БЛОК ФИЛЬТРОВ ДЛЯ ОЧИСТКИ МОРСКОЙ ВОДЫ ОТ ВЗВЕШЕННЫХ ВЕЩЕСТВ И НЕФТИ НА НЕФТЕБУРОВОЙ ПЛАТФОРМЕ

Предлагаемый блок фильтров для очистки морской воды от взвешенных веществ и нефти на нефтебуровой платформе (далее по тексту - Блок) относится к технологии очистки морской воды на объектах, эксплуатирующихся в экстремальных природных условиях, например, во льдах за Полярным кругом.
Необходимость доочистки морской воды вызвана тем, что морская вода используется в технологии нефтедобычи, например, для заполнения манифольдов (специальных накопительных резервуаров), в качестве охлаждающей среды различного производственного оборудования, в санитарных системах и др., а природная морская вода в прилегающей к платформе акватории сильно загрязнена взвешенными веществами и нефтепродуктами. Условия эксплуатации диктуют повышенные требования к водоочистному оборудованию в части его работоспособности при воздействии низких температур окружающего воздуха и вибрационных нагрузок от работающих на платформе механизмов, надежности, экологической безопасности и др. требования.
Известны патронные фильтры для очистки воды от дисперсных примесей (см., например, каталог «Фильтры для жидкостей», изд. ЦИНТИхимнефтемаш, Москва, 1990 г., с.20-34). Фильтрующие патроны представляют собой перфорированную трубу, поверх которой натянут рукав из фильтровальной ткани. Фильтры применяются по отдельности или блоками из нескольких фильтров, снабженных системой автоматики и контроля.
Известны также емкостные фильтры, работающие под давлением, содержащие цилиндрический корпус и фильтрующую загрузку, например, кварцевый песок, расположенную между двумя дренажными решетками, одна из которых подвижная (см. там же, стр.38-39).
Такие фильтры не пригодны для очистки морской воды, загрязненной взвешенными веществами и нефтепродуктами, по причине низкой степени
очистки и невозможности эффективной регенерации при эксплуатации на нефтебуровой платформе.

Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого технического решения является блок фильтров Metrol Sea-Sereen английской фирмы «PETRECO» (см. информацию на сайте WWW.PETRECO INTL.СОМ и рекламные проспекты фирмы). Блок применяется в системах очистки морской воды, в том числе и на нефтебуровых платформах. Блок фильтров работает по принципу грубой механической фильтрации на сетчатых фильтрующих элементах и периодической их регенерации противотоком исходной воды.
Блок включает ряд гидравлически соединенных между собой фильтров в виде вертикальных цилиндрических корпусов со съемными крышками и патрубками для подвода и отвода воды, внутри которых над поверхностью трубной перегородки своим нижним концом закреплены фильтрующие элементы (барабаны). Элементы изготовлены в виде перфорированной цилиндрической трубы с глухим верхним и открытым нижним концом, на поверхность которой навита проволока треугольного сечения. Проволока ориентирована так, что основание треугольника прилегает к поверхности перфорированной трубы, а вершины треугольников в сечении проволоки и, соответственно, клиновидные зазоры между витками обращены наружу по отношению к фильтрующему элементу. Проволока навита с зазором между витками, образующими фильтровальные щели, например, 80 мкм. По центру фильтрующего элемента располагается вертикальный электроприводной полый вал, к которому крепятся скребки, прилегающие к внутренней поверхности элемента и соединенные с полостью вала. Полость вала в свою очередь соединена с системой осушения. Блок фильтров снабжен также коллекторами для подвода и отвода воды, электромагнитными клапанами, перепадомером, системами осушения и вентиляции.
Исходная морская вода подается в блок по входному коллектору, далее в каждый корпус под трубную перегородку, вовнутрь фильтрующих элементов. Проходя через фильтровальные щели в направлении изнутри элемента - наружу, вода очищается и по выходному коллектору отводится на потребление. При этом на внутренней поверхности элемента вблизи фильтровальных щелей задерживаются механические примеси размером более 80 мкм.
