謝小波，于 超，王 丹，段北辰，劉東輝，趙會(huì)軍，袁錫鐸

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司，天津 300457)

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FPSO分離器工藝參數(shù)計(jì)算

謝小波，于 超，王 丹，段北辰，劉東輝，趙會(huì)軍，袁錫鐸

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司，天津 300457)

按照從原油中分出氣體的要求或油水分離的要求，根據(jù)原油的性質(zhì)和操作經(jīng)驗(yàn)來確定液體的滯留時(shí)間,按照產(chǎn)量數(shù)據(jù)有公式來計(jì)算氣體在操作條件下的流量；用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算天然氣的偏差因子,假設(shè)分離器的長(zhǎng)度或高度利用公式計(jì)算分離器的內(nèi)徑,從而選擇分離器的尺寸。

分離器；油氣分離；工藝參數(shù)；滯留時(shí)間；天然氣偏差因子

FPSO使用的分離器[1]，較其外型主要有立式分離器和臥式分離器,按其功能可分為油氣兩相分離器和油氣水三相分離器。本設(shè)計(jì)針對(duì)中海油渤海采油基地公司渤南作業(yè)區(qū)BZ28-1的實(shí)際問題，資料取自友誼號(hào)(FPSO)。

1 油、氣、水三相處理的過程

生產(chǎn)井生產(chǎn)出流體中通常有油、氣、水和雜質(zhì)，合格的原油要經(jīng)過分離處理，處理目的是：

1)三相分離器出來的污水，進(jìn)入生產(chǎn)水處理裝置。經(jīng)過生產(chǎn)水處理后，含水率達(dá)到0.5%～15%，原油得到了深一層的處理。

2)伴生氣從生產(chǎn)處理系統(tǒng)中出來后，進(jìn)入伴生氣處理裝置。處理后的伴生氣需要滿足以下要求。

分離質(zhì)量k≤0.5 cm3/m3(氣)；

分離程度S≤0.05 cm3/m3(液)。

3)除區(qū)油水混合液中沙等雜質(zhì)。

圖1 BZ28-1油田浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油輪(FPSO)的生產(chǎn)工藝流程

BZ28-1南北平臺(tái)的生產(chǎn)工藝流程如圖1所示，從BZ28-1南北平臺(tái)和BZ26-2平臺(tái)來的物流經(jīng)過海底管線和單點(diǎn)到達(dá)FPSO，首先進(jìn)入高壓分離器進(jìn)行液氣分離。分離出的天然氣進(jìn)入天然氣壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，壓縮后的天然氣進(jìn)入三甘醇脫水再生系統(tǒng)進(jìn)行脫水處理。分離出的油水進(jìn)入原油/原油換熱器進(jìn)行換熱。通過換熱器成品油被冷卻到60 ℃，油水混合物被加熱。被冷卻的成品油進(jìn)入沉降脫水倉(cāng)，被加熱的油水混合物進(jìn)入生產(chǎn)加熱器被進(jìn)一步加熱到70 ℃，下一步將進(jìn)入油氣水三相分離器中進(jìn)行分離，經(jīng)過分離后的天然氣進(jìn)入低壓燃料氣系統(tǒng)，分離出的含油污水進(jìn)入污水處理系統(tǒng)。分離出的油被原油加熱器進(jìn)一步加熱到90 ℃，最后再進(jìn)入脫水除氣器進(jìn)行三相分離，分離出的原油經(jīng)冷卻后進(jìn)倉(cāng)。

1.1 脫氣

生產(chǎn)液中通常含有溶解氣，伴隨壓力的降低，溶解氣析出。油氣分離[2]分為以下2方面的內(nèi)容。

1)使油氣混合物形成一定比例的氣液兩相。

2)用機(jī)械的方法把氣液兩相分開。

油氣相的分離方法一般有3種方法：一次分離、連續(xù)分離和多級(jí)分離。

1.1.1 一次分離

在氣相和液相一直混合的條件下逐步降低壓力，氣體逐步從液體中析出，最終降低到常壓時(shí)，氣相和液相將會(huì)逐漸分開。此方法會(huì)損失大部分的輕烴組分，從而使油品貶值，并且油、氣進(jìn)入容器時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊力，一般現(xiàn)場(chǎng)不會(huì)應(yīng)用。

