อะไรคือเครื่องแยกสามระยะสนามน้ํามัน: การออกแบบ, Weir และการควบคุมอินเตอร์เฟส

เครื่องแยกสามเฟสในแหล่งน้ำมันคืออะไร: การออกแบบ การควบคุมแผ่นกั้นและส่วนต่อประสาน

ตอบคำถามหลัก: เครื่องแยกสามเฟสในแหล่งน้ำมันคืออะไร? เครื่องแยกสามเฟสในแหล่งน้ำมันคือถังแรงดันแนวนอนที่แยกกระแสจากหลุมผลิตออกเป็นก๊าซ น้ำมันดิบ และน้ำที่ผลิตได้ในเปลือกเดียว โดยใช้แรงโน้มถ่วงสำหรับทั้งสามเฟสและส่วนประกอบภายในเพื่อจัดการส่วนต่อประสานระหว่างน้ำมันกับน้ำ ก๊าซจะถูกแยกออกโดยขีดจำกัดความเร็วของ Souders-Brown ที่มีค่า K เท่ากับ 0.10-0.25 ม./วินาที ในขณะที่น้ำมันและน้ำจะถูกแยกออกโดยการตกตะกอน ซึ่งต้องใช้เวลาพำนัก 5-30 นาที ขึ้นอยู่กับความถ่วงจำเพาะ API ของน้ำมันดิบและความหนาแน่นของอิมัลชัน การแยกน้ำมันและน้ำใช้การจัดเรียงภายในสามแบบ: แผ่นกั้นที่กักชั้นน้ำมัน บ่อที่ด้านล่างของถังที่รวบรวมน้ำเมื่อปริมาณน้ำมีน้อย หรือการผสมผสานระหว่างถังและแผ่นกั้นเมื่อปริมาณทั้งสองมีนัยสำคัญ การควบคุมระดับส่วนต่อประสานเป็นองค์ประกอบที่สำคัญ และถังที่ออกแบบมาอย่างดีจะรักษาแถบควบคุมไว้ที่ 150-300 มม.

1. ส่วนประกอบภายใน: การแยกน้ำมัน-น้ำทำได้อย่างไร

มีการกำหนดค่าภายในสามแบบ และการเลือกขึ้นอยู่กับอัตราส่วนของน้ำต่อปริมาณน้ำมัน:

• การออกแบบแผ่นกั้น: การจัดเรียงที่พบบ่อยที่สุดสำหรับปริมาณน้ำที่คงที่และมีนัยสำคัญ แผ่นกั้นแนวตั้งจะถูกเชื่อมข้ามถังไปตามความยาวของถัง โดยด้านน้ำมันอยู่ต้นน้ำและด้านน้ำอยู่ปลายน้ำ ส่วนผสมน้ำมัน-น้ำจะไหลเข้าที่ปลายทางเข้า น้ำจะตกตะกอนอยู่ด้านล่างและน้ำมันจะสะสมอยู่ด้านบน และเมื่อระดับของเหลวสูงขึ้นเหนือแผ่นกั้น น้ำมันจะไหลล้นไปยังช่องด้านปลายน้ำ ซึ่งจะถูกดึงออกภายใต้การควบคุมระดับ น้ำจะถูกดึงออกจากด้านล่างของช่องทางเข้าภายใต้การควบคุมระดับส่วนต่อประสาน ความสูงของแผ่นกั้นจะกำหนดปริมาณน้ำมันและดังนั้นเวลาพำนักของน้ำมัน ซึ่งเป็นพารามิเตอร์ที่ควบคุมปริมาณน้ำที่แยกออกจากน้ำมัน ดังนั้นแผ่นกั้นจึงมีขนาดตามเวลาพำนักที่ต้องการ แทนที่จะเลือกตามอำเภอใจ ข้อเสียคือแผ่นกั้นจะกินปริมาตรของถังและสร้างช่องที่สามารถระบายออกได้ช้าๆ ในระหว่างการบำรุงรักษา
• การออกแบบบ่อ: ใช้เมื่ออัตราน้ำมีน้อยเมื่อเทียบกับน้ำมัน โดยทั่วไปต่ำกว่า 10-20% ของปริมาณน้ำ หรือเมื่อน้ำมาเป็นครั้งคราว แทนที่จะแบ่งถังตามยาว บ่อคือถังแนวตั้งหรือแนวนอนขนาดเล็กที่เชื่อมติดกับด้านล่างของเปลือกหลักใกล้กับปลายทางออก ซึ่งน้ำที่ตกตะกอนออกจากน้ำมันจะไหลลงไป ระดับน้ำมันจะถูกควบคุมในเปลือกหลัก และส่วนต่อประสานระหว่างน้ำมันกับน้ำจะถูกควบคุมภายในบ่อ และเนื่องจากบ่อมีขนาดเล็ก ส่วนต่อประสานจะตอบสนองอย่างรวดเร็วและควบคุมได้ง่ายกว่าในถังที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเต็ม บ่อมีราคาถูกและกะทัดรัด แต่ให้เวลาพำนักของน้ำจำกัด และไม่สามารถจัดการกับอัตราน้ำที่มากหรือผันผวนได้ ดังนั้นจึงเหมาะสำหรับบริการน้ำมันแห้งที่มีน้ำเป็นครั้งคราว แทนที่จะเป็นหลุมผลิตที่แก่และมีน้ำมาก
• การออกแบบถังและแผ่นกั้น: เมื่อปริมาณน้ำและน้ำมันมีปริมาณมากและเวลาพำนักทั้งสองมีความสำคัญ การจัดเรียงถังและแผ่นกั้นจะรวมทั้งสองเข้าด้วยกัน: แผ่นกั้นจะกักน้ำมันและให้เวลาพำนักของน้ำมัน ในขณะที่ส่วนถัง ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วคือช่องน้ำที่ขยายออก จะให้เวลาพำนักของน้ำที่จำเป็นสำหรับหยดน้ำมันที่จะลอยขึ้นจากน้ำและถูกกู้คืน แทนที่จะสูญเสียไป สิ่งนี้สำคัญเพราะน้ำที่ออกจากเครื่องแยกจะพกพาน้ำมันไปด้วย โดยทั่วไป 100-1,000 มก./ลิตร และน้ำมันนั้นทั้งเป็นการสูญเสียผลิตภัณฑ์และปัญหาในการกำจัด เวลาพำนักของน้ำที่นานขึ้นจะลดสิ่งนี้ลง และเนื่องจากขีดจำกัดการปล่อยน้ำที่ผลิตได้โดยทั่วไปคือ 20-40 มก./ลิตร ในหลายเขตอำนาจศาล ช่องน้ำและถังแยกน้ำหรือเครื่องแยกแบบหมุนเหวี่ยงที่อยู่ปลายน้ำจะถูกออกแบบร่วมกัน แทนที่จะแยกกัน
• อุปกรณ์ทางเข้า แผ่นกั้น และการสกัดหมอก: การแยกเริ่มต้นที่ทางเข้า ซึ่งอุปกรณ์แบบไซโคลน แบบใบพัด หรือแบบแผ่นกั้นธรรมดาจะกระจายโมเมนตัมของกระแสที่เข้ามาและทำการแยกก๊าซ-ของเหลวหยาบครั้งแรก การทำให้สิ่งนี้ถูกต้องเป็นมาตรการที่มีประสิทธิภาพที่สุดเพียงอย่างเดียว เพราะเจ็ตที่ทางเข้าซึ่งทำให้ของเหลวแตกตัวเป็นละอองจะสร้างหยดที่เล็กกว่าขนาดที่ออกแบบไว้มาก ซึ่งไม่ว่าเวลาพำนักจะนานเท่าใดก็ไม่สามารถตกตะกอนได้ แผ่นกั้นกระจายแบบมีรูตลอดถังจะทำให้ความเร็วของก๊าซเท่ากันและป้องกันการไหลเป็นช่องไปยังทางออก และตัวกำจัดหมอก ซึ่งเป็นแผ่นตาข่ายหรือชุดใบพัด จะกำจัดหยดละเอียดออกจากก๊าซก่อนที่จะออก ทางออกของของเหลวทุกแห่งจะมีอุปกรณ์ป้องกันการหมุนวน เพราะการหมุนวนที่ทางออกจะดึงก๊าซลงไปในท่อของเหลวและก่อให้เกิดปัญหาที่ถังมีไว้เพื่อป้องกัน

2. การคำนวณขนาดและการควบคุมเครื่องแยกสามเฟส

ต้องเป็นไปตามเกณฑ์อิสระสองประการ และการควบคุมส่วนต่อประสานเป็นสิ่งที่กำหนดว่าการออกแบบจะใช้งานได้จริงหรือไม่:

