一种新型梯形管油水分离装置研究

杨蕾 钱国全 吕刚 宋奇

（1.中国石化江苏油田分公司工程技术研究院；2.中国石化江苏油田分公司采油二厂）

目前油田大部分区块都已进入高含水阶段，大量污水的采出与回注的循环增加了地面系统的能耗。为了破解高含水带来的难题，近年来我国也相继研究开发了一些高效脱水设备。大庆、大港、江汉、中原、河南等油田在大量试验的基础上，设计了以分离游离水和沉降为主的“合一装置”，对于简化工艺流程具有很大的实用意义[1-5]；但这类装置成本及运行费用过高，因此急需研究一种简易油水分离装置，兼具重力分离和惯性分离的特点，实现设备占地面积小、流动过程中的油水分离，从而达到“上游供水”“下游减负”的集输模式。

1 油田生产现状

油田目前共有12座联合站，其中含水率高于80%的站点占比达到了80%，日产水量约18 000 m3/d以上。这些高含水站点的采出液长距离输送至联合站后，由于水的比热高于油的比热，大量的加热燃料主要用于加热污水，增加了集输系统加热设备的负荷。以CB站为例，日产液量为3 754.8 m3/d，含水率为86.5%，进站前平均温度为45℃，进站后温度为51℃。根据吸热反应原理计算，每年加热污水能耗达813.8×104k Wh，如果能将CB站来液在加热前提前分离出50%污水，则每年可节电近406.9×104k Wh，节能潜力较大。

2 新型油水分离装置

目前关于油水分离装置的研究，主要集中在中科院和大庆、胜利、河南等油田，以重力分离、离心分离为原理进行油水分离，其结构有仰角式分离器、串联式水力旋流器及各种工艺组合的多功能一体化分离器等。这些装置在应用中基本都能起到分水效果，但各有其缺点，如多功能一体化分离器，分离效果较好，但其投资、运行成本高，后期维护安装麻烦[6-10]；因此，有必要研发具有简洁、高效、节能等特点的油水分离装置，从而实现设备占地面积小、流动过程中的高效分离。

新型油水分离装置由主管段和油水分离段组成，其中油水分离段由分支管、上部汇油管、下部汇水管等部件构成。其工作原理是，当来液进入扩径后的主管段，降低来液流速，保证油水充分沉降、分层，分层后的油水再进入油水分离段。分支管分流有效分散来液速度，可以使油水两相在整个梯形管装置中通过重力作用实现“分层—分流—回流”三个步骤，从而完成完整的油水分离。整套装置需结合数值计算和仿真模拟来进行设计，其结构示意图见图1。

图1 梯形油水分离装置示意图

2.1 主管尺寸确定

为了保证油滴有充足的时间上升至圆管顶部，使油水实现分层，其中直径根据整流段流速来设计；长度是计算的关键点，根据整流段流速与油滴上浮时间来设计。

2.1.1 主管直径

美国图尔萨大学学者Trallero在1997年通过实验绘制了1套油水流型图（图2），它将油水流动分为六种流态，这套流型图具有较高的认可度。要使来液在主管流动中油水分层，流动状态最好处于分层流和混合界面分层流两种状态下，因此流速应该控制在0.01～0.8 m/s，根据流速、来液量可计算出主管直径D。

图2 油水流型图

2.1.2 主管长度

主管长度是计算的关键点。当高含水油水混合液进入集输管线内，通常可以把油滴看作为分散相、水为连续相的两相均相流动，混合液流动时径向流动很弱，只需考虑主流（时均流动）的轴向运动。分散相油滴在相对稳定的流动中，由于受到连续相的浮力和运动阻力而做悬浮（y方向）上升运动。油滴运动受力平衡方程为

式中：y为某瞬时油滴所处位置距管底部的高度，mm；ρ、ρo分别为混合液和油滴的密度，kg/m3；do为油滴粒径，μm；C为流体阻力系数，它与油滴形状及流体运动状态有关，C=α/Rek（α、k分别为待定值和待定指数；Re为油滴绕流Reynolds数，Re=ρdo(d y/d t)/μ；μ为混合液的动力黏性系数，mPa·s）。

