【正文】 統(tǒng)的主要組成部分都直接在表面設(shè)備以下。 ? 海底井到 VASPS 系統(tǒng)只 需要一根多相管道，所以減少了設(shè)備的投資。 圖 37 接合到 Troll B 半浮式平臺(tái)的管式分離器圖 Troll B 地區(qū)安裝海底管式分離器的主要目的是通過降低生產(chǎn)回壓 提高油氣采收率。分離出來的水被用于回注以 獲得油田的穩(wěn)產(chǎn)和保持地層壓力。管式分離器技術(shù)主要是基于大直徑管的重力式分離，但是借助于在管式分離器上游進(jìn)行 的 氣 液分離而使其直徑 大大地減小。氣 液分離是 由氣體篩完成的，氣體篩同時(shí)能減少段塞流的形成，所以使管式分離器的入口狀況 非常 平穩(wěn)。由于在系統(tǒng) 中安裝了液體鎖定元件 而使自由氣體不能進(jìn)入管式分離器段。氣體篩的的短管提供了一定的滯留體積，這將使系統(tǒng)更加難于發(fā)生段塞流。這個(gè)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則導(dǎo)致了臥式分離器的軸向長度較短而徑向直徑較粗。 Norsk Hydro 的實(shí)驗(yàn)證明， 在管式分離器中，流體在 高達(dá) ／ s 的軸向平均流速能夠獲得有效的相分離，因此該技術(shù)能夠應(yīng)用于需要同時(shí)兼顧流體相分離和流體輸送的管線中。改變管式分離器的長徑比可以調(diào)整管式分離器的效率。 當(dāng)處理高粘度的流體時(shí)，乳狀液是很容易形成的，所以有效的分離是很困難的。乳化層分布在管式分離器 中 較大的 油水 交界區(qū)域上，因此變得非常薄 。乳化層剛好在這兩層中間，所以速度差將使乳化層承受巨大的剪切力，這將幫助破乳加強(qiáng)分離。出口段裝有用于控制過程中壓力、溫度和液位的設(shè)備，同時(shí)還提供一定的緩 沖空間來儲(chǔ)存分離出來的水，這樣可以使 水注入泵 穩(wěn)定地工作 。液 體密封段被設(shè)計(jì)成位于管式分離器下游尾端的彎曲段，實(shí)際上是一個(gè)用于將分離后的水從原油主流中去除的 “水封”。來自井口的三相流在管式分離器進(jìn)行分離后，油相和含量較少的氣體通過液體密封段進(jìn)入下游的輸送管線中；第 3章 緊湊型分離設(shè)備 24 排出的水用于回注。 管式分離器的優(yōu)勢(shì) 與常規(guī)重力式分離器相比，管式分離器擁有以下優(yōu)勢(shì)： ? 水滴有較短的沉降距離 ? 對(duì)乳化層有較大的剪切 ? 水相能 夠通過較大的交界面 ? 流體 在 分離器 入口 能夠保證平穩(wěn) 由于以上的優(yōu)勢(shì)，管式分離器能夠減少設(shè)備重量和提高分離效率。典型的油 水乳化液分離效果如下：①具有中等乳化穩(wěn)定性的 Troll 原油，在含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于 60％時(shí)得到了有效分離，而此時(shí)常規(guī)的重力分離器卻難以奏效；②具有較高的乳化穩(wěn)定性 Grane 重質(zhì)原油，在含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于 30％時(shí)重力分離器幾乎難以奏效，而管式分離器在含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于 30％時(shí)能夠進(jìn)行有效分離 (此時(shí)的分離效率與裝配有VIEC 的重力分離器在 50％的設(shè)計(jì)載荷下運(yùn)行時(shí)相當(dāng) )。管式分離器在 100％設(shè)計(jì)載荷下所允許的氣 液比 (GLR)為 ，在 75％設(shè)計(jì)載荷下為 ，在 50％設(shè)計(jì)載荷下 ，GLR 為 時(shí)仍然不會(huì)對(duì)油水分離產(chǎn)生負(fù)面影響。根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，在同樣的處理能力和效率下，常規(guī)重力分離器的質(zhì)量約 320 噸 (整個(gè)分離站的總質(zhì)量為 450 噸 )，而管式分離器僅 60 噸 (相應(yīng)的總質(zhì)量為 212噸 )?