По мере засорения фильтровальных элементов по сигналу перепадомера включается система регенерации: открывается автоматический клапан на линии сброса промывной воды и одновременно включается электропривод полого вала: система скребков начинает перемещаться по внутренней поверхности фильтрующих элементов. За счет перепада давления (снаружи фильтрующих элементов, т.е. в корпусе, действует рабочее давление морской воды, а внутри - в зоне прилегания скребка - атмосферное) частицы загрязнений с внутренней поверхности элемента засасываются в полый вал, а из него отводятся в систему сброса промывной воды. После выполнения
одного полного оборота привод вала автоматически выключается, а электромагнитный клапан на линии сброса промывной воды закрывается. При этом вся рабочая поверхность фильтрующего элемента очищена. Далее рабочий цикл повторяется.
Блок фильтров фирмы «PETRECO» имеет следующие недостатки:
1. Недостаточная степень очистки воды от дисперсных примесей и нефтепродуктов, что обусловлено примененным в блоке чисто механическим принципом задержания частиц.
2. Недостаточная удельная (на единицу габаритного объема Блока) грязеемкость фильтрующего элемента и, как следствие - сравнительно малая пропускная способность Блока, что объясняется принятым направлением потока воды через элемент (изнутри - наружу) и необходимостью размещения внутри фильтрующего элемента системы скребков и приводного вала.
3. Недостаточная степень регенерации фильтрующих элементов, что обусловлено:
- постепенным накоплением осадка в клиновидных фильтровальных щелях, особенно с период обратной промывки,
- жесткостью (неподатливостью) каркаса фильтрующего элемента,
- отсутствием системы сжатого воздуха,
- отсутствием факторов, разрушающих нефть.
4. Конструктивная сложность блока, что связано с использованием подвижных механизмов внутри каждого фильтрующего элемента и систем электропривода.
5. Повышенный расход промывной воды.
6. Возможность обрастания Блока морскими микроорганизмами.
7. Загрязнение окружающей среды нефтью, особенно, при обратной промывке.
Техническим результатом, ожидаемым от использования заявляемой полезной модели является возможность:
- повысить качество очистки морской воды,
- повысить грязеемкость фильтрующих элементов и удельную пропускную способность Блока,
- повысить эффективность регенерации фильтрующих элементов и обеспечить защиту Блока от обрастания морскими микроорганизмами,
- упростить конструкцию Блока,
- снизить расход промывной воды,
- уменьшить загрязнение окружающей среды нефтью.
Указанный результат достигается тем, что фильтрующие элементы изготовлены из титановых сплавов в виде гофрированной в поперечном направлении трубы с продольными по ее длине гребнями и впадинами, и сквозными отверстиями, расположенными во впадинах, поверх которой навита проволока, частично сплющенная по диаметру, причем, на одной из двух плоскостей, образованных при сплющивании, периодически выполнены поперечные пазы (ступени) глубиной 0,05...0,1 от диаметра проволоки. Проволока навита на трубу плотно, виток к витку так, что витки касаются друг друга по плоскости сплющивания, а поперечные пазы образуют фильтровальные щели фиксированного размера. При этом габаритные размеры фильтрующих элементов выполнены, исходя из соотношения:
L/D≥15, где:
L - длина фильтрующего элемента от трубной перегородки до кромки свободного (не соединенного с трубной перегородкой) конца;
D - наружный диаметр элемента по виткам проволоки.
1
2
Кроме того, Блок укомплектован: узлом электролитического хлорирования морской воды, состоящим, например, из электрохимического генератора хлора (ЭХГ) и насоса - дозатора, напорный патрубок которого соединен с подводящим коллектором, и узлом принудительной химпромывки, состоящим, например, из реактора-растворителя, подогревателя и циркуляционного насоса и выполненным с возможностью поочередного соединения его с полостью каждого корпуса. Узел химпромывки размещен в пространстве между входным и выходным коллекторами. На каждом цилиндрическом корпусе установлен дополнительный патрубок с возможностью поочередного соединения его либо с внешней системой сжатого воздуха, либо с системой осушения, причем, дополнительный патрубок размещен из условия Н<H, где:
1
H - расстояние от патрубка до трубной перегородки;
2
Н - расстояние от трубной перегородки до первого (самого верхнего) сквозного отверстия в трубе фильтрующего элемента.
