三相分离器工作原理及应用

摘 要

三相分离器是处理原油脱水的重要设备之一。结合本平台现有的低压卧式三相分离器现状，通过分析其结构、工作原理及分离器的计算来判断影响分离器效率的因素，并通过对一级分离器A\B，二级分离器的改造，解决了平台流程处理的瓶颈问题，对平台三相分离器改造前后积累了宝贵的经验，为更好的发挥三相分离器作用奠定了基础。

主题词：原油、三相分离器液滴、颗粒的直径、介质的密度、 表面和界面张力、粘度、温度、压力、停留时间、气体流速、流量的波动、乳化液、泡沫、油水界面。

中图分类号： U664.5+6 文献标识码： A

1前言

随着我国油田相继进入中、后期开采阶段，注水强驱技术逐步在各油田大规模推广应用，并取得了巨大的经济和社会效益。该技术的广泛应用，在采收率提高的同时，也伴随着地面采出液液量增大，含水不断升高。高效三相分离器是新一代的油水分离设备, 适用于处理不同含水率的轻质及中质油气水混合物。

2 SZ36-1CEPK平台的基本状况

2.1SZ36-1CEPK平台

SZ36-1CEPK（下简称K平台）是一个8腿中心平台，通过栈桥与新建的SZ36-1WHPK平台连接，平台上设置工艺及水处理设施、电站及100人生活楼。K平台接收SZ36-1A平台（以下简称A区）、SZ36-1B平台（以下简称B区）、WHPL（以下简称L平台）、WHPJ（以下简称J区）、WHPB平台、WHPK平台（以下简称小k）来液，经过两级脱水处理后，含水15%的原油通过APP平台原有管线输送到原来CEP平台,再经过CEP原有海管输送到绥中36-1终端。 脱出的生产污水经过污水处理系统3级处理后全部作为注水水源注入地层。

2.1 工艺流程描述

中心平台CEPK上设置油水处理设施，来自三座新增井口平台SZ36-1 WHPK、WHPL、LD5-2 WHPB和SZ36-1I期井口平台WHPAI、WHPAII、WHPB、WHPJ的物流集中在中心平台上进行脱水处理。

3三相分离器的分类

⑴ ，按外型分类

① ，立式分离器。立式分离器适用于处理低中油气混合物，他突出的优点是占地面积小，因此海洋油田上常用立式分离器。我国在八十年代以前基本都采用这种分离器。冀东油田主要用于单井站。

② ，卧式分离器。卧式分离器，它运用于高油气混合物。它处理量大大超过立式分离器，具有结构紧凑，综合功能强，分离效果好，自动化程度高的特点，保证了效益的增加，是本站生产的重要设备之一。

③ ，球型分离器。球型分离器承压较高，但制造麻烦，分离空间和液体缓冲能力受到限制，液面控制要求严格。

⑵ ，按工作压力分

，真空分离器。设计压力小于0.1MP；

，低压分离器。设计压力0.1～1.5MP；

，中压分离器。设计压力1.5～6.0MP；

④ ，高压分离器。设计压力6.0MP以上。

目前我们平台用的是卧式三相分离器。

4 三相分离器的基本分离原理

流体组分的物理差别主要表现在密度、颗粒大小和粘度三个方面，这些差别也会受到流速、温度等的影响。根据这些影响因素，油、气、水分离的基本方法主要有一下三种：

4.1 重力分离

重力分离是利用流体组分的密度差，较重的液滴从较轻的流体连续相中沉降分离出来。

对于连续相是层流状态的沉降速度可以按斯托克斯定律计算：

公式4-1-1

式中： W--油滴或水滴沉降速度, m/s；

do--油滴或水滴直径, m；

w, Ｌ--重、轻组分密度, kg/m3；

--连续相的粘度, Pas。

4.2 离心分离

当一个两相流改变运动方向时，密度大的更趋于保持直线运动方向，结果就和容器壁碰撞，使其与密度小的流体分开。气体分液罐的入口一般根据此原理设计，使气体切线进入，离心分离；离心油水分离机也是据此原理设计。

4.3碰撞和聚结分离

流体如果在正常流道内碰到障碍物，其夹带的液滴就会碰撞附着在障碍物上，被分离出来，然后再与其它颗粒聚结从连续相中分离出来，这个过程即是碰撞和聚结分离。气体分液罐出口的捕雾网、分离器中设置填料都是根据这个原理设计考虑的。其中分离器中的填料还根据其放在气、液相位置的不同而选用亲油型或亲水型的材料来提高碰撞和聚结分离的效果。

7三相分离器在SZ36-1CEPK平台的应用

设备的主要参数为：

尺寸：4000mm(ID)×16000mm(T/T)

