鹿棟梁，鹿擎梁，王東升，王 鑫，魏 峰

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452；2.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300452）

海上油氣田熱介質(zhì)供熱系統(tǒng)調(diào)試及建議

鹿棟梁1，鹿擎梁2，王東升1，王 鑫1，魏 峰1

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452；2.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300452）

海上油氣田熱介質(zhì)供熱系統(tǒng)由于其充分利用油氣生產(chǎn)處理過程中產(chǎn)生的油田伴生氣作為加熱燃料，可以大量節(jié)約能源，同時該系統(tǒng)具有傳熱穩(wěn)定、熱效率高、采用程序控制運(yùn)行可靠、設(shè)備及系統(tǒng)操作簡便等諸多優(yōu)點，在海上油氣田生產(chǎn)處理工藝中被越來越多地作為主要供熱方式廣泛使用。文章對海上生產(chǎn)作業(yè)平臺熱介質(zhì)供熱系統(tǒng)的構(gòu)成、系統(tǒng)調(diào)試進(jìn)行了介紹，對調(diào)試過程的控制和管理進(jìn)行了初步探討并提出了改進(jìn)建議。

海上油氣田；生產(chǎn)工藝；熱介質(zhì)；供熱系統(tǒng)；調(diào)試

0 引言

海上油氣田生產(chǎn)作業(yè)過程中需要使用供熱系統(tǒng)為油氣處理工藝提供生產(chǎn)必須的熱量。海洋石油平臺熱介質(zhì) （又稱有機(jī)載熱體、導(dǎo)熱油、熱媒）供熱系統(tǒng)一般以柴油和天然氣 （油田伴生氣）雙燃料作為加熱燃料。燃料在燃燒爐 （又稱有機(jī)熱載體加熱爐、導(dǎo)熱油爐、導(dǎo)熱油鍋爐、熱媒體鍋爐或油載體加熱爐）中燃燒產(chǎn)生熱量，通過熱量傳遞使系統(tǒng)中的熱介質(zhì)獲得熱量，熱介質(zhì)在封閉系統(tǒng)中不斷循環(huán)將熱量傳遞給各用戶。有機(jī)熱載體爐是20世紀(jì)30年代發(fā)展起來的新型高效熱能轉(zhuǎn)換設(shè)備，具有傳熱均勻穩(wěn)定、安全可靠、全封閉運(yùn)行無廢熱排放損失、操作運(yùn)行簡便、節(jié)能效果顯著等優(yōu)點，因而越來越多地應(yīng)用于海洋石油平臺生產(chǎn)工藝系統(tǒng)。

熱介質(zhì)供熱系統(tǒng)在使用中不能有水的介入，少量水分也會影響供熱系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。新購進(jìn)的熱介質(zhì)在生產(chǎn)、儲存、運(yùn)輸中會含有微量的水分，在施工過程中因試壓等原因管路中也可能積存水分，按照勞動部 《有機(jī)載熱體安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的規(guī)定： “有機(jī)載熱體必須經(jīng)過脫水方可使用”，因此在供熱系統(tǒng)正式投用之前需要進(jìn)行加熱脫水操作。

1 熱介質(zhì)供熱系統(tǒng)的調(diào)試

熱介質(zhì)供熱系統(tǒng)調(diào)試主要是進(jìn)行熱介質(zhì)的冷態(tài)和熱態(tài)運(yùn)行，同時進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備及儀表控制系統(tǒng)的功能驗證，大體包括以下幾個過程：專業(yè)機(jī)械完工、系統(tǒng)預(yù)調(diào)試、系統(tǒng)冷運(yùn)、系統(tǒng)熱運(yùn)等。此外調(diào)試過程中還要有風(fēng)險識別的分析與預(yù)防、作業(yè)許可制度的執(zhí)行、第三方船檢機(jī)構(gòu)的監(jiān)督、遺留問題的清除等環(huán)節(jié)。本文僅對該系統(tǒng)的陸地調(diào)試進(jìn)行闡述。

