壓緊式改性纖維球過濾器數(shù)值模擬分析

馬 粵

[中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東 524057]

0 引言

隨著海上油田開發(fā)到后期，生產(chǎn)水量增大，同時，相關(guān)法規(guī)對含油污水排放的要求和監(jiān)管日益嚴(yán)格，為此，南海西部某FPSO 終端對生產(chǎn)水處理系統(tǒng)進行改造，新增一套裝填改性纖維球濾料的過濾裝置。目前海上油田使用改性纖維球過濾器對生產(chǎn)水處理的成功案例不多，相關(guān)的研究較少。過濾器結(jié)構(gòu)有壓緊式和非壓緊式兩種[1-2]。變頻反沖洗，泵洗反沖洗，氣液聯(lián)合反沖洗等多種反沖洗方式可提高其效果[3]。王婷[4]研究了攪拌式自壓反沖洗對核桃殼濾料的反沖洗效果；姜立欣[5]等針對石英砂濾料跑料、漏料問題。于忠臣[6]等對攪拌式核桃殼濾料進行實驗，研究反洗強度和反洗時間對污染物的去除效率。王利平[7]等對石英砂濾層進行氣-水反沖洗試驗研究，探索氣、水反沖洗強度和時間對反沖洗效果影響，崔金泉[8]針對核桃殼濾料再生不徹底問題，對過濾流程進行改造。本文采用CFD 技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)場改造調(diào)試經(jīng)驗，對改造前后裝置過濾流程和反洗流程的進行仿真計算，探究影響過濾裝置流通性能的因素，對比其內(nèi)部流場的變化及對反沖洗效果的影響，為改性纖維球過濾器的選型，現(xiàn)場調(diào)試及設(shè)計提供參考。

1 FPSO 終端水處理工藝流程

生產(chǎn)水由生產(chǎn)水泵從生產(chǎn)水艙泵送至水力旋流器和脫氣罐兩級處理后排海，如圖1 所示。為提高生產(chǎn)水處理效果，在在水力旋流器出口增加一套改性纖維球過濾裝置，形成三級水處理流程如圖2 所示。

圖1 原FPSO 生產(chǎn)水處理系統(tǒng)

圖2 FPSO 生產(chǎn)水處理系統(tǒng)

新增過濾裝置為壓緊式濾器如圖3 所示，由5 個濾器罐體組成，運行時4 個濾器處于過濾流程，另1 個濾器處于反沖洗流程，采用氣-水反沖洗設(shè)計。引處理合格的生產(chǎn)水對纖維球床層進行反沖洗。氣反洗時，引高壓天然氣對床層進行沖洗。反沖完成后重新進入過濾流程，并切換至下一個濾器進入反沖洗流程。

圖3 改性纖維球過濾裝置撬塊

過濾裝置原始設(shè)計的出口集液管形式，如圖4 所示，投入使用后發(fā)現(xiàn)過濾器的壓差過大且反沖洗效果不佳，濾料受污染程度不均勻。之后將集液管改造成如圖5 所示的T 型管形式。

圖4 改造前的集液管形式及床層內(nèi)部結(jié)構(gòu)（松開

圖5 改造后的集液管形式及床層內(nèi)部結(jié)構(gòu)（壓緊）

目前海上油田使用改性纖維球過濾器對生產(chǎn)水處理的成功案例不多，相關(guān)的研究較少。本文采用CFD 技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)場改造調(diào)試經(jīng)驗，對改造前后裝置過濾流程和反洗流程的進行仿真計算，探究影響過濾裝置流通性能的因素，對比其內(nèi)部流場的變化及對反沖洗效果的影響，為改性纖維球過濾器的選型，現(xiàn)場調(diào)試及設(shè)計提供參考。

2 數(shù)值計算模型

2.1 控制方程

選擇標(biāo)準(zhǔn)的k-ε 模型進行數(shù)值模擬。過濾器裝置中的纖維球床層被擋板和帶孔擋板包圍，數(shù)值模擬時，將帶孔擋板和纖維球床層均設(shè)為多孔介質(zhì)區(qū)域[9-10]（圖6）。布液管、前后擋板、壓板均為厚度6 mm 的帶孔擋板，孔直徑8 mm，孔間距為16 mm 的帶孔擋板（圖7）。一方面允許流體通過，另一方面，孔徑要足夠小，防止纖維球在流體的沖擊作用下，穿過帶孔擋板，出現(xiàn)“跑球”現(xiàn)象，數(shù)值模擬時將帶孔擋板簡化為各向同性且均質(zhì)的多孔介質(zhì)區(qū)域。它們的在操作壓力范圍內(nèi)的流通能力如圖8 所示，兩者的流通性基本一致。