；A(chǔ)理論研究和數(shù)值模擬研究主要在荷蘭的埃因霍恩科技大學(xué)等幾所大學(xué)、 Stork Product Engineering 公司和 Shell 的研究機(jī)構(gòu)中進(jìn)行， 開發(fā) 了一些描述分離器內(nèi)部復(fù)雜流動(dòng)的分析和數(shù)值模擬工具。 世界上第一個(gè)商業(yè)化運(yùn)行的 Twister 超音速氣 液分離器于 20xx 年 12月在 Petronas 和 Shell 的 B11P— A 開發(fā)中用于天然氣脫水。該脫水系統(tǒng)包括 6 個(gè)超音速分離器，每個(gè)分離器的處理能力約為 280 104m3／ d，總處理能力接近 850 104m3／ d(有備用分離器 )，壓力降達(dá) 25％ 30％，出口水露點(diǎn)達(dá) 10℃，大修時(shí)間 間隔 可達(dá) 20xx0h。 由于 Twister 超音速氣 液分離器可以在非常低的環(huán)境溫度下從氣體種中 分離 液體，因此完全可以將其直接應(yīng)用于海底。雖然有幾個(gè)部件在海底安裝和運(yùn)行之前還需要做進(jìn)一步研發(fā)和資質(zhì)認(rèn)證，但已經(jīng)報(bào)批了一個(gè)由歐盟資助的 4 年的研發(fā)計(jì)劃，將于 20xx 年完成小規(guī)模海底天然氣處理裝置樣機(jī)的設(shè)計(jì)制造和 安裝調(diào)試。 Twister BV公司在前期研發(fā)階段，計(jì)算流體力學(xué)（ CFD）數(shù)值模擬扮演了重要角色。 超音速氣 液分離器的原理 超音速氣 液分離技術(shù)的實(shí)質(zhì)是低溫冷凝法，超音速分離器 (或稱為露點(diǎn)分離器 )為其中的核心部件。帶有凝析液的氣體進(jìn)入中間的旋流分離段，液滴在強(qiáng)旋渦運(yùn)動(dòng)作用下向外離心運(yùn)動(dòng)，從而在內(nèi)壁形成大約幾毫米厚的薄液膜層，通過環(huán)形槽清除后流人后面的液 液分離裝置中。 圖 310 Twister 超音速氣 液分離器工作原理及典型工作參數(shù) 超音速 氣 液分離器的結(jié)構(gòu) 超音速噴管的主要結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)主要有： (1)拉瓦爾噴管 拉瓦爾噴管是一種具有精確幾何形狀的收縮 擴(kuò)張管道，可以將氣流的速度提高到超音速水平，并導(dǎo)致溫度急劇下降。在噴管的喉道處，速度為 350400m／ s。到達(dá)噴管出口時(shí)，氣體的溫度與進(jìn)口相比可以降低 5080℃。由于停留時(shí)間非常短，水合物不容易形成和發(fā)展，也 可能是高速氣流破壞了水合物的形成，或者兩者都起一定的作用。 水蒸氣冷凝過程中，將形成大量的尺寸非常小的液滴，并且釋放出一定的熱量，此熱量可能導(dǎo)致流場中出現(xiàn)激波，使流動(dòng)變得非常復(fù)雜 。液滴被旋轉(zhuǎn)的氣流拋向管道的壁面，形成很薄的液膜，僅幾毫米厚，通過氣 液分離器 (一個(gè)同軸的管子和管壁 上的環(huán)形縫 )將液體排出。由于存在超音速兩相流動(dòng)，分離系統(tǒng)內(nèi)部的流動(dòng)非常復(fù)雜。 (3)擴(kuò)壓器 分離后的干氣體進(jìn)入擴(kuò)壓器。 [20] (4)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié) Twister BV公司的天然氣超音速脫水裝置 Twister安裝在直徑 的管子內(nèi)部，分離器總長 。單管處理能力是一固定值，調(diào)節(jié)范圍約 10％，可以用多個(gè)分離器達(dá)到需要的流量調(diào)節(jié)范圍。為了使裝置的優(yōu)勢(shì)最大化，原則上應(yīng)在高壓下應(yīng)用，進(jìn)口壓力為715MPa。第 3章 緊湊型分離設(shè)備 28 由于天然氣高速通過脫水系統(tǒng)，因此在相同處理能力下，其體積較小。 (3)天然氣超音速脫水技術(shù)利用天然氣本身的壓力工作，能夠在瞬間啟動(dòng)和停止工作，并且不需要大量的外部能源供應(yīng)。 (5)天然氣超音速脫水系統(tǒng)投資少，操作方便，可靠性高，不需外加動(dòng)力，故其運(yùn)行費(fèi)用低。它是一種不 相溶介質(zhì)的分離、分級(jí)與分選設(shè)備。