1.1 熱介質(zhì)供熱系統(tǒng)的構(gòu)成和使用的燃料

熱介質(zhì)供熱系統(tǒng)一般由熱介質(zhì)膨脹罐、熱介質(zhì)循環(huán)泵、熱介質(zhì)燃燒爐、柴油罐、當(dāng)?shù)乜刂票P柜、CO2保護(hù)系統(tǒng)、氮氣保護(hù)控制裝置、熱介質(zhì)儲存罐、熱介質(zhì)排放罐、熱介質(zhì)補(bǔ)給泵及熱用戶、管路、儀表控制系統(tǒng)等組成，擔(dān)負(fù)著為生產(chǎn)分離器、原油加熱器、閉排罐等供熱的任務(wù)。燃燒爐一般為雙燃料臥式燃燒火焰設(shè)計爐，平臺未投產(chǎn)或者投產(chǎn)前期以柴油作為系統(tǒng)調(diào)試和投產(chǎn)時使用的燃料；平臺投產(chǎn)后，在油氣處理過程中會產(chǎn)生大量富余的天然氣 （油田伴生氣），此時主要使用經(jīng)冷卻、洗滌、壓縮、加熱等工藝處理后的氣體作為熱介質(zhì)供熱系統(tǒng)的燃料，避免了火炬燃燒排放時的能源浪費，節(jié)省大量的柴油供應(yīng)，節(jié)約了能源，減少和降低了環(huán)境污染。

1.2 系統(tǒng)調(diào)試步驟

1.2.1 系統(tǒng)機(jī)械安裝完工

機(jī)械設(shè)備、電氣、儀表、管路安裝完成且應(yīng)具有安裝檢驗報告，包括：清罐報告、電氣及儀表校線報告、儀表校驗報告、管系探傷報告、試壓吹掃報告、柴油管路酸洗鈍化或油沖洗完工報告等。系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備管路和電氣儀表處于良好完工狀態(tài)。

1.2.2 預(yù)調(diào)試

燃燒爐自身的功能測試，模擬狀態(tài)下的聯(lián)鎖及互鎖試驗、功能試驗、回路測試、熱介質(zhì)燃燒爐模擬關(guān)斷信號及功能試驗，熱介質(zhì)循環(huán)泵的調(diào)平對中及功能試驗，泵的轉(zhuǎn)向、系統(tǒng)的氣密試驗等。

1.2.3 注油及冷運(yùn)

工藝流程見圖1。

注入熱介質(zhì)前應(yīng)已完成系統(tǒng)管路及燃燒爐的強(qiáng)度試驗、嚴(yán)密性試驗并檢驗合格，完成清罐檢查并檢驗合格，查驗相應(yīng)報告。為防止試驗過程中柴油泄漏可能引發(fā)火災(zāi)，注油前應(yīng)檢查系統(tǒng)中管路法蘭及儀表連接處的狀況及墊片是否合適，螺栓是否緊固。對系統(tǒng)進(jìn)行0.3 MPa左右的氣密試驗，試驗介質(zhì)為壓縮空氣，用發(fā)泡劑檢驗各連接部位，保證系統(tǒng)密封性良好。注油及脫水過程中V1處于關(guān)閉狀態(tài)，打開V11、V3（排放罐內(nèi)的空氣）、V4，啟動9讓熱介質(zhì)油循環(huán)至1，罐內(nèi)熱介質(zhì)高度保持在罐體液位計滿量程的1/2左右，停9。緩慢打開V6、V8，并打開4與6之間的高點放空閥，注意1的液位并及時補(bǔ)充熱介質(zhì)油，保證1內(nèi)有一定的液面高度。1中液面基本保持不變時管路中即為充滿熱介質(zhì)，將V7、V9打開，打開3的放氣孔，觀察此時1內(nèi)液面，啟動9補(bǔ)充熱介質(zhì)，達(dá)到1內(nèi)液面高度為罐體液位計滿量程的1/3～1/2。

1.2.4 運(yùn)行

1.2.4.1 冷態(tài)運(yùn)行

工藝流程見圖1。冷態(tài)運(yùn)行 （簡稱冷運(yùn)）目的是通過循環(huán)泵在系統(tǒng)內(nèi)建立動態(tài)流動，將建造過程中殘留在系統(tǒng)管路及設(shè)備內(nèi)的焊渣、氧化皮等循環(huán)至過濾器內(nèi)，移出供熱系統(tǒng)，避免燃燒爐內(nèi)的盤管因阻塞發(fā)生爆炸事故或用戶得不到足夠的熱量。液位達(dá)到適宜高度后，調(diào)整系統(tǒng)中閥門狀態(tài)，準(zhǔn)備啟動3進(jìn)行冷運(yùn)。開始冷態(tài)循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)時按先主管路后支路 （用戶端）的順序進(jìn)行，通過觀察過濾器前后壓差變化，定期進(jìn)行濾芯更換，開始時間隔短 （一般為4 h左右），后續(xù)過程可逐漸延長更換濾芯時間和減少更換次數(shù)。冷運(yùn)時間長短會因管路施工狀態(tài)、系統(tǒng)內(nèi)用戶設(shè)備、管路長短等因素而不盡相同，濾芯上肉眼觀察不到顆粒雜質(zhì)時標(biāo)志著冷運(yùn)過程完成。

