高效真空脫氧系統(tǒng)在油田注水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用

茹瑞英， 韓宗譚， 盧亞萍， 陶賢文

（中國石油工程建設(shè)有限公司北京設(shè)計分公司， 北京 100085）

在海外油田尤其是中東地區(qū)的油田地面工程中， 地表水往往作為洗鹽水摻入原油電脫水設(shè)備以滿足原油外輸?shù)闹笜艘螅?或者作為油田注水補充水［1］與高礦化度含油污水混合或分別注入地層， 以提高原油采收率， 達到高產(chǎn)或穩(wěn)產(chǎn)的目的。 常溫地表水中溶解氧的質(zhì)量濃度一般為6 ～10 mg／L， 地表水中的溶解氧的存在會加速設(shè)備及管道的腐蝕，縮短其使用壽命， 并造成油藏堵塞等一系列不良影響， 因此， 國內(nèi)外規(guī)范對于注水的溶解氧含量均有要求［2］。 中東地區(qū)的洗鹽水以及油田注水補充水必須進行脫氧處理， 一般要求脫至0.05 mg／L 以下，甚至要求降至0.02 mg／L 以下。

油田注水常用的脫氧技術(shù)主要有真空脫氧、 熱力脫氧、 超重力脫氧和膜脫氧。 其中真空脫氧適用于規(guī)模較大、 溫度較低的水； 熱力脫氧適用于規(guī)模較小、 水溫較高且有熱源的水； 超重力脫氧廣泛應(yīng)用于熱力系統(tǒng)、 廠礦企業(yè)及城市管網(wǎng)， 油田上應(yīng)用較少； 膜脫氧適用于水質(zhì)較好， 不易結(jié)垢的水， 常應(yīng)用在制藥、 電力、 食品與飲料、 墨水與油墨等領(lǐng)域的鍋爐給水工程中［3］。

海外某油田注水水源主要為處理后的采出水，前期注水補充水水源來自河水， 規(guī)模為50 000 m3／d， 后期注水補充水水源采用海水， 規(guī)模為80 000 m3／d。 注水水質(zhì)含氧量要求不超過0.05 mg／L。 此油田注水補充水規(guī)模大， 含氧要求高， 脫氧系統(tǒng)在油田自有水廠內(nèi)進行建設(shè)， 基于這些特點， 項目在執(zhí)行過程中， 經(jīng)過技術(shù)研究和經(jīng)濟對比， 對脫氧系統(tǒng)的設(shè)計采用了低溫高效真空脫氧技術(shù)。

1 工程概況

伊拉克某油田自建水廠， 新鮮水水源來自油田附近的河水， 河水經(jīng)過處理后主要用于中心處理站、 天然氣處理廠以及營地等用戶的生產(chǎn)、 注水補充水及生活用水。 該油田水廠采用的主工藝流程為： 河水→沉砂池→絮凝反應(yīng)沉淀池→超濾膜池→真空脫氧塔→用戶。 該水廠根據(jù)用水需求，總體規(guī)劃， 分步實施， 第一階段建設(shè)地表水處理設(shè)施， 第二階段建設(shè)真空脫氧設(shè)施。 本文重點介紹第二階段真空脫氧系統(tǒng)。

2 項目規(guī)模及設(shè)計水質(zhì)

本項目真空脫氧系統(tǒng)設(shè)計規(guī)模為50 000 m3／d。真空脫氧系統(tǒng)來水為水廠經(jīng)混凝、 沉淀及過濾處理后的河水， 進水水質(zhì)如表1 所示， 出水水質(zhì)要求如表2 所示。

表1 真空脫氧塔進水水質(zhì)Tab.1 Influent water quality of vacuum deoxidation tower

表2 真空脫氧塔出水水質(zhì)Tab.2 Effluent water quality of vacuum deoxidation tower

3 常規(guī)真空脫氧技術(shù)原理及特點

真空脫氧［4］技術(shù)依據(jù)的原理是亨利定律， 即在等溫等壓下， 某種氣體在溶液中的溶解度與液面上該氣體的平衡壓力成正比。 因此， 可以通過降低液面上的壓力， 使溶解性氣體逸出， 進行脫氣。 真空脫氧不會造成水質(zhì)的二次污染［5］， 是一項環(huán)保型的脫氧技術(shù)， 在海水注水補水工程、 化工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