最大处理能力（油量）：2606m3/d

设计压力：1100kPaG

最大处理能力（水量）：22286m3/d

设计温度：91℃

最大处理能力（气量）：31697Sm3/d

操作压力：700kPaG

操作温度：59-61℃

容积：219M3

分离器是SZ36-1CEPK平台原油脱水的主要设备。SZ36-1CEPK平台共有3台三相分离器，分别为：一级分离器两台（V-2001A\B），二级分离器（V-2002）。

7.2 二级分离器的改造

主要工艺计算数据如下：

操作温度：75 ℃

操作压力：450 KPag

设计温度：105 oC

设计压力：1100 kPag

油相处理量：119m3/h

水相处理量：195m3/d

气相处理量：4730Sm3/d

气体比重：0.75

水相密度：968 kg/m3（操作条件）

油相密度：923 kg/m3（操作条件）

水相粘度：0.37 cP（操作条件）

油相粘度：194 cP（操作条件）

气相粘度：0.0122 cP（操作条件）

7.2.1工艺计算结果

根据 SZ36-1 油田 CEPK 平台二级分离器(CEPK-V-2002)主要工艺计算数据，

结论如下：

正常操作二级分离器液体充满度：75%

油槽溢流堰板高：3000 mm

水槽溢流堰管高：2900 mm（改造为可调节水相溢流堰管）

油相停留时间：60.2 分钟

水相停留时间：210.7 分钟

油槽长度：900mm（可适当加大）

油槽缓冲时间：4 分钟

分离器分离段油水界面高度：840mm（该高度由可调节水相溢流堰管来确定）

计算水室液位：HHL：3000，HL：2880，正常液位 NL:1700

计算油室液位：HHL：3200，HL：2850，正常液位 NL:1650（相对于油室底部）

按照现在设计条件，气体出口采用 2”管嘴可满足要求。

按照现在设计条件，水相溢流堰管尺寸采用 10”管可满足要求。

7.2.2原二级分离器(CEPK-V-2002)存在的主要技术问题

通过工艺计算和现场实际生产操作中出现的问题，分析原二级分离器 (CEPK-V-2002)存在的主要技术问题如下：

1）、分离器流体入口折流板设计不合理

入口折流板设计太小，造成无法进行有效地气、液预分离和吸收入口流体 的能量，造成油、水二次乳化和产生严重的泡沫；

入口折流板的流体入口低于分离器的气液界面，严重影响分离器入口段的气液分离。

2）、分离器流体入口端无流体稳流分配“BAFFLE”板，造成入口流体冲击分离器油水聚结填料，使分离段流体流场紊乱，分离效率降低。

3）、分离器油槽溢流堰板设计过高，超过了分离器流体入口折流板，并且高高液位与油槽溢流堰板高度差非常小，仅有50mm，有可能造成分离器高高液位误报警和影响分离器正常操作。

4）、分离器的气体除沫器设计位置太靠前，气体出口没有设计除沫器，有可能造成分离器气体的再次携带，从而影响分离器的气体分离效果。

5）、该分离器是靠油水比重差和水槽堰板高度来控制油水界面，分离器的水槽溢流堰板高度无法调节，在生产过程中如果原油的比重和油、水产量发生变化，该分离器将很难适应，从而严重影响分离器的分离效果。

7.2.3原二级分离器(CEPK-V-2002)改造内容

1)、油室扩容 。

2)、油室堰板降低，增强气液分离效果，降低操作液位 。

3)、通过调节水相溢流管来调整油水界面高度 。

4)、捕雾器的改造。

图7-2-1二级分离器简单结构示意图

1-原油室挡板；2-原油室堰板；3-新增可调式水管；4-新增捕雾器

图7-2-2原水室堰板增高 图7-2-3原水室堰板降低

图7-2-2将原水室堰板由3058mm加高至3220mm，改成现油室挡板，原油室挡板切除，将油室外延扩容。

图7-2-3将原油室堰板由3150mm降至3010mm，增强气液分离效果，降低操作液位 。

图7-2-4改造可调式水室堰板 图7-2-5可调式堰板的调节阀

图7-2-4为新增加的水室可调通道，可随时改变水室堰板高度。

图7-2-5为水室通道高度调节阀，通过调节水相溢流管来调整油水界面高度。

图7-2-6改造后的捕雾器

图7-2-6为改造后的捕雾器，捕雾器内又增加了一层滤网，原来的密度过大，除气效果不过好；增加后有利更好的分离气体中携带的水蒸气。

二级分离器V-2002

油室堰板（mm) 油室后挡板（mm) 水室堰板（mm)