1.2.4.2 熱態(tài)運(yùn)行

熱態(tài)運(yùn)行 （簡稱熱運(yùn)）開始前關(guān)閉4、6間的放空閥及泵的排氣閥，關(guān)閉V8，啟動3，啟動燃燒爐進(jìn)行熱介質(zhì)油熱運(yùn)串油工作。檢查3前的Y型濾器和4的清潔度，避免焊渣及鐵銹等雜物聚集濾網(wǎng)內(nèi)增加管路的阻力而影響冷運(yùn)循環(huán)的效率、延長冷運(yùn)循環(huán)的時間。冷運(yùn)合格后啟動燃燒爐開始熱運(yùn)脫水，循環(huán)平穩(wěn)，濾器濾網(wǎng)內(nèi)無可見顆粒時熱運(yùn)結(jié)束。熱油爐系統(tǒng)開始升溫時緩慢升至95℃左右，水分開始蒸發(fā)；當(dāng)溫度升至110～140℃時要保持24 h左右，以脫去導(dǎo)熱油中的水分；再升至180～200℃以脫去餾分。

2 思考及建議

2.1 系統(tǒng)調(diào)試和脫水工藝中出現(xiàn)問題的分析

（1）系統(tǒng)完工狀態(tài)不理想。各專業(yè)工程師對系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)進(jìn)展的程度不能完全掌握，其原因是缺少一個能供所有工程人員共享的管理平臺，以至于只能通過人工方式詢問，有時這種方式也不能真實反應(yīng)其狀態(tài)，比實際情況有一定滯后性。

（2）熱介質(zhì)初次注入。膨脹罐位于整個供熱系統(tǒng)的最高處，由補(bǔ)給泵將熱介質(zhì)從處于整個系統(tǒng)最低處的儲存罐泵到最高位置處，然后經(jīng)管路循環(huán)至整個系統(tǒng)，這就意味著從系統(tǒng)高處向低處注入導(dǎo)熱油，若上部閥門開度較大，將不利于導(dǎo)熱油管路中的氣體從整個管路中排出，可能會產(chǎn)生氣阻現(xiàn)象，并容易將熱介質(zhì)從4與6之間的放空閥門排出。

（3）水氣的排放。在熱運(yùn)過程中，當(dāng)熱介質(zhì)加熱到110℃左右時大量水分被汽化，管路中的熱介質(zhì)體積膨脹，通過液位計可以觀測到此時液位較剛加熱時增加很多，膨脹罐上部的呼吸口會有大量的水蒸氣冒出。在某平臺熱介質(zhì)脫水作業(yè)中將1上的V3及排放口從罐體拆卸下來，可以看到有大量霧氣從排放口排出，同時蒸汽在上升排放的過程中部分冷凝成液態(tài)，并有液膜覆在罐壁內(nèi)。如汽流速度很大可能使部分壁面直接暴露于蒸汽中，使得表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增大，加速蒸汽冷凝，液體沿管壁及罐壁重新進(jìn)入供熱系統(tǒng)中循環(huán)，這將增加燃燒爐的熱負(fù)荷，增加能源消耗，同時也很難將其中的水分完全脫除。

（4）泵的異常工作。當(dāng)溫度升到110℃左右時，汽化的水分隨溫度的升高而增多，如來不及排出，循環(huán)泵會出現(xiàn)吸空現(xiàn)象。在某平臺熱介質(zhì)脫水作業(yè)中可以觀察到此時泵進(jìn)出口壓力表讀數(shù)有較大幅度的變化，出口讀數(shù)在較大范圍內(nèi)波動且極不穩(wěn)定；進(jìn)口讀數(shù)較正常工作時低。泵的噪聲很大，發(fā)出刺耳的聲音，泵軸及電機(jī)溫度有明顯溫升。熱介質(zhì)油流量會減少，這樣會造成熱介質(zhì)局部過熱，降低其導(dǎo)熱系數(shù)，如操作不當(dāng)，則可能發(fā)生事故。此時應(yīng)停止加熱，保持溫度，適當(dāng)減小循環(huán)泵出口閥門開度，同時可以啟用另外兩臺泵，關(guān)閉原來使用的兩臺泵，以避免異常工作條件下溫升過高，損壞泵和電機(jī)，同時保證熱介質(zhì)在系統(tǒng)中正常循環(huán)。