真空脫氧系統(tǒng)主要有真空脫氧塔、 真空泵、 噴射器、 汽水分離罐等設(shè)備組成， 見圖1。 真空脫氧系統(tǒng)是在真空泵和噴射器的雙重抽吸作用下， 使脫氧塔內(nèi)處于真空或臨近真空狀態(tài)， 降低氧氣分壓，從而使塔內(nèi)水中的氧氣逸出。 但是， 常規(guī)脫氧塔運行過程中存在效率低， 只能滿足一般水質(zhì)處理指標， 如水溫不低于15 ℃， 出水溶解氧的質(zhì)量濃度不超過0.5 mg／L 等［3－4］。 經(jīng)分析主要原因為： ①一級填料腔室和二級填料腔室之間存在配水不均勻、串氣和壓力互擾的現(xiàn)象， 影響整個脫氧塔的脫氧效率； ②填料淋水密度較小， 導致脫氧塔直徑較大，真空泵功率高， 除氧效率低。

圖1 真空脫氧系統(tǒng)組成示意Fig.1 Composition of vacuum deoxidation system

4 高效真空脫氧關(guān)鍵技術(shù)

針對真空脫氧系統(tǒng)規(guī)模大， 進水溫度較低， 出水含氧量低等苛刻技術(shù)問題， 本項目在傳統(tǒng)的兩級真空脫氧塔基礎(chǔ)上進行了優(yōu)化， 形成了高效深度兩級真空脫氧技術(shù)。 應(yīng)用該技術(shù)， 當真空度保持在－0.089 MPa（G）以上時， 水在常溫下的溶解氧質(zhì)量濃度可低于0.05 mg／L， 達到油田注水要求， 如果配合投加化學脫氧劑， 出水溶解氧質(zhì)量濃度可達0.01 ～0.02 mg／L。

4.1 高效真空脫氧設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化

（1） 一級配水系統(tǒng)。 一級配水系統(tǒng)包括配水干管和配水支管， 見圖2。 一級配水干管和配水支管位于脫氧塔頂部， 即一級填料層的上面。 配水干管和支管均采用玻璃鋼材質(zhì)， 配水管采用傳統(tǒng)的“豐”字型布置。 本項目對配水支管上配水孔進行了特殊設(shè)計（詳見圖3）， 防止了液體在填料床頂部的竄流， 經(jīng)CFD 動態(tài)模擬對比后， 確定配水孔尺寸為φ11 mm， 配水孔與垂線夾角為30°， 共計860 個。模擬結(jié)果表明， 30°夾角布置， 相比配水孔與垂線夾角為45°或60°布水均勻性更好。 進行特殊設(shè)計的配水管既可以使來水均勻噴淋在填料層上， 又可以最大程度上抑制來水進脫氧塔后產(chǎn)生泡沫。

圖2 一級配水系統(tǒng)示意Fig.2 First－ordered water distribution system

圖3 配水支管示意Fig.3 Water distribution branch

（2） 填料。 為了增加水中氧氣的傳質(zhì)動力， 使之更易被脫出， 真空脫氧塔內(nèi)會安裝比表面積大、水流阻力小的常規(guī)填料。 本項目應(yīng)用了具有特殊結(jié)構(gòu)的填料， 即直徑為5 cm 的β 環(huán)聚丙烯填料［6］（見圖4）， 其孔隙率為94% ～98%， 具有疏水性好、 攜液量少、 液體滯留時間短、 壓降小、 比表面積大、 噴淋強度大等特點。 該填料提高了填料內(nèi)空間及表面利用率， 使得氣流阻力小， 液體分布均勻。 而傳統(tǒng)的聚丙烯鮑爾環(huán)填料的孔隙率為92%～97%， 塑料拉西環(huán)填料的孔隙率一般在60% ～96%。 通過以上改進， 使得脫氧塔的淋水密度大幅度提高， 相比傳統(tǒng)的拉西環(huán)， 淋水密度由傳統(tǒng)的50 m3／（m2·h）左右［3，7］提高到97 m3／（m2·h）， 從而降低了真空塔的設(shè)計直徑， 提高了單臺塔的處理效率。

圖4 5 cm β 環(huán)填料Fig.4 5 cm Beta ring packing

（3） 水封式淋水裝置。 高效脫氧塔一、 二級填料間設(shè)置了水封式淋水裝置［6］， 水封式淋水裝置是一個雙層結(jié)構(gòu)的內(nèi)件， 上層是水封帽、 水封筒和淋水管， 下層是淋水盤， 淋水盤上設(shè)多個淋水孔， 如圖5 ～圖7 所示。 水封帽沿圓周環(huán)向設(shè)有多個拱形進水孔， 經(jīng)一級填料脫氧后的水流入淋水裝置， 當液面升高到水封筒頂部時， 水流經(jīng)淋水管落入淋水盤， 經(jīng)盤上的淋水孔進入二級填料腔室。 水封式淋水裝置只允許水或水泡通過， 不允許氣體通過， 從而使氣體被真空泵抽走， 更好地隔絕一、 二級之間的壓力， 同時給二級填料均勻配水。 對比雙層無水封直筒式或單層槽式淋水， 水封式淋水裝置是防止一、 二級填料腔室之間串氣和壓力互擾的關(guān)鍵， 該裝置保證了一級填料腔室和二級填料腔室各自不同的真空度。 水封式淋水盤采用玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂（GRE）。 經(jīng)過液環(huán)真空泵抽吸后， 一級填料后水中90%以上的溶解氣（氧氣、 二氧化碳等）被去除。

