陳柱 何杰 雷亞飛

摘 要：本文介紹了低緯度海上平臺(tái)樂(lè)東22-1氣田天然氣冷卻系統(tǒng)的目前現(xiàn)狀，通過(guò)討論分析，提出優(yōu)化海水提升泵設(shè)計(jì)方案，從而達(dá)到降低海水溫度、提高天然氣冷卻效率，保證現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)穩(wěn)定的目的。

關(guān)鍵詞：低緯度;換熱效率;海水提升泵

中圖分類號(hào)：TE644 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）22-0187-02

樂(lè)東22-1氣田位于南海西部海域鶯歌海盆地，所處海區(qū)屬低緯度熱帶氣候，氣候、海況均受臺(tái)風(fēng)和季節(jié)影響，最高氣溫36.1℃，最大風(fēng)力12級(jí)，浪高一般0.2～1m，最大達(dá)8m以上。潮汐屬不規(guī)則日潮，最大潮差3m，海域內(nèi)水深93.5m，是一座集生產(chǎn)、計(jì)量、油氣處理和輸送、生活、動(dòng)力為一體的8腿12裙裝導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的綜合平臺(tái)。

1 樂(lè)東22-1氣田冷卻系統(tǒng)簡(jiǎn)介

樂(lè)東22-1氣田的冷卻系統(tǒng)主要用于冷卻壓縮機(jī)壓縮后的天然氣。冷卻系統(tǒng)由四臺(tái)海水提升泵（離心泵500m3/h）、海水過(guò)濾器、后冷卻器組成。四臺(tái)海水提升泵的吸入口安裝在海平面-11米左右，提升泵入口安裝有防海生物裝置，防止海生物進(jìn)入冷卻系統(tǒng)對(duì)設(shè)備造成磨損。

2 樂(lè)東22-1氣田冷卻系統(tǒng)目前現(xiàn)狀

2.1 季節(jié)變化導(dǎo)致天然氣冷卻效率不穩(wěn)定

氣田處于低緯度區(qū)域，海水表面溫度主要獲于太陽(yáng)輻射熱量。由于海洋表層受太陽(yáng)輻射影響大，而海洋深處受太陽(yáng)輻射和表層熱量的傳導(dǎo)影響小。海水溫度的垂直分布隨深度的增加而遞減。暖流流經(jīng)海水溫度較高，寒流流經(jīng)海水溫度較低。

因?yàn)楹Ｋ疁囟茸兓瘜?dǎo)致壓縮機(jī)出口的天然氣的冷卻效率影響較大，嚴(yán)重影響天然氣的最終脫水效果。

2.2 海生物造成冷卻系統(tǒng)設(shè)備損壞

樂(lè)東22-1氣田生產(chǎn)十年以來(lái)，多次對(duì)海水提升泵提泵檢修，發(fā)現(xiàn)泵入口海生物主要為牡蠣。根據(jù)相關(guān)資料查明，我國(guó)牡蠣主要分為五種，熱帶、亞熱帶、溫帶和亞寒帶都有它們的蹤跡，幾乎遍及全世界。牡蠣的分布根據(jù)海水深度不同而不同，大部分牡蠣都分布在海洋10m深度左右。如表1所示。

多次發(fā)現(xiàn)海水后冷卻器換熱盤管穿孔，盤管內(nèi)部存在很多牡蠣殼，如圖1所示，嚴(yán)重影響氣田正常生產(chǎn)計(jì)劃。

2.3 防海生物裝置維護(hù)成本高

樂(lè)東22-1氣田共有4臺(tái)海水提升泵，每臺(tái)泵配備的防海生物裝置主要由銅、鋁電極組成，每臺(tái)泵配3根銅棒，如圖2所示，3根鋁棒，銅、鋁陽(yáng)極為消耗件，設(shè)計(jì)壽命為12個(gè)月。每年都要更換新的電極，消耗量較大，每年維護(hù)成本高達(dá)十萬(wàn)元左右。

2.4 洋流導(dǎo)致海水溫度不穩(wěn)定

樂(lè)東22-1氣田位于南海西部鶯歌海盆地，所處海區(qū)屬低緯度熱帶氣候，夏季盛行西南風(fēng)，冬季盛行東北風(fēng)。南海表面環(huán)流在風(fēng)的作用下，具有季風(fēng)漂流的特性，西南季風(fēng)期間，南海為東北流，東北季風(fēng)期間，則大部分區(qū)域?yàn)槲髂狭鳌．?dāng)暖流流經(jīng)該海域時(shí)，海水溫度較高，寒流流經(jīng)時(shí)，海水溫度較低。因此泵入口海水溫度會(huì)隨著季節(jié)、流向的變化而變化。

