簡述自動出油排水裝置設(shè)計理念與應(yīng)用實驗
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摘要：提出了自動出油排水裝置的設(shè)計理念；通過對原有收油裝置與本設(shè)計裝置的工藝流程對比分析，驗證了此裝置設(shè)計理念的高效性與環(huán)保性及科學性與先進性；通過工業(yè)應(yīng)用實驗與統(tǒng)計分析，驗證了裝置的實用節(jié)能性。從而為油田、煉廠、化工廠污水處理或油水儲罐系統(tǒng)提供了一種高效、節(jié)能、環(huán)保的輸油設(shè)備，該設(shè)備可以應(yīng)用在沉降罐或沉降池中收取油水混合物或兩種不溶液體分離后的上層漂浮液體。
論文關(guān)鍵詞：收油裝置,浮子,油水分離,污水處理,儲罐
目錄
1.引言…………………………………………………………………………… 1
2.自動出油排水裝置設(shè)計理念……………………………………… 2
2.1 自動出油排水裝置主要結(jié)構(gòu)……………………………………… 2
2.2 基本設(shè)計計算方法……………………………………………………… 3
2.3 自動出油排水裝置工藝原理……………………………………… 5
2.4模型展示………………………………………………………………… 6
2.5動態(tài)模擬仿真…………………………………………………………… 7
3.原有收油工藝流程與新收油工藝流程對比分析…………………… 8
3.1 原有收油工藝流程……………………………………………………… 8
3.2自動出油排水工藝流程…………………………………………… 8
3.3自動出油排水裝置與原收油裝置對比分析……………………… 9
4.自動出油排水裝置應(yīng)用實驗節(jié)能統(tǒng)計分析…………………… 9
5.結(jié)論…………………………………………………………………………… 11
參考文獻………………………………………………………………………… 11
附錄……………………………………………………………………………… 12
1.引言
污水處理是油品生產(chǎn)及儲運過程中的一個重要環(huán)節(jié)。在油品生產(chǎn)及儲運過程中，不可避免地會產(chǎn)生大量的含油污水，而對含油污水進行處理，則既可以保護環(huán)境，又滿足了油品生產(chǎn)和儲運場所的防火防爆的安全要求。
污水沉降罐是油水初步分離的主要設(shè)備之一，它是將含油污水收集在沉降罐中，然后利用油水密度的不同，通過重力沉降的方式進行油水的初步分離。在處理油水分離過程中，經(jīng)一、二級沉降，分別有大量的油水分離出，形成浮油�，F(xiàn)有污水罐及沉降罐，設(shè)有固定收油槽，污水罐工作時收油槽浸沒在浮油層里，收油時只要打開收油閥門就可把油收出來[1,2]。
但是，由于固定收油槽是設(shè)置在罐內(nèi)的一定高度，只有當油高于收油槽時方可收取，低于收油槽時，油無法排除，即收油槽以下油品無法收凈，剩余的油將隨污水的排放一并排出，給后序的水處理造成了很大的困難。如果污油量大，罐內(nèi)上層易形成老化油，這對油品的收取存在很大的影響，特別是在冬季溫低季節(jié)或寒冷地區(qū)，罐內(nèi)的溫度較低時，罐內(nèi)的浮油會形成大量的老化油，無法排出，老化油的厚度會隨著溫度的降低而逐漸增大，當老化油達到一定厚度時，會將固定收油槽堵死，使其儲罐無法正常使用[3]。
根據(jù)資料及市場調(diào)研，目前中國石油行業(yè)儲罐或沉降池中大部分還在使用固定收油槽收取浮油，有少量使用浮動出油裝置，但目前的浮動出油裝置在使用過程中誤差過大，容易在液表面留有大量的油品而無法排出；在國際市場上，一些周邊國家在建罐時，大部分還是采用原有的收油方式[4,5]。