1.1.2 連續(xù)分離

在生產(chǎn)處理裝置的壓力逐漸下降的過程中，不斷將液體中的氣體分離出，最終壓力降到常壓，油氣相分離才結(jié)束。

1.1.3 多級(jí)分離

在油氣處理裝置中氣液兩相共存條件下，當(dāng)系統(tǒng)的壓力降至某一數(shù)值時(shí)，就把分離出的天然氣排掉、系統(tǒng)壓力又降低至另一數(shù)值時(shí)，又這一階段中分離出的天然氣排掉。直到壓力降為常壓，天然氣分離排掉才結(jié)束。每排掉氣體一次，稱為一級(jí)分離，排掉幾次天然氣就稱為幾級(jí)分離。

然而在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，油氣分離方式既不采用連續(xù)分離方式也不采用一次分離方式，更多采用多級(jí)分離方式。

多級(jí)分離時(shí)，分離級(jí)數(shù)越多，收獲的原油量將越多，分離的效果也越好。但是，伴隨分離級(jí)數(shù)的增多，原油回收的增量會(huì)降低，從而使投資費(fèi)用大幅增加，經(jīng)濟(jì)效益從而下降，所以，分離級(jí)數(shù)也不宜過多。見表1。

表1 分離級(jí)數(shù)的選擇

注：高指>35×105Pa；中指7×105～35×105Pa；低指<7×105Pa。

正常的粒子直徑概率分布曲線見圖2曲線1，這一曲線有時(shí)會(huì)向左或向右歪斜如曲線2，也有可能碰到有幾個(gè)波峰的情況如曲線3。

正常的粒子直徑概率分布曲線見圖2曲線1，這一曲線有時(shí)會(huì)向左或向右歪斜如曲線2，也有可能碰到有幾個(gè)波峰的情況如曲線3。

液體滯留時(shí)間[3]是一個(gè)間接用于確定處理一定液體流量所必須的分離器體積的方法。分離器的液體體積等于液體流量乘以滯留時(shí)間。常用下式計(jì)算滯留時(shí)間。

(1)

式中：Vl——所需的分離器液體部分的容積，m3；

Ql——流體流量，m3/d；

T——滯留時(shí)間，min。

圖2 典型的粒子概率分布曲線

常見的分離器液體的滯留時(shí)間見表2。

表2 常見分離器液體的滯留時(shí)間

通常用分離質(zhì)量和分離程度來衡量油氣分離器的工作的好壞，分離質(zhì)量是指分離器出口處每標(biāo)準(zhǔn)立方米氣體所攜帶液量的多少，它如實(shí)反映了分離器主要的分離部分即沉降分離和除霧器的工作狀況，分離出的天然氣所攜帶的液量越少分離質(zhì)量越好。

(2)

式中：K——分離質(zhì)量，%；

V液——出氣口排出的氣體所攜帶的液體體積，m3；

V氣——出氣口排出的氣體體積，m3。

分離質(zhì)量差，不少輕烴組分被帶走，從而降低了原油的數(shù)量和質(zhì)量，而且在海上通過油氣處理裝置所脫離出來的天然氣，除了供給自己平常所需外，其它的天然氣一般通過火炬全部燒掉，所以有不少的輕烴組分被浪費(fèi)掉。

分離程度是指在其分離的壓力和溫度下，從分離器的出液口中所排出的液體中所帶出的游離氣體積和液體體積之比值。

(3)

式中:S——分離程度，%；

V氣——出液口排出的液體所帶出的游離氣體積，m3；

V液——出液口排出的液體體積，m3。

分離程度反映分離器集液部分結(jié)構(gòu)的完善程度。分離程度差，會(huì)導(dǎo)致輸油管竄氣，從而影響容積式流量計(jì)和離心泵的正常工作。如果對(duì)分離質(zhì)量和分離程度要求過高，機(jī)構(gòu)將會(huì)十分復(fù)雜，外形尺寸會(huì)大幅增加，占地面積和空間也會(huì)大幅增加，從而導(dǎo)致費(fèi)用也會(huì)大幅增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)規(guī)定分離器工作標(biāo)準(zhǔn)是：K≤0.5 cm3/m3(氣)；S≤0.05 cm3/m3(液)。