待分離的多相或非溶性單相介質(zhì)以一定的壓力從水力旋流器上部周邊切向進(jìn)入水力旋流器后，產(chǎn)生了強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由于介質(zhì)間的密度差，所受的離心力、向心浮力和流體曳力的大小不同，受離心力沉降作用，大部分重相經(jīng)旋流器底流口排出，而大部分輕相則由溢流口排出，從而達(dá)到分離的目的。 液體從旋流器入口切向進(jìn)入后，同時(shí)產(chǎn)生兩種基本的同向旋轉(zhuǎn)液流 ——順螺旋線向下流動(dòng)的外旋流和沿螺旋線 向上流向溢流管的內(nèi)旋流， 如圖311 所示。在外旋流與內(nèi)旋流之間的溢流管下端產(chǎn)生循環(huán)流，此循環(huán)流中的液體在繞水力旋流器軸線旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，從外側(cè)向底流口方向流動(dòng)，而從內(nèi)側(cè)向上蓋方向流動(dòng)。對(duì)無背壓的水力旋流器，在水力旋流器軸線附近，由于靜壓頭很低，而離心力又很高，以致液體渦核無法存在 ，于是空氣順勢(shì)沿底流口進(jìn)入并在軸心形成一個(gè)上升的旋轉(zhuǎn)空氣柱。另外，空氣柱和零軸速包絡(luò)面也是固 液旋流器的兩個(gè)重要特征。 固相顆粒進(jìn)入水力旋流器后，一方面與液流一起繞水力旋流器軸線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，另一方面顆粒還作軸線和徑向運(yùn)動(dòng)。顆粒越細(xì)或顆粒密度與液體密度之差越小，其運(yùn)動(dòng)軌跡與液流流線越接近，這樣的顆粒不能從液相中分離。 [23] 圖 311 水力旋流器液流工作模型及其工作原理 水力旋流分離器的優(yōu)勢(shì) 對(duì)于那些油水壓力非常高的海上油田，水力旋流器相比于常規(guī)分離器有第 3章 緊湊型分離設(shè)備 30 很多優(yōu)勢(shì)： ? 體積小、緊湊 ? 重量輕 ? 擁有靈活的模塊化設(shè)計(jì) ? 發(fā)生故障后擁有快速啟動(dòng)和修復(fù)功能 ? 需要消耗的能量低 ? 需要的維修少 ? 可以使油田控制標(biāo)準(zhǔn)化 ? 增加了分離系統(tǒng)的處理范圍 [24] 旋流分離系統(tǒng) 一些現(xiàn)在在市場上出售的以旋流為基礎(chǔ)的分離器可以完成固 /氣分離、液 /液分離 、固 /液分離和氣 /液分離。它們將儲(chǔ)層流體和氣體分離，然后除去流體中的砂子等固體，最后將儲(chǔ)層流體中的水除去用于回注。 如圖 313 所示，該系統(tǒng)集成了 1 個(gè)可回收的 氣 液分離器和 1個(gè)可回收的液體增壓器 (LiquidBooster)，電力、通訊、液壓和公用設(shè)備通過集成鋼管臍帶提供。通過控制泵的轉(zhuǎn)速和將泵排出口的液體進(jìn)行回輸兩種方式結(jié)合，來控制分離器中的液位；變速驅(qū)動(dòng)裝置位于水面以上。氣液混合物入口位于分離器的中上部，氣體出口位于分離器的頂部而液體出口位于底部，自上而下依次為第 2 級(jí)氣體洗滌器、第 1 級(jí)氣體洗滌器、入口腔室、導(dǎo)旋元件、旋流分離段、鎖氣元件等。從旋流分離段出來的攜帶有剩余液體的氣體進(jìn)人第 1級(jí)氣體洗滌器，在此大部分液體得以從氣流中分離出來；第 2 級(jí)氣體洗滌器進(jìn)行深度處理，用于分離氣流中剩余的液 體顆粒。 圖 314 G— sep緊湊型旋流脫氣器 在為水深 1500m 的 SPC 項(xiàng)目進(jìn)行認(rèn)證實(shí)驗(yàn)時(shí)，即使操作壓力高達(dá)13MPa(一般在 213MPa 之間 )， G— sep 緊湊型旋流脫氣器氣體出口的含液體積比為 ／ m3 ，液體出口的含氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 1％ 5％，顯示了良好的分離性能。面對(duì)世界范圍內(nèi) 高含水油田、邊際油田和深水油田開發(fā)第 3章 緊湊型分離設(shè)備 33 等新形勢(shì)，西方發(fā)達(dá)國家的研究人員提出了緊湊型靜電聚結(jié)器的技術(shù)理念，并且研發(fā)出 了 一些代表性產(chǎn)品。越大越重的油滴在重力分離器中沉降的越快，因此在緊湊式旋流分離器中擁有更高的分離效率。 靜電聚結(jié)器不僅使油流中的水能夠大部分被分離，而且另外一些不純物質(zhì)像水相中的鹽分也大部分被清除，因此在海底可以生產(chǎn)出高質(zhì) 量的原油。增大水顆粒的直徑可以大大地增加其沉降速度。 