• ความจุของก๊าซ: ถังต้องกว้างและยาวพอที่ความเร็วของก๊าซจะต่ำกว่าขีดจำกัดของ Souders-Brown, v_max = K x sqrt((rho_L - rho_V) / rho_V), โดยมีค่า K เท่ากับ 0.10-0.25 ม./วินาที สำหรับถังสามเฟสแนวนอน ขึ้นอยู่กับอัตราส่วนความยาวต่อเส้นผ่านศูนย์กลางและตัวกำจัดหมอก พื้นที่ไหลของก๊าซคือหน้าตัดเหนือระดับของเหลว ดังนั้นจุดตั้งค่าระดับของเหลวจึงส่งผลโดยตรงต่อความจุของก๊าซ: ถังที่ทำงานด้วยระดับของเหลวสูงจะมีพื้นที่ก๊าซน้อยลงและความเร็วของก๊าซสูงขึ้น นี่คือเหตุผลว่าทำไมจุดตั้งค่าระดับจึงเป็นส่วนหนึ่งของการออกแบบ แทนที่จะเป็นความชอบในการปฏิบัติงาน ความจุของก๊าซมักจะควบคุมที่อัตราก๊าซสูงและในช่วงต้นของอายุการผลิตของแหล่งผลิต ในขณะที่เวลาพำนักของของเหลวจะควบคุมในภายหลังเมื่อปริมาณน้ำเพิ่มขึ้น
• เวลาพำนักของน้ำมันและน้ำ: ด้านของเหลวมีขนาดตามการตกตะกอน โดยใช้กฎของสโตกส์กับขนาดหยดที่เหมาะสม สำหรับหยดน้ำที่ตกตะกอนออกจากน้ำมัน ขนาดที่ออกแบบไว้โดยทั่วไปคือ 200-500 ไมโครเมตร และเวลาพำนักที่ต้องการขึ้นอยู่กับความหนืดของน้ำมันอย่างมาก นี่คือเหตุผลว่าทำไมน้ำมันดิบหนักที่ต่ำกว่าประมาณ 20 API จึงต้องการ 20-30 นาที ในขณะที่น้ำมันดิบเบาที่สูงกว่า 35 API อาจต้องการเพียง 5-10 นาที สำหรับหยดน้ำมันที่ลอยขึ้นจากน้ำ ขนาดที่ออกแบบไว้โดยทั่วไปคือ 150-300 ไมโครเมตร และเวลาพำนักมักจะอยู่ที่ 3-10 นาที ทั้งสองจะถูกตรวจสอบแยกกัน และความยาวของถังจะถูกกำหนดโดยข้อกำหนดที่ใหญ่กว่า อุณหภูมิช่วยทั้งสองอย่าง: การให้ความร้อนแก่กระแสที่อุณหภูมิ 40-70°C จะลดความหนืดของน้ำมัน เพิ่มความแตกต่างของความหนาแน่น และทำให้ฟิล์มระหว่างพื้นผิวไม่เสถียร ดังนั้นเครื่องแยกสามเฟสหลายเครื่องจึงมีขดลวดทำความร้อนหรืออยู่ก่อนเครื่องทำความร้อน
• การควบคุมระดับส่วนต่อประสาน: นี่คือจุดที่เครื่องแยกสามเฟสประสบความสำเร็จหรือล้มเหลว ส่วนต่อประสานระหว่างน้ำมันกับน้ำแทบจะไม่ใช่เส้นที่คมชัด แต่มักจะเป็นอิมัลชันแบนด์หนา 100-500 มม. ที่มีของแข็ง และตัวควบคุมต้องรักษาส่วนต่อประสานไว้ภายในถังในขณะที่แถบอิมัลชันขยายตัวและหดตัวตามอัตราและปริมาณสารเคมี การวัดความดันแตกต่างไม่เพียงพอเนื่องจากความแตกต่างของความหนาแน่นระหว่างน้ำมันกับน้ำมีน้อย ดังนั้นสัญญาณจึงอ่อนแอและช่วงจะถูกครอบงำโดยข้อผิดพลาด แทนที่จะใช้โพรบแบบคาปาซิแตนซ์หรือการนำไฟฟ้า เรดาร์แบบนำทาง หรือเครื่องวัดความหนาแน่นแบบนิวเคลียร์ในบริการที่รุนแรง การควบคุมแถบต้องกว้างพอที่จะใช้งานได้ โดยทั่วไป 150-300 มม. และทั้งระดับน้ำมันและส่วนต่อประสานต้องการการวัดที่เป็นอิสระพร้อมสัญญาณเตือน และสำหรับทางออกก๊าซ การตัดระดับสูง-สูง
• ปัญหาการปฏิบัติงาน: อิมัลชัน ทราย และโฟม: ปัญหาสามประการเป็นสาเหตุส่วนใหญ่ของข้อร้องเรียนด้านประสิทธิภาพ การสะสมของอิมัลชันที่ส่วนต่อประสาน ซึ่งจะขยายตัวจนครอบครองพื้นที่ส่วนใหญ่ของถังและในที่สุดก็จะไหลออกไปพร้อมกับทั้งน้ำมันและน้ำ จะถูกจัดการโดยการฉีดสารทำลายอิมัลชันต้นน้ำ โดยใช้ความร้อน โดยการระบายแถบอิมัลชันเป็นระยะผ่านหัวฉีดเฉพาะ และโดยการไม่ปล่อยให้แถบสะสมเป็นเวลาหลายเดือน ทราย ซึ่งตกตะกอนอยู่ใต้น้ำ จะลดปริมาตรที่ใช้งานได้และกัดกร่อนทางออก จะถูกกำจัดโดยการฉีด และในกรณีที่มีการผลิตทรายอย่างต่อเนื่อง โดยระบบจัดการทรายเฉพาะ โฟม ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อก๊าซแตกตัวออกจากน้ำมันหนืดหรือปนเปื้อน และสามารถเติมพื้นที่ไอระเหยและถูกพัดพาไปยังทางออกก๊าซ จะถูกควบคุมด้วยการฉีดสารป้องกันโฟม ด้วยอุปกรณ์ทางเข้าที่มีประสิทธิภาพ และโดยการรักษาระดับของเหลวไว้ต่ำกว่าจุดที่โฟมถึงตัวกำจัดหมอก

