苗 建 魯旭濤 韓 笑 黑永強(qiáng)

中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司, 廣東 深圳 518000

0 前言

海上某平臺(tái)天然氣冷卻器采用管殼式結(jié)構(gòu)[1],其主要作用是使用海水對(duì)天然氣進(jìn)行冷卻[2]降溫,從而降低天然氣的飽和含水量。天然氣冷卻器長(zhǎng)期處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí),海水管程結(jié)垢情況嚴(yán)重,封頭處附著大量的海生物、污泥及垢物等[3],降低了天然氣冷卻器的換熱效率[4],出口天然氣溫度升高,導(dǎo)致三甘醇脫水負(fù)荷和損耗增加,降低外輸干氣品質(zhì),還造成海水管線震動(dòng)加劇,影響設(shè)備安全使用。目前采用的高壓清洗[5]冷卻器作業(yè)不僅工期長(zhǎng)、費(fèi)用高、風(fēng)險(xiǎn)大,而且清洗時(shí)兩臺(tái)冷卻器需輪流關(guān)停,影響天然氣處理量,擬研發(fā)一種在線清洗方式[6]。

1 天然氣冷卻器工作原理

1.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

平臺(tái)上設(shè)有2臺(tái)臥式天然氣冷卻器[7],設(shè)計(jì)為管殼式結(jié)構(gòu),管程走低溫海水,殼程走高溫天然氣[8],通過(guò)旁通溫度控制閥調(diào)節(jié)天然氣流量從而達(dá)到下游所需溫度[9]。單臺(tái)天然氣冷卻器設(shè)計(jì)處理量為230×104m3/d,換熱效率為2 232 kW,主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 天然氣冷卻器主要設(shè)計(jì)參數(shù)表

1.2 使用現(xiàn)狀

氣田井流物經(jīng)過(guò)管匯后進(jìn)入生產(chǎn)分離器進(jìn)行油氣水三相分離,氣相去天然氣冷卻器進(jìn)行冷卻[10]。殼程的天然氣被管程的海水冷卻至31～35°C,達(dá)到下游三甘醇脫水最佳溫度,同時(shí)降低了天然氣的飽和含水量。再通過(guò)入口過(guò)濾分離器脫除液烴、水滴和雜質(zhì)等,從而降低下游三甘醇接觸塔的脫水負(fù)荷和三甘醇損耗,保證外輸干氣露點(diǎn)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。天然氣冷卻器生產(chǎn)流程見圖1。

圖1 天然氣冷卻器生產(chǎn)流程圖Fig.1 Production flow chart of natural gas cooler

天然氣冷卻器在長(zhǎng)期使用過(guò)程中,管程海水通過(guò)量不足,換熱效果逐漸降低,殼程天然氣溫度升高,最高可達(dá)37 ℃,使得下游三甘醇脫水和再生裝置負(fù)荷增加,造成三甘醇損耗增加。天然氣冷卻器換熱效率降低的主要原因是管程內(nèi)部被海生物、污泥及垢物等堵塞[11],附著有海水中溶解度較低的鹽類沉積結(jié)垢和污泥,其結(jié)垢主要成分是碳酸鈣、氫氧化鎂和硫酸鈣。這些鹽類在海水中的溶解度很低,且其溶解度隨著溫度升高而降低,海水因換熱升溫,這些鹽類就會(huì)在換熱面上析出而形成結(jié)垢,堵塞管道。

2 天然氣冷卻器常規(guī)高壓清洗

2018年8月,平臺(tái)對(duì)天然氣冷卻器管程[12]進(jìn)行高壓清洗作業(yè)[13],經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)單套天然氣冷卻器隔離泄壓惰化之后,通過(guò)高壓水槍及專業(yè)清洗劑對(duì)天然氣冷卻器封頭處堵塞物進(jìn)行清洗[14]。此項(xiàng)作業(yè)耗時(shí)7 d,現(xiàn)場(chǎng)專業(yè)清洗人員6人,費(fèi)用約20萬(wàn)元左右,完成天然氣冷卻器常規(guī)高壓清洗作業(yè)。整個(gè)作業(yè)過(guò)程涉及高壓水槍清洗、人員登高作業(yè)和非防爆柴油機(jī)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn),都存在較高風(fēng)險(xiǎn),平臺(tái)需要安排現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督全程監(jiān)護(hù)。

