張 斌，陳文峰，曾樹兵，潘大新，刁兆斌

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

1 前言

海洋石油平臺(tái)開采出的天然氣或者伴生氣通常需要經(jīng)壓縮機(jī)增壓后作為燃料使用或者外輸至中心平臺(tái)或陸上終端進(jìn)一步處理，天然氣在經(jīng)壓縮機(jī)增壓后，天然氣溫度會(huì)大幅升高，需要再利用冷卻器進(jìn)行冷卻，冷卻器包括管殼式換熱器或印刷電路板式換熱器，冷卻介質(zhì)包括海水或淡水。管殼式換熱器傳熱面積較大、傳熱效果較好、適應(yīng)性較強(qiáng)、操作彈性較大[1]；印刷電路板式換熱器是一種細(xì)微通道緊湊型板式換熱器，具有耐高溫、耐高壓、高緊促度、體積小等優(yōu)點(diǎn)。海洋石油平臺(tái)使用面積比較緊張，對(duì)平臺(tái)尺寸和重量限制要求十分嚴(yán)苛，尤其是對(duì)于高壓氣田，天然氣壓縮機(jī)組占地面積較大，為了節(jié)省空間，天然氣壓縮機(jī)出口冷卻器類型建議選用印刷電路板式換熱器，而印刷電路板式換熱器對(duì)水質(zhì)要求較高，海水的水質(zhì)指標(biāo)不能滿足此要求，而需要使用更為潔凈的淡水作為各用水單元換熱器的冷卻介質(zhì)，因此設(shè)置循環(huán)冷卻水系統(tǒng)對(duì)于海洋石油平臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)意義重大。

2 工藝系統(tǒng)介紹

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)分為閉式系統(tǒng)和敞開式系統(tǒng)。閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)相較于敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，閉式冷卻水是在密閉的回路中循環(huán)實(shí)現(xiàn)熱交換，避免了與大氣直接接觸，且不會(huì)溶解氧，水質(zhì)波動(dòng)相對(duì)較小，使得換熱器不易腐蝕，傳熱效率較高，因此閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)換熱效果優(yōu)于敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。因而海洋石油平臺(tái)優(yōu)先選用閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)主要由冷卻水—海水換熱器、冷卻水膨脹罐、濾器、冷卻水循環(huán)泵、管道及其他相關(guān)設(shè)施組成。

海洋石油平臺(tái)閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)以海水作為冷卻介質(zhì)，通過冷卻水—海水換熱器將循環(huán)淡水進(jìn)行冷卻，然后將冷卻的循環(huán)淡水供給各用水單元換熱器將工藝介質(zhì)(天然氣或凝析油)冷卻；循環(huán)淡水經(jīng)各用水單元換熱器換熱后，循環(huán)淡水溫度會(huì)升高，再返回冷卻水—海水換熱器與冷海水換熱后再次被冷卻，然后由冷卻水循環(huán)泵增壓后繼續(xù)供應(yīng)給各用水單元換熱器使用，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)，是一種循環(huán)使用的給水系統(tǒng)。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的最高位置處設(shè)有冷卻水膨脹罐，用于排出管路中的氣體和容納因溫度變化而導(dǎo)致的循環(huán)淡水體積變化，并且通過冷卻水膨脹罐還可實(shí)現(xiàn)向循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)充淡水。此外，為了避免閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)各設(shè)備設(shè)施結(jié)垢，還應(yīng)定期注入適量防垢劑。

3 閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

文章以某海洋石油平臺(tái)氣田為例，分析閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則和注意事項(xiàng)。

3.1 海水利用

在海洋石油平臺(tái)的閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，海水有兩個(gè)作用，一方面海水作為冷卻介質(zhì)，海水溫度在夏季最高可達(dá)23 ℃，海水經(jīng)海水濾器過濾處理后進(jìn)入冷卻水—海水換熱器，與循環(huán)淡水進(jìn)行熱交換，海水吸收熱量后其溫度由23 ℃升高至38 ℃進(jìn)入排海管匯。循環(huán)淡水在與各用水單元換熱器內(nèi)凝析油或天然氣進(jìn)行換熱后，循環(huán)淡水升高到45 ℃返回冷卻水—海水換熱器，與海水進(jìn)行換熱降溫到25 ℃，作為循環(huán)冷卻給水進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)流程。

另一方面，海水作為取之不盡用之不竭的天然資源，可用作循環(huán)冷卻水的補(bǔ)水水源，海水經(jīng)海水濾器過濾處理后進(jìn)入海水淡化裝置制取淡水作為循環(huán)冷卻水使用，循環(huán)冷卻水的水質(zhì)指標(biāo)可參考GB/T 50050-2017《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》。