1.2 脫水

脫水的基本原理是打破乳化液的油水界面膜的穩(wěn)定性，從而使其破裂，使細(xì)小水顆粒凝結(jié)成大水滴，使水從原油中沉降下來，最終達(dá)到油水分離的目的。

1.2.1 重力沉降法

重力沉降法非常適合不穩(wěn)定的乳化液，是最原始、最簡(jiǎn)單和應(yīng)用最廣泛的方法。因?yàn)橛退芏炔畹脑驈亩顾畯挠椭谐两捣蛛x出來。因?yàn)榉蛛x出來的水滴比它所置換體積的油重，所以它受到一個(gè)向下的重力，當(dāng)水滴穿過油層向下運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)阻力，當(dāng)重力和阻力一樣時(shí)，水滴就會(huì)有一個(gè)恒定的速度。

因?yàn)樗卧谠椭邢陆邓俣群芫徛?，一般位于層流流態(tài)，通常用斯托克斯公式表示水滴在原油中的勻速下沉速度：

(4)

式中：W——水滴勻速下沉速度，m/s；

dw——水滴直徑，m;

Uo——原油粘度，Pa·s;

g——重力加速度，9.8 m/s2;

ρw，ρ0———水和油的密度，kg/m3。

因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)中水滴在原油中下沉的情況與推導(dǎo)公式所假設(shè)條件有所不同，所以用式(4)來計(jì)算沉降速度會(huì)帶來一定的誤差。它只能說明影響下沉各因素間的關(guān)系，增加了水滴停留的時(shí)間，水的細(xì)小顆粒碰撞凝結(jié)的機(jī)會(huì)也會(huì)隨停留時(shí)間的增加而延長(zhǎng)，延長(zhǎng)小水滴的停留時(shí)間會(huì)更好的起到脫水效果。

1.2.2 加熱沉降法

如圖3所示，不同種類的含水原油，其溫度和粘度成反比關(guān)系，然而通過對(duì)其加熱可以達(dá)到以下效果。

1)通過加熱沉降法，從而使原油的粘度降低，就會(huì)加快水的沉降速度。

2)通過加熱沉降法，從而使油水界面的薄膜強(qiáng)度削弱了，使油水分離更容易。提升原油的溫度，從而使附在油水界上面的膠質(zhì)、瀝青和石蠟等乳化劑在原油中的溶解度得到增強(qiáng)，水滴保護(hù)薄膜的機(jī)械強(qiáng)度也隨之降低。

3)通過加熱沉降法，從而增加了油水相對(duì)密度差，使水更容易沉降。在相同加熱條件下，原油的相對(duì)密度變化大，原油的體積膨脹系數(shù)比水大。

圖3 不同種類的含水原油的溫度與粘度的關(guān)系

1.2.3 熱水沖洗法

用大股熱水沖洗含有污水的原油，從而使原油中的小水滴碰撞凝結(jié)成大水滴，原油中的小水滴也能和熱水中的水滴碰撞凝結(jié)成大水滴，這樣更方便于脫水，更容易把原油中的其他雜質(zhì)分離出來。

2 分離器工藝參數(shù)計(jì)算

2.1 兩相分離器的參數(shù)計(jì)算

設(shè)計(jì)條件見表3。

表3 設(shè)計(jì)條件

根據(jù)油氣性質(zhì)及海上平臺(tái)實(shí)際情況[4],本分離器是在一級(jí)分離階段,故選用臥式兩相分離器。

暫設(shè)殼體長(zhǎng)度為7 m;液體占30%。

l有=7×0.7=4.9。

1)天然氣偏差因子[5]Z的計(jì)算。用下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算天然氣的臨界值。

天然氣對(duì)比參數(shù)

查得:Z=0.86。

2)氣體的允許流速[6]Wg的計(jì)算。

(5)

式中：ρl——在操作條件下油滴密度,kg/m3;

ρg——在操作條件下氣體密度,kg/m3;

k——分離器有效長(zhǎng)度與直徑之比,

3)分離器的內(nèi)徑D的計(jì)算。

(6)