Система осушения снабжена также быстрозапорным клапаном.
Предлагаемая полезная модель Блока поясняется чертежами, на которых изображено:
на фиг.1 - схема гидравлическая принципиальная Блока,
на фиг.2 - корпус фильтра и его элементы.
Блок фильтров (фиг.1, 2) включает ряд гидравлически соединенных между собой фильтров Ф1...Ф5 в виде цилиндрических корпусов 1 со съемными крышками 2 и патрубками 3 и 4 для входа и выхода морской воды. Внутри корпуса имеется трубная перегородка 5, на которой вертикально закреплены фильтрующие элементы 6, изготовленные из титановых сплавов. Каждый элемент выполнен в виде гофрированной в поперечном направлении трубы 7 с продольными по ее длине гребнями и впадинами и сквозными отверстиями 8, расположенными во впадинах. Верхний ряд сквозных
2
отверстий расположен на расстоянии Н от трубной доски. Поверх гофрированной трубы плотно, виток к витку, навита проволока 9, частично сплющенная по диаметру, причем, на одной из двух плоскостей, образованных при сплющивании, периодически выполнены поперечные пазы (ступени) 10 глубиной 0,05...0,1 от диаметра проволоки. Витки касаются друг друга по плоскости сплющивания, а поперечные пазы образуют сквозные отверстия (фильтровальные щели) 11. Для навивки может быть использована, например, титановая проволока диаметром 0,87 мм. При этом сплющивание выполняется на 10...15% от первоначального диаметра, например, от диаметра 0,87 мм до размера 0,77 мм. Глубина поперечных пазов составляет, например, 10% от толщины сплющенной проволоки, т.е. в нашем примере - 0,07...0,08 мм. После навивки такой проволоки гарантированная ширина фильтровальных щелей и, следовательно, тонкость фильтрации составляет 80 мкм.
Нижний конец фильтрующего элемента 6 запаян, а верхним концом элемент жестко закреплен на трубной перегородке так, что полость корпуса 1 соединяется с полостью крышки 2 через фильтровальные щели 11. Длина элемента L выбрана из соотношения L/D≥15, где:
D - диаметр фильтрующего элемента по навитой проволоке.
Указанное соотношение позволяет нижнему (незакрепленному) концу фильтрующего элемента вибрировать при проведении "шоковой промывки", а также при воздействии на Блок внешних вибраций от работающих на буровой платформе механизмов.
1
2
На каждом корпусе 1 установлен дополнительный патрубок 12, к которому подключена система сжатого воздуха через клапан 13 и система осушения через быстрозапорный клапан (БЗК) 14. Патрубок 12 может быть поочередно соединен либо с трубопроводом сжатого воздуха, либо с системой осушения. Расположение патрубка 12 на корпусе выбрано из условия Н<Н, где:
1
H - расстояние от патрубка до трубной перегородки;
2
Н - расстояние от трубной перегородки до самого верхнего ряда сквозных отверстий в трубе 7 фильтрующего элемента 6.
Корпуса 1 связаны между собой коллекторами подвода морской воды 15 и отвода морской воды 16, оснащенных запорной арматурой, например, поворотными заслонками 17.
Для очистки морской воды от нефти и предотвращения обрастания Блока морскими микроорганизмами предусмотрен узел электрохимического хлорирования 18, включающий, например, электрохимический генератор хлора (ЭХГ) 19 и насос-дозатор 20, соединенный с подводящим коллектором 15с помощью трубопроводов и запорной арматуры 21. ЭХГ работает на
принципе образования раствора гипохлорита натрия (сильный окислитель) и газообразных продуктов электролиза (кислород, водород, хлор и др.).