第 3章 緊湊型分離設(shè)備 34 在常規(guī)電脫水器中， W／ O 型原油乳化液從罐底進(jìn)入，整體呈自下而上的流動(dòng)態(tài)勢(shì)，在此過程中受電場作用而靜電聚結(jié)長大的分散相水顆粒開始發(fā)生逆流重力沉降。 西方發(fā)達(dá)國家的研究人員打 破數(shù)十年來常規(guī)電脫水器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的慣性思維模式，率先提出了將水顆粒靜電聚結(jié)長大與水顆粒重力沉降 2 個(gè)過程分開、予以先后實(shí)施的原油脫水方案，從而使得靜電聚結(jié)破乳設(shè)備緊湊化、高效化，這就是所謂的緊湊型靜電預(yù)聚結(jié)原油脫水技術(shù)。 [27] CEC 的特點(diǎn)是：（ 1）采用 AC 電場； （ 2）油水乳化液在其中的流 動(dòng)狀態(tài)為湍流； （ 3）使用帶絕緣涂層的電極 (圓筒狀或波紋板狀 )。 W／ O 型原油乳化液從上部進(jìn)入，通過擋流板后進(jìn)入內(nèi)外圓筒的環(huán)形間隙并自上而下流動(dòng)。限制半徑間隙值的目的是為了保證足夠的電場強(qiáng)度和乳化液的非層流流態(tài)，一般應(yīng)該將雷諾數(shù)保持在 20xx8000 之間。乳化液在電場中的停留時(shí)間為 310S，可以通過選取適當(dāng)?shù)碾姌O長度來保證。為了在施加交流電場之前使得 CEC 中充滿原油乳化液，必須將其安裝在上游分離器低液位的最小值處以下；同時(shí)在 CEC 的頂部設(shè)有一個(gè)低液位切斷開關(guān)閥和一個(gè)逸出氣排空口。無論采用何種結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，電極部分都可以作為一個(gè)整體組件從外殼筒體頂部取出，維修檢查較為方便。它們可以大大地提高分離的效率，從而減小了分離器的體積。分離器中油相中的水滴很容易聚結(jié)長大，因此分離變得十分容易。 圖 317 VIEC 和 LOWACC應(yīng)用于重力式分離器 圖 317 為 VIEC 和 LOWACC 應(yīng)用于重力式分離器。 LOWACC 擁有較高的分離效率，分離出的油品的含水率可以達(dá)到 %。靜電聚結(jié)器的優(yōu)勢(shì)是： ? 它們不包括任何運(yùn)動(dòng)部件，所以相當(dāng)穩(wěn)定和可靠。 ? 靜 電分離器后跟一個(gè)旋流分離器，是有可能在海底生產(chǎn) 精練等級(jí)的原油的，用這兩個(gè)分離器，幾乎可以清除油流中含有的所有 水分和鹽分。 ? 管道中的腐蝕問題變得不再嚴(yán)重，因?yàn)橛土髦泻臏p少，管道的安裝不需要高質(zhì)量的防腐合金，因此安裝費(fèi)用也減少。這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。這就 需要一些應(yīng)急備份系統(tǒng)來抑制水合物的形成和阻止腐蝕。 井下分離的方式主要有基于重力的分離系統(tǒng)，基于旋流的分離系統(tǒng)和 薄膜井下分離系統(tǒng)。 ? 海底生產(chǎn)系統(tǒng)中應(yīng)該盡量簡化，但是井下分離器由于需要額外能源和液壓管線而使系統(tǒng)變得復(fù)雜。 以旋流為基礎(chǔ)的 DOWS 系統(tǒng) 今天，已經(jīng)有很多井下分離系統(tǒng)被使用，包括氣 液分離，液 固分離和液 液分離。旋流分離器被廣泛應(yīng)用于地面和井下分離。 第 3章 緊湊型分離設(shè)備 38 圖 318 以旋流為基礎(chǔ)的井下氣 液分離系統(tǒng) 如圖 318 所示，以旋流為基礎(chǔ)的井下氣液分離系統(tǒng)從下到上主要包括回注篩管、封塞器、下密封、氣 液預(yù)先分離器、錨定工具、螺桿泵、分離器、上密封、壓力平衡閥、連接平穩(wěn)設(shè)備和氣體放出設(shè)備。它使得進(jìn)入井筒的油滴上升，在井內(nèi)形成一個(gè)分散的油層。隨著抽油桿上下移動(dòng)，油被舉升到地面，水被回注地下。 圖 319 以重力為基礎(chǔ)的井下分離系統(tǒng) 儲(chǔ)層流體進(jìn)入水平分離器，分離出油和水?；刈⑹怯梢簤簼撍猛瓿傻模@種泵是由通過井筒中的 環(huán)管傳遞的動(dòng)力液體驅(qū)動(dòng)的。 重力分離器更加緊湊，更加集裝化，能在不取出分離器和泵的情況下對(duì)井進(jìn)