在產(chǎn)量相同工況下,天然氣冷卻器經(jīng)高壓清洗后,天然氣出口溫度相對(duì)下降5 ℃,冷卻器換熱效率提高29.41%,說(shuō)明高壓清洗作業(yè)效果顯著[15]。

3 在線酸洗試驗(yàn)研究和效果

2019年5月,平臺(tái)天然氣冷卻器冷卻后天然氣溫度漸升至37 ℃,海水進(jìn)口壓力增加至450 kPa(壓力高高設(shè)定點(diǎn)為500 kPa),計(jì)算發(fā)現(xiàn)天然氣冷卻器換熱效率降低,冷卻效果不佳,平臺(tái)外輸干氣露點(diǎn)偏高[16]。為恢復(fù)天然氣冷卻器的換熱效率,現(xiàn)場(chǎng)對(duì)清洗方式進(jìn)行深入調(diào)研,優(yōu)選更容易實(shí)施的化學(xué)清洗。在調(diào)研天然氣冷卻器的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的基礎(chǔ)上,對(duì)酸介質(zhì)進(jìn)行對(duì)比選擇,最終現(xiàn)場(chǎng)研究決定使用低濃度酸溶液對(duì)冷卻器進(jìn)行在線酸洗作業(yè),清除管程結(jié)垢堵塞,從而提高天然氣冷卻器的換熱效率,實(shí)現(xiàn)降本增效、節(jié)約能耗的目的。

3.1 酸介質(zhì)選擇

常用的酸介質(zhì)多為鹽酸、草酸、磷酸和檸檬酸,從性質(zhì)、危害性以及與容器部件配伍性[17]等方面對(duì)其進(jìn)行對(duì)比、分析,選出最合適的酸介質(zhì)溶液,見表2～3。

表2 不同酸介質(zhì)基本性質(zhì)、危害對(duì)比表

表3 不同酸介質(zhì)與容器部件配伍性表

通過(guò)對(duì)比表2、3可知,相對(duì)于其他酸介質(zhì)而言,鹽酸腐蝕性較強(qiáng),草酸和磷酸有毒性,廢液需要專門環(huán)保部門處理;檸檬酸具有價(jià)格低,無(wú)毒,其鈣、鎂鹽的溶解性在冷水中效果更好的特點(diǎn)。同時(shí),檸檬酸與金屬會(huì)發(fā)生絡(luò)合反應(yīng),在其表面形成難溶的檸檬酸鹽保護(hù)薄膜,使金屬免受腐蝕,是一種安全清洗劑。由于檸檬酸不含有Cl-,故不會(huì)引起設(shè)備的應(yīng)力腐蝕,它能夠絡(luò)合Fe3+,削弱Fe3+對(duì)腐蝕的促進(jìn)作用。檸檬酸雖屬有機(jī)強(qiáng)酸,可電離3個(gè)H+,但是在低濃度水溶液中,因與金屬的絡(luò)合反應(yīng)而選擇性地與鈣、鎂鹽反應(yīng)。針對(duì)這種特性,在酸洗過(guò)程中,控制檸檬酸溶液的濃度不高于10%。綜上所述,檸檬酸優(yōu)勢(shì)比較明顯,選擇其作為酸介質(zhì)。