Блок оснащен также узлом химпромывки 22, необходимым для периодической комплексной обработки Блока, а также для ликвидации сильных загрязнений, попадающих в Блок в аварийных ситуациях, например, при аномальных выбросах нефти в промысловую акваторию. Узел включает, например, реактор - растворитель 23, подогреватель раствора 24, циркуляционный насос 25, трубопроводы и арматуру 26. В качестве химраствора могут быть использованы кислоты, щелочи, поверхностно-активные вещества (ПАВ) и др. Узел химпромывки размещен в пространстве между коллекторами подвода и отвода морской воды 15 и 16, что продиктовано наиболее рациональным компоновочным решением: данное пространство в Блоке не занято никаким другим оборудованием. Кроме того, длина трубопроводов для соединения узла 22 с корпусами 1 в данном случае будет минимальной. Узел электрохимического хлорирования воды может быть размещен в этом же пространстве, либо в отдельном специально оборудованном помещении.
Блок включает также вспомогательные краны 27 для вентиляции и 28 для осушения корпусов 1. Краны могут быть ручные, либо автоматические. Для измерения гидравлического сопротивления Блока служит перепадомер 29. Блок смонтирован на единой раме (на фиг. не показана).
Блок фильтров работает следующим образом (фиг.1 и 2). Морская вода, содержащая взвешенные вещества и нефтяные загрязнения, из коллектора 15 через патрубок 3 под напором 1...1,5 МПа подается в корпус 1. Проходя через узел 18, морская вода обогащается сильным окислителем - гипохлоритом натрия с концентрацией активного хлора 5...10 мг/л и газообразными продуктами электролиза, которые сразу же взаимодействуют с нефтяными загрязнениями. В результате химических процессов окисления большая часть углеводородов денатурируется и переходит в неорганические вещества, а газообразные вещества, действуя как флотоагент, участвуют в процессах флотации неразрушенных молекул нефти, их агрегатирования и коалесценции (слипания). Одновременно сильным окислителем подавляются морские микроорганизмы, способствующие биологическому обрастанию поверхностей, контактирующих с морской водой.
В корпусе 1 морская вода проходит через фильтровальные щели 11 элементов 6, очищается от механических примесей и частиц нефти размером более 80 мкм и попадает в полость крышки 2, откуда через патрубок 4 и коллектор 16 отводится к потребителям. Неразрушенные частицы нефти всплывают и накапливаются в пространстве между нижней поверхностью перегородки 5 и верхним рядом сквозных отверстий 8 в фильтрующем элементе 6.
По мере загрязнения фильтрующих элементов 6 гидравлическое сопротивление фильтров повышается, срабатывает перепадомер 29, и Блок автоматически переводится в режим регенерации. Регенерация выполняется по принципу «шоковой промывки». Вход и выход воды с помощью заслонок 17 перекрывается. Открывается кран 27, а затем и кран 28, и корпус 1 начинает осушаться. Давление воды в корпусе падает от рабочей величины (1...15 МПа) до атмосферного значения. При этом происходит интенсивная дегазация - выход из воды растворенного хлора и переход его в газообразное состояние. Хлор-газ накапливается в полости под крышкой 2. Сброс воды продолжается до тех пор, пока уровень воды в корпусе не достигнет кромки патрубка 12. Далее кран 27 закрывается и открывается клапан 13 подачи сжатого воздуха. Под рабочим давлением сжатого воздуха 0,5...0,6 МПа вода, обогащенная нефтью, из подтрубного пространства частично вытесняется в полость крышки 2 и попадает в контакт с хлор-газом. При этом нефтяная пленка под непосредственным воздействием сильного окислителя разрушается, переходя в неорганическое вещество.
2
Переток воды из полости корпуса 1 в полость крышки 2 продолжается до тех пор, пока уровень воды в корпусе не достигнет расстояния Н, после чего сжатый воздух начнет барботировать через отверстия 8 и давление воздуха в обеих полостях сравняется.
Далее начинается собственно «шоковая промывка»: открывается быстродействующий клапан 14, и давление воздуха под трубной перегородкой 5 практически мгновенно падает до атмосферного значения. Столб воды, находящийся в полости крышки и в верхней части трубы фильтрующего элемента, под рабочим давлением воздуха устремляется вниз, создавая гидравлический удар в полости каждого фильтрующего элемента. Продолжительность гидравлического удара составляет доли секунды, пока давление воздуха над трубной доской не сравняется с атмосферным, и вся вода из полости крышки не сольется в корпус.