ตารางการกำหนดค่าภายในเครื่องแยกสามเฟส

คำถามที่พบบ่อย (FAQ)

Q: คุณคำนวณขนาดเครื่องแยกสามเฟสในแหล่งน้ำมันได้อย่างไร?

A: เกณฑ์อิสระสองประการ ซึ่งทั้งสองต้องเป็นไปตาม ประการแรก ความจุของก๊าซ: ใช้สมการ Souders-Brown ที่มีค่า K เท่ากับ 0.10-0.25 ม./วินาที เพื่อหาพื้นที่ไหลของก๊าซขั้นต่ำ โดยจำไว้ว่าพื้นที่ก๊าซคือหน้าตัดเหนือระดับของเหลว ดังนั้นจุดตั้งค่าระดับจึงเป็นข้อมูลการออกแบบ ประการที่สอง เวลาพำนักของของเหลว: สำหรับหยดน้ำขนาด 200-500 ไมโครเมตรที่จะตกตะกอนออกจากน้ำมัน ให้เผื่อเวลาพำนักตามความหนืดของน้ำมัน โดยทั่วไป 5-30 นาที ขึ้นอยู่กับความถ่วงจำเพาะ API และสำหรับหยดน้ำมันขนาด 150-300 ไมโครเมตรที่จะลอยขึ้นจากน้ำ ให้เผื่อเวลา 3-10 นาที ใช้ผลลัพธ์ที่ใหญ่ที่สุด ตรวจสอบกรณีการลดภาระที่ 30-50% ของการออกแบบ และยืนยันว่าแถบควบคุมส่วนต่อประสานมีอย่างน้อย 150-300 มม. API 12J ให้กรอบการทำงานของอุตสาหกรรม และเป็นแนวปฏิบัติที่ดีในการตรวจสอบกรณีปลายอายุการผลิตที่มีปริมาณน้ำสูงแยกจากกรณีอัตราก๊าซสูงในช่วงต้นอายุการผลิต

Q: ทำไมการควบคุมระดับส่วนต่อประสานจึงยาก?

A: สามเหตุผล ความแตกต่างของความหนาแน่นมีน้อย: น้ำมันดิบที่ 850 กก./ลบ.ม. เทียบกับน้ำที่ผลิตได้ที่ 1,020 กก./ลบ.ม. มีความแตกต่างเพียงประมาณ 17% ดังนั้นเครื่องส่งสัญญาณความดันแตกต่างที่มีความแม่นยำทั่วไปจึงให้สัญญาณที่มีข้อผิดพลาดสัมพัทธ์สูง และส่วนต่อประสานสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างมากก่อนที่ตัวควบคุมจะตอบสนอง ส่วนต่อประสานไม่ใช่เส้น แต่เป็นแถบ: ชั้นอิมัลชันหนา 100-500 มม. บางครั้งมากกว่านั้น จะก่อตัวขึ้นระหว่างเฟส และจะขยายตัวและหดตัวตามอัตรา อุณหภูมิ และปริมาณสารเคมี ดังนั้นตัวควบคุมจึงติดตามเป้าหมายที่เคลื่อนที่ แทนที่จะเป็นขอบเขตที่คงที่ และทางออกทั้งสองมีปฏิสัมพันธ์กัน: การดึงน้ำมากขึ้นจะทำให้ส่วนต่อประสานลดลง ซึ่งจะเปลี่ยนเวลาพำนักของน้ำมันและดังนั้นคุณภาพของน้ำมัน ดังนั้นทั้งสองลูปจึงต้องปรับจูนเข้าด้วยกัน แทนที่จะปรับจูนแยกกัน นี่คือเหตุผลว่าทำไมตัวตรวจจับส่วนต่อประสานแบบคาปาซิแตนซ์ การนำไฟฟ้า หรือนิวเคลียร์ จึงถูกนำมาใช้แทนเครื่องวัดความดันแตกต่าง

