原油储罐自动脱水器选型研究

杜 娟 孙润林 蒋志明 王 阁

中国石油工程建设有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 前言

原油在开采、运输、装卸的过程中都会带入水[1],当原油进入储罐长期储存后,部分水会沉降在储罐底部,出现油水分层,分层后水分不但会腐蚀储罐底板[2],还可能会进入常减压装置,污染管线;而且水被加热气化后会加速膨胀,导致装置冲塔和着火。根据GB 36170—2018《原油标准》规定,原油水含量(质量分数)要求在0.50%～2.00%之间,因此为了使原油水含量合格,必须对原油进行脱水。多年来石化行业原油储罐[3]脱水采用人工手动操作,跑、冒、滴、漏情况时常发生[4],污染环境且存在安全隐患,工人操作强度也大[5]。本文从自动脱水器的脱水原理和结构出发,研究原油储罐如何选择自动脱水器。

1 原油储罐脱水方式

原油储罐脱水一般有手动脱水和自动脱水两种方式。手动脱水一般使用双阀控制,将油品排入油罐附近的脱水池中,具体工艺流程见图1。判定脱出水分中是否含油的方式一是靠声音[6],水和油落到池中的声音不同;二是靠观察,水滴落到地上是珠状,油会快速渗透呈发散型;三是靠气味，水中油量增大时，油气味变重;四是靠颜色,通过脱水管道上的视镜观察颜色。手动脱水方式主要依靠经验判断水分是否脱完,所以始终无法避免在脱水时会带出油品[7],油气和硫化氢等有毒有害气体会对人体造成伤害,且安全隐患大[8],再加上原油周转量大,作业时还要避开雷电下雨等不利天气,脱水作业强度大。

自动脱水方式按照GB 50074—2014《石油库设计规范》和SH/T 3007—2014《石油化工储运系统罐区设计规范》的规定设置。自动脱水器能做到有水自动脱,脱完自动停[9],目前的脱水器产品脱水量约15～25 t/h,通过设置脱水器的参数也可调节脱水油含量。在通信方面,自动脱水器的工作状态参数能通过RS485通信上传到工厂操作室,方便操作工观察脱水状态[10],有助于提高罐区自动化管理水平[5]。

通过上述对比,从有利于生产作业及安全角度出发,推荐原油储罐脱水方式选用自动脱水。

图1 手动脱水工艺流程图Fig.1 Flowchart of manual dehydration process

2 自动脱水器脱水原理

目前工业化自动脱水器产品的脱水原理一般是利用油水的特性差异脱水[11],见表1。

表1 自动脱水器脱水原理分析表

3 自动脱水器结构

3.1 分类

根据结构和设计原理分类，当前市场应用较多的自动脱水器类型主要有缓冲罐式、罐壁安装式和管道式[13]自动脱水器,见图2。

图2 自动脱水器分类图Fig.2 Flowchart of classification of automatic dewatering system

3.2 缓冲罐式自动脱水器

缓冲罐式自动脱水器的设计原理一般有机械浮球式、微波式、射频导纳式和超声波式,其中机械浮球式最常用,因为在众多油水特性中,密度差最明显易测。该类型的脱水器在储罐外有单独的缓冲罐,缓冲罐设有进水口和排水口,内部由浮球、杠杆、阀芯和配重等组成。油水在缓冲罐内进行二次沉降,随着油水界面不停变化,浮球受浮力的作用上升或下降,通过连接杆带动阀芯开启或关闭排水口[14]。缓冲罐式自动脱水器工艺流程见图3。

图3 缓冲罐式自动脱水器工艺流程图Fig.3 Process flowchart of buffer tank type automatic dewatering system

机械浮球式缓冲罐式自动脱水器主要靠油水二次沉降后形成稳定的油水界面后脱水,因此缓冲罐必须安装在稳定坚固的基础上,且比油罐罐底标高低[15],因此密度差越大,脱水速度越快,停留时间越短,脱水油含量越高。本文分别统计了5个原油油库的原油基础参数,见表2。从表2可知,原油来源不同,其密度、黏度等变化范围很大[16-17],一般原油密度可以从760 kg/m3到980 kg/m3,再加上油水之间存在乳化层,上层是油包水,下层是水包油,沉降再久也不容易界面清晰[18],因此机械浮球式缓冲罐式自动脱水器很难脱除和水密度相近的原油[11],对于油水分层明显的清洁轻质油品,建议选用不易受乳化层影响、油中水含量易于检测的机械浮球式缓冲罐式自动脱水器。

表2 原油基础参数表

3.3 罐壁安装式自动脱水器

罐壁安装式自动脱水器一般分为微波式和射频导纳式,目前微波式工业化产品较为成熟。微波式罐壁安装式自动脱水器是指利用微波能量吸收技术,检测油中水含量,将界位探测针插入罐内,探测针尖端发射高频能量,利用电子控制电路探测水和油吸收的能量值。水比油导电性强,吸收能量多,因此当探测范围内水越来越多时,探测到的信号值越来越大[19]。微波式罐壁安装式自动脱水器原理见图4,控制工况见表3。