圖6 纖維球過濾器內(nèi)流場區(qū)域示意

圖7 帶孔板結(jié)構(gòu)示意

圖8 帶孔擋板流通性能

對于纖維球床層，流體流速較慢，層流區(qū)域的多孔介質(zhì)模型采用經(jīng)驗公式來定義多孔介質(zhì)的流動阻力，其中黏性阻力項[11]。

慣性阻力項：

2.2 幾何模型及邊界條件

本研究對單個臥式過濾裝置纖維球床層被壓緊時（過濾流程）和松開時（反沖洗流程）的形態(tài)進行幾何建模，由ICEM 前處理軟件分區(qū)域劃分非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，如圖9 所示。流場內(nèi)的介質(zhì)為生產(chǎn)水，其密度為1000 kg/m3，動力黏度為0.001 Pa·s。入口為速度入口，根據(jù)處理量500 m3/h 的要求，對于過濾流程設(shè)置入口速度V= 1.57 m/s，出口為壓力出口，背壓為200 kPa。對于反沖洗流程，進出口采用壓力進口和壓力出口邊界，監(jiān)測計算過程各方程的殘差和入口壓力，直至計算收斂。

圖9 改性纖維球過濾裝置內(nèi)部流場網(wǎng)格及改造前后集液管結(jié)構(gòu)

3 結(jié)果分析

3.1 過濾器流場分布

圖10 和圖11 分別展示了集液管改造前后，纖維球床層表面生產(chǎn)水速度分布云圖，改造前生產(chǎn)水進入過濾裝置后，主要從過濾器前端靠近入口區(qū)域進入纖維球床層，生產(chǎn)水進入纖維球床層的分布不均勻，進入床層的最大流速可達約0.04 m/s，這將導(dǎo)致過濾過程中，床層受污染程度不均勻而影響處理效果。將集液管的形狀改造為T 型管，更符合濾料的分布情況，流通面積也有所增大。改造后生產(chǎn)水從纖維球床層的前后左右及上方各個面均勻地進入，最大流速降低至約0.01 m/s。

圖10 布液管改造前立體進入纖維球床層速度分布

圖11 布液管改造后立體進入纖維球床層速度分布

3.2 過濾器過濾壓差分析

過濾階段，纖維球床層被壓緊，體積為V=1.973 m3，初始孔隙度為為92%，單個纖維球罐的處理量Q 為125 m3/h，可將入口生產(chǎn)水的含油濃度降低至10ppm以下，過濾過程中，生產(chǎn)水中的油和雜質(zhì)占據(jù)纖維球床層的空隙，使得纖維球床層的孔隙度下降，流動阻力上升。過濾時間為t時刻的床層孔隙度可由式（3）計算得到，再帶入式（1）和式（2）得到床層的黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)。

由于入口生產(chǎn)水中的含油濃度受上游設(shè)備處理效果影響，圖12 顯示了入口為50 ppm 和20 ppm 時，床層孔隙度和流動阻力隨過濾時間的變化。當(dāng)入口含油濃度為50 ppm 時，床層的孔隙度在300 min 內(nèi)從92%下降至90.73%，當(dāng)入口含油濃度為20 ppm 時，300 min 內(nèi)從92%下降至91.68%。入口含油濃度較高，床層的截油量大，床層過濾生產(chǎn)水孔隙度下降快，床層的流動阻力上升速度快。

圖12 纖維球床層過濾流動阻力時間的變化

圖13 集液管改造前后水反洗強度及水反洗用水量

3.3 集液管改造對反沖洗影響

裝置不設(shè)增壓泵，靠過濾水自身的壓力進行反沖洗，水反沖洗的壓差為30 kPa。過濾器進行水反沖洗時，床層頂部的壓板上提0.5 m，松開纖維球床層，床層體積由1.973 m3增加到2.959 m3，過濾時間長3.5 h，過濾器將含油污水從50 mg/L 降低至10 mg/L 計算，床層進入反沖洗階段時的初始孔隙度為0.938 時，改造前水反洗強度為0.0159 m3/s，改造后增加到0.02639 m3/s。若每次反沖洗程序中進行3 次氣-水交替反沖洗，每次水反洗時間為210 s，反洗用水量從改造前的10.017 m3增加到16.62 6m3。占過濾裝置處理量從4.57%增加到7.61%。

集液管改造前后，水反洗過程中過濾器內(nèi)部不同高度截面的速度云圖如圖14 和圖15 所示。集液管改造前，圓柱形的集液管反沖洗的范圍較小，反沖洗水主要從床層的兩側(cè)和底部等距離集液管較近，流動阻力較小的路徑離開床層。床層頂部前后兩端存在較大的沖洗死角。集液管改造后，增大了反沖洗強度，同時增大了水反沖洗范圍，減小了反沖洗死角區(qū)域。

圖14 集液管改造前水反沖洗流時過濾器內(nèi)部不同高度截面的速度

圖15 集液管改造后水反沖洗流時過濾器內(nèi)部不同高度截面的速度

4 結(jié)論與展望

改性纖維球過濾裝置的壓力損失，主要發(fā)生在出口集液管附近，通過改變集液管的形式，使之符合濾料分布情況，可有效降低過濾壓差，同時使床層內(nèi)流速分布更均勻，避免床層內(nèi)給部分濾料污染程度分布不均勻情況。對于反沖洗流程，增強了水反洗強度，減小了水反洗的死角區(qū)域。但同時增加了反沖洗用水量。

改性纖維球過濾裝置作為生產(chǎn)水深度處理設(shè)備可將含油污水中的含油濃度降低至10 ppm 以下，適用于入口含油濃度較低的工況。對于海上FPSO 終端生產(chǎn)水含油濃度往往可達30～50ppm，適應(yīng)性較差。