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隨著海上油田開發力度的加大，生產水量不斷攀升，對生產水的處理提出挑戰，然而海上平臺空間極為有限，僅依靠增加常規處理設施來滿足生產需要十分困難。為解決此局面，一種新型緊湊、**的生產水處理設備——緊湊型氣浮裝置（CFU）得到大力研發。迄今國外共有近10個公司先后推出了緊湊型氣浮裝置，如挪威M-I SWACO公司的緊湊型氣浮裝置、挪威Sorbwater Technology AS公司的Sorbsep、英國Opus Maxim公司的緊湊型氣浮裝置、美國Natco集團的VersaFloTM、美國CETCO Oilfield Services公司的CrudeSep?、法國Veolia Water Solutions & Technologies（VWS）下屬Westgarth公司的CophaseTM、德國Siemens水務公司的VorsepTM等，部分產品已有多個成功應用案例〔1, 2, 3〕。針對該類產品國內也有多家單位開展研究，為共同推動國內緊湊型氣浮技術的發展，中海油研究總院與北京石油化工學院合作開發了一種新型CFU，并在秦皇島32-6（QHD32-6）油田進行了現場測試。筆者對相關測試結果進行分析，并提出工程放大設計過程中需注意的關鍵因素，為相關技術人員提供一定參考。

1 CFU工作原理及主要技術參數

1.1 工作原理
CFU工作原理如圖 1所示。采出水主體水流先經自制的微氣泡發生器注入大量的微氣泡，然后沿切向入口進入浮選罐，在罐壁與內部穩流筒之間形成的環形空間內產生旋流，旋流引起的離心力場驅使氣泡與油滴**黏附，黏附氣泡后的油滴與水的密度差進一步加大，進而加速浮升，提高了油水分離效率，實現對生產水的**處理，同時大大縮短水力停留時間，減小了處理設備的尺寸。其中，自行研制的微氣泡發生器利用微孔發泡機理，通過微孔對氣流進行連續剪切后經水流沖刷而形成微氣泡，有效規避了常規氣泡發生方式能耗高、產生氣泡性能差、剪切乳化程度高等不足〔4, 5, 6〕，微氣泡發生器的優越性能也為CFU除油效率的提高提供了保障

圖 1 CFU原理示意

1.2 CFU的主要技術參數
CFU的浮選罐外形尺寸為D 0.4 m×1.7 m，微氣泡發生器外形尺寸為D 76 mm×700 mm。現場試驗時CFU采用2個立式氣浮罐串聯成撬，總體尺寸為1 430 mm×1 200 mm×2 370 mm，凈重≤1.5 t。其他參數如表 1所示。

其中微氣泡發生器的內部多孔管為燒結而成的多孔材料，微孔管內徑D 30 mm，微孔孔徑0.1 μm，氣孔率為50%，透氣度為0.02 （m3·cm）/m2。

2 測試結果與分析
目前秦皇島32-6油田的FPSO上水系統處理流程為：自由水分離器的水相出口→水工藝艙→斜板除油器（CPI）→加氣浮選機→核桃殼過濾器→排海或回注〔7〕。本次現場試驗分別以水工藝艙出口與斜板除油器沖洗口混合后的生產水（含油約50～100 mg/L）、自由水分離器水相出口生產水（含油約1 200～2 500 mg/L）作為測試水源。部分試驗結果如下：（1）試驗之初，當測試水源入口僅為水工藝艙的1個采樣口時，由于供水量和壓力不足，入口流量僅為1.8 m3/h，其測試結果如圖 2所示。油質量濃度在51～66 mg/L之間，單級CFU水力停留時間為5.5 min情況下，CFU出水口的油質量濃度在12 mg/L以下，除油率在78.4%~87.1%

圖2 單級CFU的除油效果
（入口流量1.8 m3/h、入口含油51～66 mg/L）

（2）后續采用增加接入斜板除油器沖洗口處水源以及降低**級CFU出口背壓的方式，使入口流量達到額定處理量4 m3/h，此時測試結果如圖3所示。

圖 3 單級CFU除油效果
（入口流量4 m3/h、入口含油52～95 mg/L）

入口污水的油質量濃度在52～95 mg/L時，單級CFU水力停留時間為2.5 min，單級CFU出水口的油質量濃度在10 mg/L以下，可低至6 mg/L，除油率保持在88.5%以上。