本文論述的設(shè)計理念與應(yīng)用實驗成功地解決了目前生產(chǎn)實際中存在的上述問題。即設(shè)計了一種自動出油排水裝置，安裝于罐體或容器內(nèi)部。在污水罐或沉降罐中采用自動出油排水裝置，可以收取罐內(nèi)任意高度層面上的漂浮液體，可以最大量地收取浮油，不受液位限制，有效地解決了油品排放不及時或排油受液位限制的問題，做到有油即排，對環(huán)保、安全起到了一定保證。
2.自動出油排水裝置設(shè)計理念
2.1 自動出油排水裝置主要結(jié)構(gòu)
自動出油排水裝置基本結(jié)構(gòu)主要由主浮子、伴熱盤、平衡浮子及收油口、回轉(zhuǎn)接頭、輸油管、限位線、熱源管、進熱口、出熱口等構(gòu)件組成，并且伴熱盤設(shè)置在收油口處。當罐內(nèi)液體液位發(fā)生變化時，整體裝置在主浮子浮力作用下，繞回轉(zhuǎn)接頭上下運動。并且收油
�。╝） （b）
圖2.1自動出油排水裝置主要構(gòu)件
口始終處于油層中收取表面浮油。詳見圖2.1浮動伴熱收油裝置主要構(gòu)件，圖2.1(a)反映了儲罐內(nèi)無油水混合液時裝置的靜平衡狀態(tài)；圖2.1(b)反映了儲罐內(nèi)注入油水混合液時裝置的動平衡狀態(tài)。
2.2 基本設(shè)計計算方法
自動出油排水裝置的基本設(shè)計計算包括：中部轉(zhuǎn)動點受力
, 收油口處平衡浮子浮力
, 主浮子浮力
, 伴熱盤傳熱面積S及熱流體流速
�；剞D(zhuǎn)接頭采用通用產(chǎn)品。設(shè)計初始數(shù)據(jù)為：存儲介質(zhì)及密度，儲罐高度，儲罐內(nèi)徑，液位工作范圍，出油口公稱直徑，出油口中心距罐底高度。
首先將裝置處于浮動平衡的狀態(tài)抽象為圖２.2的設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖，圖2.3的下輸油臂AB桿件的受力圖，圖2.4的上浮動臂受力圖。在圖2.2中A、B為回轉(zhuǎn)接頭部位；在圖2.3中，
為下輸油臂等構(gòu)件的重力，
為下輸油臂的重力點距轉(zhuǎn)動部位A的距離，
為下輸油臂總長。為支撐點B受力。A點為罐底轉(zhuǎn)動支撐點；在圖2.4中，
為上浮動臂的長度，
為上輸油臂的重力，
為其重力點距轉(zhuǎn)動部位B的距離，
為收油口及其伴熱盤與附件重力。
則：
(1)計算中部轉(zhuǎn)動點受力=（
×）/； （2-1）
(2)計算收油口處平衡浮子浮力
=（×）/－ （2-2）
=(-)×/ （2-3）
此浮力計算按油水混密度計算，即=
gv （2-4）
式中，v為平衡浮子體積（
）；
為混合液體密度（㎏/m3）；g為重力加速度（N/㎏）；
圖2.2設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖
圖2.3下輸油臂AB桿件受力圖 圖2.4上浮動臂受力圖
(3) 計算主浮子浮力 保證：＞（+
） （2-5）
(4) 計算伴熱盤傳熱面積
及熱流體流速：
(4.1)根據(jù)傳熱公式：
=
·
·
，
=
-
（2-6）
式中，為傳熱系數(shù)，
/（
·
）；為伴熱盤任意截面上熱流體的平均溫度（
）；
為凝固油層的溫度（）;
(4.2)根據(jù)公式：
=
·
·
，=
-
（2-7）
式中，
為將油品溶化所需的能量；
為油品的比熱容，
/（kg·℃）；為油品液態(tài)時的溫度；
(4.3)根據(jù)公式
=·（
—
）·
； （2-8）
式中，為熱流體質(zhì)量流量（kg·h）；
為熱流體的比熱容，
/（kg·
）；為熱流體流動能量（
）；
(4.4)如果流速一定，可調(diào)節(jié)伴熱盤面積進行凝固油溶化，則計
算伴熱盤面積
：
根據(jù)能量守恒定律得：
= 
，即C·
·
= ·
·
=-
，
=
-
，
、
、
、
、
為已知參數(shù)。
則傳熱面積為：
（2-9）
(4.5)如果伴熱盤面積