Под действием гидравлического удара «мембрана», образованная плотно навитой проволокой и застрявшими в фильтровальных щелях дисперсными частицами, приходит в колебательное движение, благодаря чему фильтрующие элементы очищаются от загрязнений. Выталкиванию частиц из щелей способствует также присутствие в воде сильного окислителя, разрушающего химически пленку нефти и уменьшающего ее сцепление с поверхностью фильтрующего элемента.
Действие гидравлического удара при "шоковой промывке" обусловливает также вибрацию фильтрующего элемента по всей его длине, причем, вибрация усиливается по мере удаления от трубной доски. Максимальную вибрацию испытывает свободный конец фильтрующего элемента. Таким
образом, совместное действие всех перечисленных факторов (гидравлический удар, вибрация «мембран» и фильтрующих элементов по длине, присутствие в воде сильного окислителя, разрушающего нефтяные загрязнения) и обеспечивает эффективную регенерацию фильтрующих элементов.
Загрязнения, сброшенные с поверхности фильтрующих элементов, накапливаются в нижней части корпуса 1, затем удаляются в канализацию при осушении фильтра через кран 28. После осушения корпус переводится на рабочий режим, как это описано выше.
Химпромывка Блока выполняется как регламентная операция в профилактических целях, либо в том случае, когда регулярная «шоковая промывка» не обеспечивает снижение гидравлического сопротивления фильтров до требуемого уровня. Фильтры подвергаются химпромывке последовательно, один за другим. На время химпромывки один фильтр выводится из режима фильтрования, другие фильтры продолжают работать.
Химпромывка выполняется в следующем порядке. В реакторе-растворителе 23 готовят необходимый химраствор (щелочь, кислота, ПАВ и др.). Включают подогреватель 24 и циркуляционный насос 25. С помощью трубопроводов и запорной арматуры 26 обеспечивают циркуляцию потока раствора по замкнутому контуру: реактор - подогреватель - корпус - реактор. Операция может выполняться автоматически, по таймеру. В процессе химпромывки теплым (40...60°С) раствором фильтрующие элементы полностью очищаются от загрязнений, после чего корпус фильтра осушают с одновременным сбросом загрязнений в канализацию. Далее возможна последующая нейтрализация стоков.
Существенно и то, что в период химпромывки на корпус фильтра и фильтрующие элементы воздействует вибрация от работающих на нефтебуровой платформе механизмов, что обеспечивает их непрерывное самоочищение и увеличивает периоды между промывками. По окончании химпромывки фильтр переводится на рабочий режим, и далее аналогично выполняется химпромывка следующего фильтра.
Сравнительный анализ преимуществ заявляемого Блока по сравнению с Блоком компании «PETRECO» представлен в таблице. Расчетные данные приведены на основании проработок Блока для ледостойкой нефтебуровой платформы «Приразломная». Из таблицы следует, что заявляемый Блок превосходит аналог по большинству из параметров сравнения, что свидетельствует о достижении технического результата.
Таблица
Параметры
Блок фильтров заявляемый
Блок фильтров «PETRECO»
Производительность, куб.м/ч
13100
12500
Тонкость фильтрации, мкм
80
80
Содержание нефти в фильтрате (по общему органическому углероду), мг/л
0,5...5,0
Более 15
Удельная грязеемкость, кг/куб.м габаритного объема за период фильтроцикла
11,5
7,5
Удельная пропускная способность, куб. м/ч /куб.м габаритного объема
99,3
65,1
Эффективность регенерации, %
90...95
60...70
Эффективность химчистки, %
95...98
0 (химчистки нет)
Расход воды на промывку, % от производительности
0,5...1,0
3,5...5,0
Масса блока, кг:
- в сухом состоянии
15500
34000
- в рабочем состоянии
39000
78000
Габаритный объем (длина × ширина × высота), куб.м:
132,0
192,0
Защита от биологического обрастания блока морскими организмами
обеспечена
не обеспечена
Защита окружающей среды от нефти
обеспечена
не обеспечена