油滴在垂直上升过程中有三种流态：层流、过渡流和湍流。由于混合液中绝大部分油滴都在μm级及以下，因此多属于层流和过渡流。

1）假若油滴上升运动处于层流状态，即属于Stokes阻力区，Re≤1。根据流动阻力与雷诺数曲线图可得出C=24/Re，由此可得出不同油滴粒径下的上升运动速度，即

2）假若油滴上升运动处于过渡状态，即属于Allen阻力区，1＜Re＜500，则C=24/Re0.5，由此可知油滴上升运动速度为

3）当来液速度确定后，根据油滴在水平流动时间与垂直上升时间相等，计算可得出不同油滴粒径范围内的主管长度，即

式中：D为管径，mm；u为流速，m/s。

以某站为例，来液油相密度为0.86 g/cm3，黏度为100 mPa·s。根据方程计算得出300μm油滴粒径所需要的主管直径为125 mm，长度为5 m；综合考虑边界层的影响，主管长度定为7 m。

2.2 分支管尺寸确定

当主管确定后，采用仿真软件Fluent对分支管间距、高度、管径、数目等4个结构参数进行油水分布流态模拟，以分离效率η为指标，最终确定分支管结构参数。

式中：Qxw、Qxo为下部富水相出口处的水相和油相体积流量，m3/s；Qw、Qo为入口处水相和油相体积流量，m3/s。

2.2.1 分支管间距

以某站来液为例，D=125 mm，进液速度为0.15 m/s，分流比为0.5，以分支管间距为4D、8D、12D、16D进行油水分布流态模拟，其分离效率如图3所示。

图3 分支管间距对分离效率的影响

由图3可知，分离效率随分支管间距的增大而增大。当间距为12D时，分离效率可达40%，继续增大分支管间距，分离效率上升缓慢，这主要是因为分支管间距增大，来液进入下个分支管前油水有充分的沉降稳定时间，前期扰动对其影响较小；而当油水已经沉降稳定后，再继续增大分支管间距，分离效率上升幅度就不明显了。

2.2.2 分支管高度

保持分支管间距12D，以分支管间距为4D、6D、10D、12D进行油水分布流态模拟，其分离效率如图4所示。

图4 分支管高度对分离效率的影响

由图4可知，分支管高度对分离效率的影响较小。当分支管高度为6D时，分离效率可达40%，故选择分支管高度为6D。

2.2.3 分支管管径

在对梯形管分支流动与分离特性的一般性分析之后，进行3次不同分支管管径对分离效果的流态模拟，其中入口流速为0.5 m/s，含油量为40%。表1为3次不同分支管管径的选择，图5为分支管管径对分离效率的影响。

表1 不同分支管管径

图5 分支管管径对分离效率的影响

由图5可知，随着第三根分支管管径的缩小，分离效率变化不明显，因此分支管管径可选择与整流段管径一致。

2.2.4 分支管数目

采用等径的多分支管，模拟分支管数目n=2、3、4，其余工况与上述相同，如图6所示。从图6可以看出，随着分支管数目的增加，分离效率是逐渐增加的，这是因为增加分支管数目能够分散降低流量，同时也能形成油水循环，即在分支管向上分流过程中，部分水相会被携带向下分流进入汇水管中。当分支管数目为3根时，最后一根反向回流；当分支管数目为4根时，第三根反向回流，但汇水管出口位置水相越多越好，此时分离出来的污水含油量较低，因此分支管数目为3根较好。

图6 分支管数目对分离效率的影响

根据油水分布仿真模拟分析，当分支管间距为12D、分支管管径为D、高度为8D、数目为3根时，分离效率可达40%左右。

通过上述数值计算和仿真模拟分析，针对某站来液，设计了1套新型梯形油水分离装置（图7）。

图7 新型油水分离装置示意图

3 经济效益分析

以上述实例站点为例，新型油水分离装置用于该站中，目前该站来液量约160 m3/d，综合含水率为90%，分出来的水不加热，直接进入后端污水处理系统。根据吸热反应原理计算了不同分流比情况下的能耗节约量，具体如表2所示。

表2 不同分流比下的能耗节约量

从表2可以看出，当分流比为50%（模拟情况）时，分出的污水进入后端污水处理系统，按照1元/kWh电计算，则年可节省加热能耗67.74万元，节能潜力较大。由于前期模拟时假设油滴粒径是同一直径，且未考虑流体之间的碰撞因素，因此，后续现场应用时还需根据现场实际情况摸索出适宜的分流比。