一定，可根據(jù)調(diào)節(jié)熱流體流量進行凝固油溶化，計算流量：
根據(jù)能量守恒定律得：
= ，C·
·
= ·（-
）·
，則：
（2-10）
2.3 自動出油排水裝置工藝原理
根據(jù)液體阿基米德浮力原理，當罐內(nèi)充有油水混合液體時，整體裝置受浮子的浮力作用，繞回轉(zhuǎn)接頭作上下運動。并且收油口始終浸在油層中收取表面浮油，通過回轉(zhuǎn)接頭、輸油管、出油管排出罐外。其工藝原理如圖2.5所示：
�。�1）當罐內(nèi)充有混合液體時，整體裝置受主浮子的浮力而浮起，此時油水處于混合狀態(tài)，平衡浮子及收油口處于表面處。如圖2.5（a）所示。此時不排油。
（2）當污水進罐后，由于油水密度的不同，重力沉降使油水初步分離，油水分離后油品處于上層，形成浮油，此時收油口正好處于油水界位上端且浸沒在油層中，且可收取表面浮油。收油裝置所處的位置如圖2.5(b)所示。如有老化油形成，可由本裝置對其加熱，將凝固油層溶化成液態(tài)再次收取。
�。�3）當上層油品被收凈后，由于自動出油排水裝置所受浮力作用而使收油口又露出液面，此時停止排油。收油裝置所處的位置如圖2.5(c)所示。
�。╝） （b）
�。╟）
圖2.5自動出油排水裝置工藝原理
（4）如果儲罐內(nèi)污油量大，罐內(nèi)上層易形成老化油，這時對油品的收取存在很大的影響，特別是在氣溫低季節(jié)或寒冷地區(qū)，罐內(nèi)的溫度較低時，罐內(nèi)會形成較大量的老化油，無法排出，老化油的厚度會隨著溫度的降低而逐漸增大，當老化油達到一定厚度時，會將固定收油槽堵死，使其儲罐無法正常使用。此時啟用伴熱系統(tǒng)，熱能通過熱源管、伴熱盤、進熱口與出熱口的循環(huán)供熱，將老化油溶解成液態(tài)后收油。
2.4模型展示
根據(jù)以上原理，以汽油和水的混合液體代替工業(yè)混合液體，有機玻璃罐體替代儲液罐體，由已知數(shù)據(jù)計算出模型尺寸，并制作和安裝模型，模擬自動出油排水裝置在工業(yè)中收油過程，觀察收油過程并記錄收油結(jié)果，驗證自動出油排水裝置的特有優(yōu)點和高效收油效率。實驗?zāi)Ｐ偷氖沼瓦^程如圖2.6所示，模型動態(tài)收油記錄過程：模型演示.mpg
�。╝）注入混合液前 （b）注入混合液后 （c）油水分層
（d）收油過程 （e）收油結(jié)束
圖2.6實驗?zāi)Ｐ褪沼脱菔?br>
通過實驗得出：自動出油排水裝置收油效率高達99.6%以上，收油過程不受也為限制，當罐內(nèi)液體液位發(fā)生變化時，整體裝置受浮子的浮力作用下而繞回轉(zhuǎn)接頭做上下運動。并且收油口始終浸在分離后的油層中，收取表面浮油。裝置無卡死現(xiàn)象，有油即排等特有優(yōu)點。
2.5動態(tài)模擬仿真
為了更加清晰闡釋自動出油排水裝置的收油原理和收油過程，特采用Autolisp語言對自動出油排水裝置的自動出油排水過程進行了動態(tài)模擬仿真。動態(tài)模擬仿真記錄過程：模擬仿真.mpg
3.原有收油工藝流程與新收油工藝流程對比分析
3.1 原有收油工藝流程
原有沉降儲罐大部分都是采用固定收油槽收取表面浮油，因此在油品分離沉降后，只有當罐內(nèi)液位達到收油槽的高度以上才能將油排出。往往會由于水位高于收油槽的高度，從而排出的油品帶有一定的水分，因此還需下級沉降處理；而當液位過低時又會有一部分油品排不出，所以給油品的輸送及急需都帶來了不便。由此還需多級沉降處理，才能分離出合格的油品[5,6,7]。其污水處理收油工藝流程示意圖如圖3.1所示:原油收油工藝流程 油品→沉降罐（多級沉降）→油品（合格）
圖3.1固定收油槽污水處理收油工藝流程示意圖
3.2自動出油排水工藝流程
自動出油排水裝置工藝流程：該裝置安裝于儲罐內(nèi)部，當罐內(nèi)液體液位發(fā)生變化時，整體裝置受主浮子的浮力作用下而繞回轉(zhuǎn)接頭做上下運動，并且收油口始終浸在分離后的油層中。收取表面浮油通過回轉(zhuǎn)接頭、輸油管、出油管排出罐外。