式中:D——臥式分離器的內(nèi)徑，m；

Q11——液體處理量，m3/d；

t——液體在分離器中的停留時(shí)間，min，

t=2 min；

β——設(shè)計(jì)者考慮處理量的波動(dòng)系數(shù),一般取β=1.2～1.5；

k——分離器有效長(zhǎng)度與直徑之比,一般取k=3～5；

n2——控制液面以下部分弓型面積與分離器橫截面積之比；

n1——出油口以下部分弓型面積與分離器橫截面積之比。

選取1 800 mm標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)徑的分離器，殼體長(zhǎng)度為7 200 mm。

4)氣體在操作條件下的流量。

2.2 三相分離器的工藝參數(shù)計(jì)算

設(shè)計(jì)條件見表4。

表4 設(shè)計(jì)條件

由于本分離器在二級(jí)分離階段,它將處理南北平臺(tái)和BZ26-2的來液,從油氣性質(zhì)和海上平臺(tái)的實(shí)際情況,故選臥式三相分離器。

暫設(shè)分離器殼體長(zhǎng)度為8 m,液體占40%,l有=8×0.7=5.6 m.

1)天然氣偏差因子Z的計(jì)算。用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算天然氣的臨界值。

天然氣對(duì)比參數(shù)。

查得:Z=0.96

2)氣體的允許流速Wg的計(jì)算。

由式(5)計(jì)算得k=0.457；Wg=1.89 m/s。

3)分離器的內(nèi)徑D的計(jì)算。

由式(6)，t取6 min，計(jì)算得D=2 m。

選取2 200 mm標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)徑的分離器，殼體長(zhǎng)度為8 200 mm。

4)氣體在操作條件下的流量。

Q=0.2314 m3/sS氣=0.255 m2

3 結(jié)論

1)本設(shè)計(jì)以平臺(tái)甲板空間的限制和BZ28-1 2005年3月份的產(chǎn)量為基礎(chǔ)，來選擇分離器的類型。

2)設(shè)計(jì)出的分離器在處理量上能滿足從BZ26-2和南北平臺(tái)的來液量，也能達(dá)到油氣水分離的目的。

3)海上分離器由于實(shí)際情況的限制所以設(shè)計(jì)的分離器有增加內(nèi)徑和縮短長(zhǎng)度的趨向。

4)設(shè)計(jì)出的分離器內(nèi)徑和長(zhǎng)度于FPSO上的分離器尺寸相一致。

5)設(shè)計(jì)中也闡述了兩相和三相分離器的工作原理和結(jié)構(gòu)特征，就分離器出現(xiàn)的簡(jiǎn)單的故障給出了處理方法。

[1] 曾慶恒.采氣工程[M].北京:石油工業(yè)出版社,1999.

[2] 曹學(xué)文，付春麗，戰(zhàn)永平.FPSO生產(chǎn)工藝流程[J].油氣地面工程，2009,18:41-42.

[3] 肖祖騏,羅建勛,等.海上油田油氣集輸工程[M].北京：石油工業(yè)出版社,1994.

[4] 周守為，曾恒一，范模.我國(guó)浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置的研制與開發(fā)[J].中國(guó)海上油氣，2006,18:73-76.

[5] 四川石油管理局《天然氣工程手冊(cè)》編寫組.天然氣工程手冊(cè)(上)[M].北京：石油工業(yè)出版社,1982.

[6] 徐業(yè)峻.油船改裝FPSO結(jié)構(gòu)探析[J].造船技術(shù)，2009(5):11-13.

Process Parameters Calculation for the FPSO Separator

XIE Xiao-bo, YU Chao, WANG Dan, DUAN Bei-chen, LIU Dong-hui, ZHAO Hui-jun, YUAN Xi-duo

(CNOOC Energy Technology & Service-Oil Production Services Co., Tianjin 300457, China)

In accordance with the requirements of the separated from crude oil gas or oil/water separation requirements, according to the nature of the crude oil and operation experience to determine the residence time of liquid, the flow rate of gas in the operating conditions can be calculated by output data. The gas deviation factor was obtained by empirical formula. Assuming the length or height of the separator, the inner diameter of the separator can be gotten, so as to determine its.

separator; oil and gas separation; process parameters; residence time; gas deviation factor; allowable gas velocity

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.028

2016-07-10

謝小波(1983—)，男，學(xué)士，工程師

U674.38

A

1671-7953(2016)05-0109-05

修回日期：2016-08-10

研究方向:石油工程

E-mail:xiexb2@cnooc.com.cn