3.2 各用水單元換熱器負(fù)荷

此海洋石油平臺(tái)的各用水單元換熱器主要包括凝析油冷卻器、天然氣壓縮機(jī)入口冷卻器、天然氣壓縮機(jī)出口冷卻器，其中各換熱器負(fù)荷通過HYSYS模擬軟件計(jì)算，為了求得各用水單元換熱器的最大總負(fù)荷，選取了5個(gè)典型工況進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，分別為壓縮機(jī)初始投運(yùn)年、壓縮機(jī)設(shè)計(jì)工況、全平臺(tái)最大氣量年、全平臺(tái)最大油量年、全平臺(tái)最大水量年，最終求得各用水單元換熱器總負(fù)荷最大值為20 700 kW。

3.3 冷卻水循環(huán)泵

冷卻水循環(huán)泵通常選用離心泵，循環(huán)泵排量根據(jù)冷卻水循環(huán)量確定，并需設(shè)置一臺(tái)備用泵。

冷卻水循環(huán)量計(jì)算公式如下：

Qt=Wt×3 600/(ρ×Cm×ΔT)

式中：Qt——冷卻水循環(huán)量，m3/h；ρ——冷卻水密度，kg/m3；Wt——各用水單元換熱器總負(fù)荷；Cm——冷卻水質(zhì)量熱容，kJ/kg·K；ΔT——冷卻水回水與給水溫差，K。

各用水單元換熱器總負(fù)荷為20 700 kW，將ρ取值993.95 kg/m3，Cm取值4.17 kJ/(kg·K)，△T取值20 K，經(jīng)計(jì)算可得冷卻水循環(huán)量Qt=900 m3/h，因此單臺(tái)循環(huán)泵排量可確定為900 m3/h。

冷卻水循環(huán)泵揚(yáng)程H考慮冷卻水—海水換熱器阻力損失、各用水單元換熱器阻力損失，以及管路阻力損失，合計(jì)約為35 m。

3.4 冷卻水膨脹罐

冷卻水膨脹罐用于吸納循環(huán)淡水在被各用水單元換熱器加熱后的體積膨脹量，當(dāng)管網(wǎng)內(nèi)循環(huán)淡水遇冷收縮時(shí)，膨脹罐還可向系統(tǒng)補(bǔ)充淡水；冷卻水膨脹罐還起到穩(wěn)定循環(huán)冷卻水回路內(nèi)壓力的作用。

海洋石油平臺(tái)通常會(huì)設(shè)置造氮機(jī)，制造的氮?dú)饪勺鳛槔鋮s水膨脹罐的密封氣源，一方面能有效防止空氣進(jìn)入閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，另一方面能夠維持膨脹罐壓力。膨脹罐內(nèi)設(shè)置壓力變送器，壓力變送器與氮?dú)膺M(jìn)氣管線控制閥和膨脹罐出口排氣管線控制閥設(shè)置聯(lián)鎖信號(hào)。當(dāng)膨脹罐內(nèi)壓力降至氮?dú)膺M(jìn)氣管線控制閥的設(shè)定值時(shí)，此進(jìn)氣控制閥打開補(bǔ)充氮?dú)?；?dāng)膨脹罐內(nèi)壓力升高至排氣管線控制閥的設(shè)定值時(shí)，此出氣控制閥打開，將氣體排放至安全地點(diǎn)；另外，膨脹罐還設(shè)有PSV安全泄放閥，以滿足膨脹罐超壓泄放需求。如果平臺(tái)無造氮機(jī)系統(tǒng)，也可采用氮?dú)馄繉?shí)現(xiàn)密封、維壓功能。

膨脹罐一般選型為臥式罐，在確定膨脹罐尺寸時(shí)，要求罐內(nèi)低液位至高液位之間體積不小于膨脹罐凈容積。冷卻水膨脹罐的凈容積計(jì)算公式如下：

Vnet=(β+1)×(θ+1)×(ρL/ρH-1)×V0

式中：Vnet——膨脹罐凈容積，m3/h；β——膨脹罐氣水容積比，0.75～1.0；θ——安全余量，15%；ρL——平臺(tái)最低環(huán)境溫度下水的密度，kg/m3；ρH——平臺(tái)最高環(huán)境溫度下水的密度，kg/m3；V0——循環(huán)冷卻水系統(tǒng)內(nèi)淡水總?cè)莘e，m3。

閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)內(nèi)淡水總?cè)莘e包括工藝設(shè)備內(nèi)水容積、冷卻水泵、各用戶單元換熱器、冷卻水管道容積[2]。經(jīng)估算，V0=240 m3。此外，將β取值1.0，ρH取值971.8 kg/m3，ρL取值998.2 kg/m3，經(jīng)計(jì)算可得Vnet=15 m3。

4 結(jié)論

海洋石油平臺(tái)閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)在整體上可以優(yōu)化海洋石油平臺(tái)空間，并且可以充分利用豐富的海水資源，一方面通過海水淡化裝置獲取循環(huán)淡水，另一方面利用海水作為閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)。文章介紹了閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)工藝流程，同時(shí)結(jié)合海洋石油平臺(tái)生產(chǎn)實(shí)例，給出了閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則和能力計(jì)算方法，對(duì)后續(xù)設(shè)計(jì)人員更好地設(shè)計(jì)海洋石油平臺(tái)閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)具有一定的指導(dǎo)意義。