通過對比發現，當處理量較小達不到額定處理量時，雖然水力停留時間相對較長，但CFU的除油率整體卻較低。究其原因，在單級CFU有效容積和入口管徑一定的情況下，處理量越低旋流強度越弱，微細氣泡與分散相油滴徑向遷移引起的碰撞黏附機率也越小，除油率會相對下降。此范圍內旋流強度對除油率的影響程度要大于水力停留時間的影響程度，這也證實了旋流強度對除油效果的重要性。因此在設備的工程放大設計中，需要注意旋流強度的合理取值。

（3）當測試水源為自由水分離器水相出口生產水時，此時供水量和壓力得到保證，入口流量達到額定處理量4 m3/h，除油效果如圖 4所示。

圖 4 兩級串聯CFU除油效果
（入口流量4 m3/h、入口含油1 453～1 753 mg/L）

入口含油在1 453～1 753 mg/L，兩級串聯CFU，各單級CFU的水力停留時間均為2.5 min時，一級出水口的油質量濃度在200～400 mg/L，單級除油率基本維持在83%以上，二級出水口的油質量濃度在20 mg/L以下，總除油率保持在98%以上。

將研制的CFU與秦皇島32-6油田現場應用的常規處理設備進行處理效果對比，結果如圖5所示。

圖 5 CFU與現場常規處理設備的處理效果對比

由圖5可以看出，單級CFU在入口含油50～100 mg/L、水力停留時間2.5 min時的處理效果與現場應用氣浮選+核桃殼過濾相當，設備體積可減少50%以上；采用兩級CFU串聯，在入口含油1 350～ 2 300 mg/L、總水力停留時間為5 min時的處理效果與現場應用水工藝艙+斜板除油器+氣浮選+核桃殼過濾的效果相當，設備體積可減少50%以上。顯然，采用CFU可以減少水處理設施的串聯級數或大大減小設備體積，這對于海上油田而言極具應用優勢。

試驗采用的氣浮旋流一體化水處理技術小型樣機處理優勢明顯。然而對于水處理等流程工業而言，開發任何一個新的處理設備**后涉及到的問題一定是工程放大。結合試驗過程中遇到的問題及可能的工程需求，氣浮旋流一體化水處理技術在從小試樣機到工程放大過程中，需要注重以下兩個方面：

（1）現場試驗已證明小型樣機使用的微氣泡發生器結構可行，但隨著水處理量的增大，勢必要進行放大設計，但是僅等比例擴大微氣泡發生器內部微孔管管徑無法滿足注氣均勻性的要求；若通過多個單體的簡單并聯來實現大處理量的需求，不僅會增大占地面積，還會帶來操作和控制異常復雜的麻煩。因此需要開展大處理量微氣泡發生器的結構設計研究，以適應工程需要。

（2）設備放大過程中，如何在切向入口流速難以大幅提升的情況下在大處理量罐體內產生足夠的旋流強度，是必須考慮的問題，上述試驗結果也驗證了旋流強度對處理效果的重要性。因此，需要進一步優化內部結構，為大處理量下的高處理性能提供保障。

3 總結
（1）將弱離心力場同氣浮技術有效結合而研制的緊湊型氣浮裝置（CFU）具有水力停留時間短、處理效率高、占地面積小和能量消耗低等優勢，在生產水及其他含油污水處理領域具有廣闊的應用前景。

（2）秦皇島32-6油田的現場試驗結果表明， CFU能夠適用不同油質量濃度（50～2 500 mg/L）的生產水處理，且具有較高的處理效率，對于不同含油污水分別采用單級或兩級串聯可將油質量濃度控制在20 mg/L以下，**低可至6 mg/L。水力停留時間較常規水處理設備大大縮短，設備體積可減少至少50%。

（3）CFU現場試驗的良好表現為緊湊型氣浮技術的自主研發奠定了基礎，可從內部結構優化設計、放大設計準則建立等方面著手進行工程放大及產品系列化研發工作，為海上石油生產水的**處理助力，尤其為邊際油田開發、高含水油田開發提供技術支持。