效率高、安全可靠、能适应多相流各种流态。分离后油中含水小于1%;水中含油，渤海海域小于30mg/L，南海海域小于50mg/L。这是传统的重力式分离装置很难达到的。因此开发一种小型、高效、快速的油气水分离设备，成为国内外海洋石油行业的重点研究目标。

    为了满足我国海洋石油勘探开发高速发展的要求，结合我国海上油气处理工艺的实际情况，深入进行新型油气水三相分离器应用研究和橇块产业化研究，自主设计开发出性能可靠、质量上乘、性价比合理、适用于海上油田不同开采期的油气水三相分离器橇块已势在必行。下面以某处理厂的生产数据为设计基础，对比国内外的油气水高效分离技术，对新型油气水高效分离器的技术和应用推广进行研究。

    2 国内外目前水平和发展情况

    国内传统分离器设备存在的主要问题有如下几个方面：

    （1）分离设备内部构件针对性不强，脱水脱气系统多为二段甚至三段、四段流程，设备占地多、能耗高。

    （2）分离器内部气相空间太大，液相容积太小，造成有效利用率不高。

    （3）原油脱水效果差且不稳定。油气水的高效分离是陆上和海上油田在油气生产、运输、存储中关注的问题，复合式分离器是近期的发展方向，目前国际上能达到油中含水低于1%指标的只有美国的一个三级重力和离心相结合的分离器专利，由于采用多级分离方式，设备体积庞大，结构复杂。各种分离原理综合使用取长补短，是当前分离器技术的主要发展方向。

    研究院在共同实验研究提出了高效分离器设计方案，在实验中分项考核离心、重力、膨胀原理对油气水分离的有效程度。考虑分离器主要用于海上平台，海洋环境，在实际设计中为了尽量减少浮体运动对油气水分离器处理效果的影响，采用以下原则：分离器设计时采用卧式容器，尽量降低容器的高度和重心;采用双向流三相分离器的结构，既减少浮体运动带来的液面效应，又增加了液体停留时间，提高了油气水分离效果;容器的纵轴和浮体的纵轴方向一致，同时放置设备尽可能接近浮体质心。

    3 高效分离器方案设计基本思路

    根据某处理厂的实际工况，为了能使目前分离器实现油水分离并保证水出口含油率小于1000ppm，考虑增加油水乳状液在分离器内的停留时间，而增加油水乳状液在分离器内停留时间的直接方法就是增加分离器内油水分离腔室的空间，基本设计思路如下：

    （1）增加气液旋流分离器：主要目的是采用锥型旋流原理设计气液分离装置，利用气液混合来流的速度自动分离管道中的气体和液体，特点是结构紧凑、性能稳定，分离后气体直接进入原分离器气体管路系统;

    （2）增加T型管路：主要目的是实现油水动态分离，减少重力沉降时间，基本原理是利用流动过程重力沉降增加油水分离效果;

    （3） 增加管道旋流技术：目的一，是实现油水低速下的“扩容”，减少油水在分离室内的停留时间;目的二，运用高速旋流原理，实现污水的处理效率，提高排放污水的油含率，加快水相的处理量。

    3.1 总体方案设计

    油气水三相分离器系统流程为，生产液首先进入气液分离模块，其主要功能是进行气液高效率分离，分离后的气体进入气体系统，分离后油水进入油水分离器系统中进行油水分离，分离后的水进入污水处理系统，分离后的油水混合物进入管线外输。

    4 气液分离器的组成

    气液预分离主要由两个部分组成，一是用于分离液体的旋流锥体，另一个是用来除去部分固体的出沙罐体。入口含气来液首先经过旋流装置实现旋转分离的气液分层，分层后下倾管上部为气体，下部为较重的液体，液体通过下出口进行油水分离装置（出口与T型管入口相连），气体由上出口排除，进入除气管道。

    除气装置的工作原理：具有一定流速的流体通过切向入口进入锥体分离器后在罐体内产生旋转，由于气液之间存在密度差，所以气液在旋转过程中所受的离心力不同，密度较大的液相受到的离心力较大，从而液相逐渐沿锥体的径向向外运移，气相密度较小，其受到的离心力也较小，因此气相主要聚集在罐体轴心处形成一锥形气核，分离出的液体通过底流口进入油水分离器，气体则通过气出口进入捕雾器;进入捕雾器的携带有少量液体的气体再通过离心分离将微量液滴分离出后排入闭排系统，气体则进入压缩机入口处。

    气液旋流分离器，外观最大直径DN240，高度4000mm，主要作用是使气液彻底分离;其液位控制在入口管下500mm左右，液相界面距离下出口控制在2000mm。通过它的旋流作用，可以保证液相出口含气≯1%，气相出口直径小于100微米的液滴100%脱除。

    5 高效三项分离器的布置与安装

    高效三相分离器主要由气液分离器、一级旋流管、二级旋流管、三相分离器以及T型管组成。根据某油气终端处理厂的现场情况，方便高效三相分离器接入处理厂原有的原油脱水系统，将高效三相分离器布置在厂区的西南，靠近原油脱水区的位置。根据现场，可将高效三相分离器布置在原油脱水区与人行道之间，安装此处接管比较方便，高效三相分离器易于接入旧的系统，但由于此处地下埋藏着管网，后期施工难度较大。因此，将高校三相分离器移至人行道的西侧。高效三相分离器的配套设备均在现场安装，安装前需提前预置好水泥基础，并且预埋钢板及螺栓，准备工作完成后安装高效三相分离器的配套设备及其管线阀门。

    6 结论

    通过研究实验明确了复合式油气水三相分离器设备橇块总体设计思路和系统集成设计要点。对陆地样机试验结果进行分析，对T型管、螺旋管、气液旋流器、橇座、阀组、测控系统等开展橇块集成优化设计，可以由此作为切入点，逐渐发展海上采油平台设备成橇设计制造产业。

    参考文献：

    [1]颜春者，吕成魁.三相分离器的现场应用及维护[J].石油机械，2002，30（06）：45-46.