改造前 3150 3200 3058

改造后 3010 3220 2670-2950

表7-2-7二级分离器改造前后参数对照表

7.2.4二级分离器改造效果

SZ36-1CEPK平台二级分离器于2011.8.17日改造完毕，2011.8.18日0:16开始试压，3:30二级分离器正式投用。

二级分离器改造前、后处理效果对比

改造前 改造后

11.5.17 11.5.18 11.5.19 11.8.18 11.8.19

9:00 11:00 14:00 11:00 14:00 17:00

水室堰板高度（mm） 3058 2885 2885 2875 2855 2865 2865

水相出口含油ppm 129 89 97 144 134 120 175 153 100

油相出口含水（%） 28 28 29 27 27 27 27 28 27

表7-2-8二级分离器改造前后水相出口含油、油相出口含水参数对照表

从表7-2-8可以看出，二级分离器内部结构改造后通过对水室溢流管高度的调整，

虽然改变了混合室油、水界面的变化，但是对原油脱水并未起到显著效果。之所以改造后油水界面以上的原油化验含水远远低于外输原油含水，是因为原油与罐壁之间的粘滞力的影响，致使所测含水偏低。由于目前原油外输温度为71℃左右，考虑到A区至CEP原油海管的耐温能力，CEPK平台的废热暂未进行对流程提温实验。

7.2.5 二级分离器二次改造

改造原因：

要解决CEPK原油处理量超设计值及脱水不满足设计指标的问题，同时为了降低EDP处理负荷，应对CEPK原油处理流程进行改造，增加2台电脱水器，给电脱进料泵建立一个原油缓冲区，改造第一次没有改造的部分：改造入口分离器，增加“BAFFLE”板。

改造内容：

1)、油室扩容 。

2)、分离器流体入口折流板设计不合理。

入口折流板设计太小，造成无法进行有效地气、液预分离和吸收入口流体 的能量，造成油、水二次乳化和产生严重的泡沫；

入口折流板的流体入口低于分离器的气液界面，严重影响分离器入口段的气液分离。

3)、分离器流体入口端无流体稳流分配“BAFFLE”板，造成入口流体冲击分离器油水聚结填料，使分离段流体流场紊乱，分离效率降低。

图7-2-9二级分离器简单结构示意图

1-入口分离器；2-“BAFFLE”板

图7-2-10原入口分离器 图7-2-11安装后的入口分离器

图7-2-4为新增加的水室可调通道，可随时改变水室堰板高度。

改造分离器入口折流板，增设一台10” 的“ VANE”型流体入口装置，该装置可以使分离器入口流体能够有效地进行气、液预分离，吸收入口流体的冲击能 量，减少流体对分离器的冲击，并有效消除和限制原油在分离器内产生泡沫。

图7-2-12填料区材料 图7-2-13安装“BAFFLE”板

在分离器的入口段，即油水聚结填料前增设一面全截面双层槽型气液分配"BAFFLE"板，该装置可有效地均匀分配流体到分离器的分离段，以便保证分离器分离段的稳定和防止流体入口对分离段的干扰，并且可以有效阻隔和消除泡沫对分离器液位控制的影响。

图7-2-14二级分离器横截面

由于分离器油出口增加了泵，油室需进行扩充。根据目前设备情况，只能将油室前挡板外扩，油室容器达到40～45m3。

7.2.6二级分离器二次改造效果

日期 12/7/10 12/7/11 12/7/12 12/7/13 12/7/14 12/7/15 12/7/16

入口含水 34/35 33/34 34/33 33/34 30/34 36/36 35/35

出口含水 32/34 32/33 33/32 32/33 28/32 34/33 32/33

图7-2-15二次改造前进、出口含水

日期 12/8/29 12/8/30 12/8/31 12/9/1 12/9/2 12/9/3 12/9/4

入口含水 34/35 35/34 34/35 33/35 35/33 34/35 34/35

出口含水 31/32 33/33 32/33 31/33 33/32 31/33 32/32

图7-2-16二次改造后进、出口含水

通过图7-2-15和图7-2-16可以看出，改造前后的二级分离器脱水并没有什么变化，但油室容积却增大了，为流程进一步改造奠定了基础。

9参考文献

[1]三相分离器故障原因及处理方法[J]，李学敏，油气田地面工程,2011(10)。

[2]三相分离器分离油气水效果分析及对策浅谈[J]，王军， 石油矿场机械, 2004, 33( 增刊)， 118- 120。

[3] 三相分离器的现场应用及维护[J]，颜春者,吕成魁，石油机械, 2002, 30( 6) : 45- 46。

[4]多功能合一油处理设备研究新进展[J]，李心明,辛敏东,胡建启，石油矿场机械, 2004, 33( 增刊) :132- 133。

[5]一种新型三相分离器的研制[J]，尤道 ，油气田地面工程,1998年8月。

[6] 美国雪夫龙公司 ，海上油气工程设计实用手册 第九分册。