圖5 水封式淋水裝置俯視圖Fig.5 Top view for water sealed type spray device

圖6 水封式淋水裝置示意Fig.6 Water sealed type spray device

圖7 水封內(nèi)水流示意Fig.7 Water flow in water sealed tank

4.2 真空脫氧設(shè)備主要設(shè)計參數(shù)

經(jīng)過設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化后， 經(jīng)計算后確認的真空脫氧系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備真空脫氧塔、 真空泵及噴射器的主要設(shè)計參數(shù)見表3。

表3 真空脫氧設(shè)備主要設(shè)計參數(shù)Tab.3 Main design parameters of vacuum deoxidation devices

5 工程應(yīng)用效果

2018 年11 月， 本項目真空脫氧系統(tǒng)投產(chǎn)。 試運行期間， 在15 ℃水溫下， 現(xiàn)場真空泵的實際壓力設(shè)定值為－0.096 3 MPa（G）， 噴射器的實際壓力設(shè)定值為－0.100 1 MPa（G）。 在真空泵和噴射器的雙重抽吸， 且未投加除氧劑的情況下， 脫氧塔出口水中含氧量實際檢測數(shù)值滿足設(shè)計要求（見表4），僅除氧劑一項可節(jié)省運行費用約60 萬元／a。

表4 真空脫氧塔出水含氧量Tab.4 Oxygen content in effluent water from vacuum deoxidation tower

6 經(jīng)驗總結(jié)

（1） 真空脫氧塔和真空泵之間用于抽真空的管線， 不能出現(xiàn)局部低點即存液袋， 否則會導致有水聚集， 影響真空度和處理效果。

（2） 噴射器的驅(qū)動來源來自空氣， 安裝時需考慮防堵、 防凍措施。

（3） 脫氧塔底部儲水腔的存儲時間很短， 約5 min， 為了提高除氧劑的效率， 除氧劑宜采用以水作為載體將藥劑稀釋后， 通過噴頭投加到塔內(nèi)， 并確保投加均勻。

（4） 水環(huán)真空泵的水環(huán)供水的流量和壓力要結(jié)合需求選擇可靠的供水水源。

（5） 真空泵后的氣液分離罐宜設(shè)溢流管， 溢流管位置應(yīng)高于水環(huán)真空泵的中心線， 否則會影響真空泵的運行。 溢流管線應(yīng)設(shè)置破虹吸孔， 以免產(chǎn)生虹吸溢流后影響真空泵工作。

（6） 真空脫氧塔應(yīng)考慮殺菌劑、 阻垢劑、 消泡劑和除氧劑［8］的添加， 其中殺菌劑投加在脫氧塔入口上游， 一旦菌類在填料或塔內(nèi)滋生很難去除， 影響脫氧效果； 阻垢劑投加在脫氧塔供水泵出口， 避免水環(huán)真空泵及填料結(jié)垢， 影響脫氧效果； 消泡劑投加在脫氧塔入口處， 經(jīng)管式配液管均勻布水可有效抑制泡沫產(chǎn)生； 除氧劑應(yīng)投加于真空脫氧塔的儲水腔中， 以進一步降低水中溶解氧含量［8］。

7 結(jié)語

本項目高效真空脫氧系統(tǒng)投產(chǎn)至今運行良好，在來水溫度為15 ～40 ℃工況下， 脫氧后出水溶解氧質(zhì)量濃度為0.02 ～0.05 mg／L， 滿足生產(chǎn)用水需求。 高效真空脫氧技術(shù)單臺設(shè)備處理量大， 操作簡單， 維護少， 且經(jīng)濟效益良好， 適用于規(guī)模大、 溫度較低的地表水脫氧處理。 對于來水溫度低于15℃或者出水溶解氧質(zhì)量濃度要求低于0.02 mg／L 的項目， 可以適量投加除氧劑和消泡劑， 建議除氧劑投加量為10 ～20 L／h， 消泡劑投加量為1.1 ～2.0 L／h， 具體投加量與藥劑類型和濃度有關(guān)， 應(yīng)試驗后確定。