图4 微波式罐壁安装式自动脱水器原理图Fig.4 Schematic diagram of microwave tankwall-mounted automatic dewatering system

表3 微波式罐壁安装式自动脱水器控制工况表

在储罐罐壁不同高度安装两个探测针,对照控制面板上的油、水、报警三种指示灯,实现远程脱水。当高低位探测针同时检测到水时,水灯亮,切水控制阀自动打开;当高位探针检测到油,低位探针检测到水时,油灯亮,切水控制阀自动关闭;当高位探针检测到水,低位探针检测到油时,油灯亮,报警灯亮,提示操作人员现场检查设备是否异常。

微波式罐壁安装式自动脱水器的缺点是传感器只对水敏感,对油不敏感,而且与机械浮球式缓冲罐式自动脱水器类似,需要油水界面清晰,一旦被乳化层误导,容易导致脱除的水中含油[11],并且探测针只能检测导电率较高的水质,同时整个脱水系统价格高,因此不利于推广应用[12]。

3.4 管道式自动脱水器

管道式自动脱水器一般有超声波式、微波式和液柱谐振式。鉴于超声波和微波式都需要稳定的油水界面,以下重点讨论液柱谐振式。液柱谐振式管道式自动脱水器主要是在介质流动的过程中,检测水中的油含量,因此液柱谐振式管道式自动脱水器的传感器对油敏感,而不是对水敏感，其结构图见图5。

图5 液柱谐振式管道式自动脱水器结构图Fig.5 Schematic diagram of liquid column resonance typepipeline automatic dewatering system

液柱谐振式管道式自动脱水器由主体、液位传感器、前传感器(前传感器配主控制器)、后传感器(后传感器配从控制器)、脱水调节阀等组成。当水中油含量增多或减少时密度和黏度会发生变化,因此谐振频率和振幅也会变化,在一定温度下,传感器的振幅越大,脱出的水分越干净,振幅越小,水中油含量越多[7]。

液柱谐振式管道式自动脱水器的安装位置低于油罐罐底,当油罐底部含水时,水会自动进入脱水器[13]。当前后传感器都检测到水(水中油含量达到排放要求)时,脱水调节阀打开。当前传感器检测到油量超标时,主控制器的输出电流关闭脱水调节阀;当后传感器检测到油量超标时,输出开关节点信号,开关节点断开,关闭脱水调节阀的气源或电源。阀门关闭后,油水在脱水器内分层,油回到储罐,水进入脱水器,当水沉淀达到一定量时再次进入脱水管道并循环之前的步骤进行脱水作业。

液柱谐振式管道式自动脱水器的优点是不需要稳定的油水界面,而是直接测水流动过程中的油含量。当两个传感器都检测到水时,才打开脱水阀,当任何一个传感器检测到油时,都会关闭脱水阀[4],而且当脱水器进入休眠状态时不检测、不加热、关阀关气,节约能耗。液柱谐振式管道式自动脱水器现场安装图见图6。

图6 液柱谐振式管道式自动脱水器现场安装图Fig.6 Installation diagram of liquid column resonancepipeline automatic dehydrator

根据GB 31570—2015《石油炼制工业含油废水排放标准》规定,加工单位原(料)油基准排水量为0.5 m3/t原油,环境承载能力及生态脆弱等地,加工单位原(料)油基准排水量为0.4 m3/t原油,油库污水处理厂根据国家标准确定各排污点油含量上限值,因此脱水器的脱水效果由脱除水分中的油含量指标来验证。通常油库污水处理厂可接受的油含量一般在500 mg/L以内[20]。四川某油库原油储罐1在改用液柱谐振式管道式自动脱水器后收集到的有效数据见表4。

表4 某油库原油储罐液柱谐振式管道式自动脱水器水样分析数据表

与人工手动脱水的油含量1 000～3 000 mg/L相比较,表4的油罐脱除的水分中平均油含量约200 mg/L,远低于油库污水处理厂的进水指标。效果验证表明液柱谐振式管道式自动脱水器是原油储罐自动脱水的较佳选择[5]。因此,对于密度和黏度变化大的油品以及重质油品,建议选用油水界面稳定、安装简单、维护方便的液柱谐振式管道式自动脱水器。

4 结论

1)通过对比手动脱水方式和自动脱水方式,分析自动脱水的原理及结构,从有利于生产作业及安全角度出发,推荐原油储罐脱水选用自动脱水方式。

2)液柱谐振式管道式自动脱水器更适合原油产品,其性能稳定,安装简单且维护方便,不受限于稳定的油水界面,不用等待二次沉降时间,可直接检测水中油含量,尤其适合于密度变化大的原油以及重油脱水。机械浮球式缓冲罐式自动脱水器更适合于轻质洁净的油品。