3 優(yōu)化方案及可行性分析

調(diào)研發(fā)現(xiàn)大多數(shù)低緯度區(qū)域的生產(chǎn)平臺(tái)的海水提升泵的泵體吸水口都位于海平面-11米左右。

為了提高天然氣換熱效率、減少生產(chǎn)維護(hù)成本，提高生產(chǎn)穩(wěn)定性，同時(shí)為以后新建平臺(tái)提供參考，提出：將目前海水提升泵泵外的隔水套管向海底延長(zhǎng)，而泵體下潛深度不變，優(yōu)化方案如圖3所示。

3.1 導(dǎo)管架滿足施工條件

樂(lè)東22-1氣田生產(chǎn)平臺(tái)屬于樁基式平臺(tái)，打到海底。由鋼質(zhì)樁、導(dǎo)管架和平臺(tái)組成。安裝之初，導(dǎo)管架運(yùn)到安裝地點(diǎn)就位后，靠打樁將導(dǎo)管架固定在海底，樁主要承受橫向載荷和垂直載荷。導(dǎo)管架的樁腿還可以作為打樁定位和導(dǎo)向作用，也可常用來(lái)系靠船舶。導(dǎo)管架由大直徑、厚壁的低合金鋼管焊接而成。安裝在海底93米處，導(dǎo)管架共分為6層，因此新增隔水套管可以固定在導(dǎo)管架上。

3.2 海水提升泵的性能不受影響

根據(jù)伯努利方程可知，方案優(yōu)化前后，泵入口壓強(qiáng)滿足：

P1+ρg（H-H1）+ρV201=P2+ρg（H-H1）+ρV202

P1：目前，泵吸入口的壓強(qiáng);

P2：優(yōu)化后，泵吸入口的壓強(qiáng);

H1：目前，泵吸入口距離海平面高度;

H2：優(yōu)化后，泵吸入口距離海平面高度;

V01：目前，泵吸入口海水流速;

V02：優(yōu)化后，泵吸入口海水流速;

H：海平面距離海底高度;

因?yàn)閮?yōu)化后，泵體下潛深度H1不變：

故P1=P2=ρgH1

所以V01=V02

因此優(yōu)化后，不影響泵吸入口海水流速和泵的當(dāng)前設(shè)計(jì)排量，并可以減少海生物對(duì)冷卻系統(tǒng)設(shè)備的影響和維護(hù)費(fèi)用。

由于泵的隔水套管延長(zhǎng)后，所受最大壓強(qiáng)P=ρgH2所以，只需滿足管線材質(zhì)承受的壓力等級(jí)≥P即可。

3.3 節(jié)約海水泵的選型成本和耗電費(fèi)用

以樂(lè)東22-1氣田為例，當(dāng)前生產(chǎn)情況下，天然氣換熱后溫度38℃，天然氣換熱前溫度120℃，海水換熱前溫度28℃，海水換熱后溫度32℃。

假如海水泵優(yōu)化后，海水進(jìn)口溫度將常年穩(wěn)定在26℃，在保證海水出口溫度不變及天然氣換熱后的溫度不變的情況下，所需的海水量必然降低，即優(yōu)化前后海水吸收的熱量相同。根據(jù)熱量計(jì)算公式Q=C*m*Δt可知：

優(yōu)化前海水吸收熱量Q1;

Q1=C1ρ1V1ΔT1=C1ρ1V1*（32-28）=4C1ρ1V1（卡/小時(shí)）

優(yōu)化后海水吸收熱量Q2;

Q2=C2ρ2V2ΔT2=C2ρ2V2*（32-26）=6C2ρ2V2（卡/小時(shí)）

Q1：優(yōu)化前，海水換熱后吸收的熱量;

Q2：優(yōu)化后，海水換熱后吸收的熱量;

V1：優(yōu)化前，海水流量;

V2：優(yōu)化后，海水流量;

優(yōu)化前后，海水流量比：

=0.667*100%=66.7%

由此可見(jiàn)，優(yōu)化后泵的排量只需是目前的0.667倍。對(duì)于特定的泵其功率與泵的排量呈正相關(guān)，即優(yōu)化后泵的功率只需優(yōu)化前的66.7%，耗電量將減少33.3%。當(dāng)前每臺(tái)泵的功率200KW，平均開(kāi)機(jī)率83%，年運(yùn)行6960小時(shí)，每臺(tái)泵每年可節(jié)約電能384734KWh。節(jié)電效果明顯，大大降低了泵的運(yùn)行成本。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析，增加泵的隔水套管的下入深度是可行的，優(yōu)化后，海水提升泵的選型范圍更大、電能消耗明顯降低，大大節(jié)約了泵的運(yùn)行成本，能有效提升提高天然氣冷卻效果。

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