3.2 酸洗試驗(yàn)簡(jiǎn)述

通過(guò)研究目前國(guó)內(nèi)其他行業(yè)酸洗施工標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合對(duì)本平臺(tái)具體的情況考慮[18],優(yōu)選10%濃度的檸檬酸溶液對(duì)該類堵塞物進(jìn)行酸洗試驗(yàn)。天然氣冷卻器管程海水進(jìn)、出口均設(shè)有隔離球閥及排放閥,通過(guò)排放閥接入酸洗裝置,通過(guò)氣動(dòng)泵[19]對(duì)天然氣冷卻器管程注入酸介質(zhì),經(jīng)過(guò)充分的浸泡和松動(dòng),然后進(jìn)行循環(huán)酸洗除垢,酸洗至進(jìn)出口pH值無(wú)變化,則停止循環(huán)酸洗,最后使用淡水沖洗管程后結(jié)束。在線酸洗作業(yè)流程見圖2。

圖2 天然氣冷卻器在線酸洗作業(yè)流程圖Fig.2 Flowchart of online pickling operation of natural gas cooler

3.3 酸洗效果評(píng)估

通過(guò)酸溶液浸泡→循環(huán)酸洗→淡水沖洗后,可以在進(jìn)口短節(jié)拆除處看到酸洗后管程封頭處堵塞物消失,清洗效果明顯[20]。本次酸洗天然氣冷卻器作業(yè)共使用10%濃度檸檬酸溶液2 m3,耗時(shí)3 d,費(fèi)用約1萬(wàn)元左右。

根據(jù)平臺(tái)生產(chǎn)數(shù)據(jù)查詢,由于酸洗之前,平臺(tái)保持275×104m3/d處理量和海水壓力390 kPa的工況,且天然氣冷卻器A/B套共同使用時(shí),進(jìn)口溫度55 ℃,出口溫度37 ℃,天然氣溫度下降18 ℃(2019年8月2日數(shù)據(jù))。酸洗作業(yè)完成后,在保持同樣的產(chǎn)量和工藝參數(shù)工況下,天然氣冷卻器出口天然氣溫度也明顯下降,從37 ℃降至32 ℃,較酸洗前下降了5 ℃。酸洗前后冷卻器的溫降從原來(lái)的18 ℃提高至23 ℃,天然氣冷卻器冷卻效果提升了27.78%,說(shuō)明酸洗前后冷卻器換熱效率明顯提升[21]。對(duì)酸洗前后效果參數(shù)進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià),具體參數(shù)見表4。

3.4 常規(guī)高壓清洗與在線酸洗效果對(duì)比

天然氣冷卻器高壓清洗和現(xiàn)場(chǎng)在線酸洗效果對(duì)比見表4。由表4可知,在線酸洗與之前的常規(guī)高壓清洗取得的效果基本一致,在線酸洗作業(yè)取得預(yù)期效果。通過(guò)對(duì)比兩種方式,在線酸洗在作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)、作業(yè)天數(shù)、作業(yè)人員、作業(yè)費(fèi)用方面具有明顯優(yōu)勢(shì),總體而言,在線酸洗施工簡(jiǎn)單方便,成本低。

表4 高壓清洗與在線酸洗效果對(duì)比表

4 結(jié)論

1)試驗(yàn)前后數(shù)據(jù)對(duì)比表明,在線酸洗效果明顯,其提升的換熱效率與常規(guī)高壓清洗方式提升換熱效率基本一致。

2)與常規(guī)高壓清洗方式對(duì)比,在線酸洗具有成本低、工期短、風(fēng)險(xiǎn)性小、可操作性高的特點(diǎn)。

3)采用低濃度檸檬酸液對(duì)管殼式換熱器內(nèi)部附著的海生物、污泥及垢物清洗收到了良好的作業(yè)效果,且檸檬酸與金屬會(huì)發(fā)生絡(luò)合反應(yīng),使金屬免受腐蝕,對(duì)工藝管道起到了保護(hù)作用。

4)天然氣冷卻器在線酸洗提高了天然氣冷卻器清洗工作的便捷性,并為海上其他氣田設(shè)施提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)思路,極具推廣潛力,為此類工作的開展提供有力的佐證。