Q: แถบอิมัลชันคืออะไร และจัดการอย่างไร?

A: แถบอิมัลชันคือชั้นของอิมัลชันน้ำในน้ำมันหรือน้ำมันในน้ำที่ยังไม่แตกตัวซึ่งสะสมอยู่ที่ส่วนต่อประสาน ซึ่งทำให้เสถียรโดยแอสฟัลทีน เรซิน ของแข็งละเอียด และสารเคมีที่มีฤทธิ์พื้นผิว เกิดขึ้นเนื่องจากเวลาพำนักในถังไม่เพียงพอที่จะทำลายอิมัลชันที่เข้มงวดที่สุด ดังนั้นวัสดุที่ยังไม่แตกตัวจึงไม่มีที่ไปและสะสมอยู่ที่ขอบเขต หากปล่อยทิ้งไว้ มันจะขยายตัวจนครอบครองพื้นที่ของเหลวส่วนใหญ่ ลดเวลาพำนักที่มีประสิทธิภาพสำหรับทั้งสองเฟส และในที่สุดก็จะไหลออกไปพร้อมกับน้ำมัน ทำให้เกิดตะกอนและน้ำพื้นฐานที่ไม่ได้มาตรฐาน หรือไหลออกไปพร้อมกับน้ำ ทำให้เกิดน้ำมันในน้ำสูง การจัดการทำได้โดยการฉีดสารทำลายอิมัลชันต้นน้ำที่ 5-50 ppm โดยการให้ความร้อน โดยการระบายแถบเป็นระยะผ่านหัวฉีดเฉพาะที่อยู่ที่ส่วนต่อประสาน และโดยการไม่ปล่อยให้สะสมเป็นเวลาหลายเดือนระหว่างการแทรกแซง แถบที่สูงขึ้น ซึ่งวัดด้วยเครื่องวัดความหนาแน่นแบบนิวเคลียร์ หรืออนุมานจากการอ่านค่าส่วนต่อประสานที่ลอย เป็นสัญญาณเตือนล่วงหน้าของปัญหาเกี่ยวกับสารทำลายอิมัลชันหรือความเข้ากันได้ของสารเคมี

Q: เครื่องแยกสามเฟสสามารถให้คุณภาพได้เท่าใด?

A: ตัวเลขทั่วไป ซึ่งขึ้นอยู่กับน้ำมันดิบและเวลาพำนักอย่างมาก คือน้ำในน้ำมัน 0.5-5% ที่ทางออกน้ำมัน และน้ำมันในน้ำ 100-1,000 มก./ลิตร ที่ทางออกน้ำ โดยมีการกวาดก๊าซต่ำกว่า 0.1 แกลลอนสหรัฐฯ ต่อล้านลูกบาศก์ฟุตมาตรฐาน นั่นไม่เพียงพอสำหรับการขายหรือการกำจัด: น้ำมันดิบสำหรับขายต้องการตะกอนและน้ำพื้นฐานต่ำกว่า 0.5% และเกลือต่ำกว่า 10 ปอนด์ต่อพันบาร์เรล ซึ่งจะทำได้ในเครื่องทำความร้อนและเครื่องแยกเกลือด้วยไฟฟ้า ในขณะที่ขีดจำกัดการปล่อยน้ำที่ผลิตได้หรือการฉีดกลับมักต้องการน้ำมันในน้ำต่ำกว่า 20-40 มก./ลิตร ซึ่งจะทำได้ด้วยถังแยกน้ำ เครื่องแยกแบบหมุนเหวี่ยง หรือเครื่องลอยก๊าซแบบเหนี่ยวนำ ดังนั้นเครื่องแยกสามเฟสจึงเป็นขั้นตอนการกำจัดส่วนใหญ่ที่มีหน้าที่ทำให้อุปกรณ์ปลายน้ำมีขนาดเล็กและเชื่อถือได้ ไม่ใช่การผลิตน้ำมันที่ขายได้และน้ำที่กำจัดได้ด้วยตัวเอง