當溫度下降出現(xiàn)老化油形成時，可由本裝置的伴熱系統(tǒng)對其加熱，將凝固油層溶化成液態(tài)再次收取。其污水處理收油工藝流程示意圖如圖3.2所示。
圖3.2自動出油排水裝置污水處理收油工藝流程示意圖
3.3自動出油排水裝置與原收油裝置對比分析
由圖3.1與圖3.2收油工藝流程的對比分析可以明顯的出如下結(jié)論：
�。�1）自動出油排水裝置工藝流程簡潔，設(shè)備占地面積大大減少，設(shè)備成本大大降低。因此，設(shè)計理念合理。
�。�2）自動出油排水裝置在排油問題上不受液位限制，有油即排，提高了收油排油效率，極大減少了后續(xù)水處理的難度。因此，設(shè)計理念科學。
�。�3）自動出油排水裝置，由于采用浮動收油，因此能夠收凈任意位置的浮油；不但提高了油品的純度，同時還解決了長期以來排水帶油的環(huán)保問題。因此，設(shè)計理念先進。
�。�4）收油口與液面的接觸面積增大，并且收油口距液面的高度減小。
提高了收油效率.
4.自動出油排水裝置應(yīng)用實驗節(jié)能統(tǒng)計分析
根據(jù)本文的設(shè)計理念，進行了實驗室演示裝置設(shè)計實驗與工業(yè)應(yīng)用實驗裝置設(shè)計實驗。
在工業(yè)應(yīng)用實驗中，自動出油排水實驗設(shè)備分別先后放在體積為1000立方米、3000立方米和5000立方米，材質(zhì)為碳鋼的儲罐中進行工業(yè)實驗，其出油口直徑分別對應(yīng)100毫米、200毫米和400毫米，原油污水經(jīng)深度處理后，回用熱采鍋爐給水具有可觀的經(jīng)濟效益。主要體現(xiàn)在節(jié)省清水費、節(jié)省無效注水費和節(jié)省熱能這三個方面。假設(shè)取平均工程規(guī)模處理量為3000m3/d，即當每天處理量為3000m3時，根據(jù)大慶油田采油＋現(xiàn)場調(diào)查分析統(tǒng)計得出表4.1數(shù)據(jù)：
表4.1數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計表
費用名稱
數(shù)值
處理量（m3/d）
合計（元/m3·d）
合計（萬元/m3·Y）
節(jié)省清水費（元/m3）
2.25
3000
26，400.00
5670
節(jié)省無效注水費（元/m3）
3.55
節(jié)省熱能（元/m3）
3.0
以上三項合計8.8元/m3，每年節(jié)省供水供熱費用約合人民幣5670萬元。充分體現(xiàn)了節(jié)能型設(shè)計理念[8]。圖4.1為自動出油排水裝置在儲罐內(nèi)安裝現(xiàn)場；圖4.2為裝置中的平衡浮子及收油口；圖4.3為工業(yè)應(yīng)用實驗中的主浮子與平衡浮子；圖4.4為工業(yè)應(yīng)用實驗中平衡浮子收油一角。
圖4.1 自動出油排水裝置在儲罐內(nèi)安裝現(xiàn)場 圖4.2裝置中的平衡浮子及收油口
圖4.3工業(yè)實驗中的主浮子與平衡浮子 圖4.4工業(yè)實驗中平衡浮子收油一角
5.結(jié)論:
本文論述的自動出油排水裝置設(shè)計理念以及對工藝流程比分析和工業(yè)應(yīng)用實驗，驗證了新裝置的合理性和有效性。該裝置可隨液位的變化而上下浮動，不受液體液位限制，隨時收油；根據(jù)液體流動性，無論油層多厚，均可收到；設(shè)備使用方便，運轉(zhuǎn)靈活，可防止由于凝固油層的形成而影響收油的現(xiàn)象發(fā)生；為油田、煉廠、化工廠等污水處理系統(tǒng)的油品儲運提供一種高效、節(jié)能、環(huán)保的專用輸油設(shè)備。
6.致謝:
感謝長期以來對本作品辛勤付出的各位老師，以及為此作品給予幫助的科研團隊。
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