（5）管路中的金屬雜質(zhì)對熱介質(zhì)品質(zhì)的影響。冷態(tài)循環(huán)和熱態(tài)循環(huán)時，在循環(huán)泵進(jìn)口處的Y型過濾器及籃式過濾器的濾網(wǎng)內(nèi)都發(fā)現(xiàn)有焊渣、大塊的鐵銹，熱介質(zhì)顏色也由開始進(jìn)入系統(tǒng)時的黃色變成紫黑色。原因是燃燒爐、膨脹罐、儲油罐以及輸送管道在建設(shè)安裝結(jié)束后，不能充分清理內(nèi)部殘留的焊渣、鐵銹等機(jī)械雜質(zhì)。這些金屬雜質(zhì)的存在都會促進(jìn)熱介質(zhì)的分解和劣化變質(zhì)，不但縮短熱介質(zhì)的使用壽命，也易使金屬附著在爐管內(nèi)壁，造成受熱面過熱，引起局部過熱，增加系統(tǒng)阻力，可能成為結(jié)焦中心，導(dǎo)致結(jié)焦加劇，影響熱介質(zhì)性能，同時也可能堵塞加熱盤管，嚴(yán)重時會影響燃燒爐的安全運(yùn)行。溫度超過60℃后熱介質(zhì)隨溫度升高而氧化作用成倍增加，熱介質(zhì)的氧化速度與金屬接觸面積也有關(guān)系。同時在脫水時，膨脹罐內(nèi)熱介質(zhì)直接與大氣接觸，110～130℃是熱介質(zhì)主要脫水溫度范圍，也是氧化的主要階段，該階段也促使了熱介質(zhì)的氧化，影響了其導(dǎo)熱性能。

2.2 改進(jìn)建議

（1）使用工程管理軟件。在施工過程中涉及到機(jī)、管、電、儀等專業(yè)的交叉作業(yè)時，使用工程管理軟件可以更好地對各個專業(yè)進(jìn)行監(jiān)督和管理，即時了解系統(tǒng)中各專業(yè)完工狀態(tài)及存在的問題，可以避免施工過程中的遺漏。

（2）試壓與吹掃。管路液壓 （通常是以水做介質(zhì)）試驗后，應(yīng)充分排凈水分；氣密試驗以氮氣為宜，并吹掃干凈。熱介質(zhì)燃燒爐的氣密試驗采用壓縮空氣 （最好是氮氣），避免水壓試驗后水排除不盡。應(yīng)盡可能清除系統(tǒng)管路及爐內(nèi)水分，為系統(tǒng)脫水作業(yè)營造好的條件。冷運(yùn)過程中盡可能地將管路中的機(jī)械雜質(zhì)帶至過濾器，減少機(jī)械雜質(zhì)對熱介質(zhì)在高溫脫水中的氧化作用。

（3）增加注油旁路管道。初次注入時可在熱介質(zhì)補(bǔ)給泵出口增加旁路管道 （如圖1中虛框B部分所示），過濾器前部管道位置比膨脹罐低，在管道中也處于較低位置，這有利于管道中的氣體從高處的膨脹罐中排出，注油時關(guān)閉V4、V8，打開V3、V6、V7、V12，讓熱介質(zhì)油從較低位置注入系統(tǒng)。

（4）增加油氣分離裝置?？梢栽赩7與熱油循環(huán)管道之間增加油氣分離器及閥門 （如圖1虛框A所示），油氣分離器作用是用來分離并排出供熱系統(tǒng)中的空氣、水蒸氣及其他氣體，從而保證導(dǎo)熱油在液相無氣、水的狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行。在脫水過程中就可以不必將V3拆卸，僅置V3于較小開度，可避免熱介質(zhì)在溫度較高時較長時間地與空氣接觸而氧化，同時也可將水分脫除得較為徹底。

（5）增加自動調(diào)節(jié)管道。建議在膨脹罐與循環(huán)管路之間增加一個虹吸管 （如圖1虛框C所示），除脫水、開啟和停車等工藝參數(shù)波動大的階段開啟V6、V7之外，正常操作時V6、V7關(guān)閉，熱介質(zhì)熱脹冷縮由虹吸管調(diào)節(jié)，這樣可降低膨脹罐內(nèi)熱介質(zhì)溫度，大大減緩氧化速度。在膨脹罐上安裝溢流管，并連接到儲存罐上，溢流管的直徑與膨脹管直徑一樣，溢流管不安裝閥門。

（6）安全風(fēng)險識別和控制。調(diào)試過程中將用柴油作為燃料，柴油是易燃物品，由于交叉作業(yè)的存在，增加了因泄漏產(chǎn)生火災(zāi)的潛在風(fēng)險。因此要做好風(fēng)險識別判斷和控制工作，落實好作業(yè)許可制度，確保調(diào)試過程安全順利進(jìn)行。

3 結(jié)束語

熱介質(zhì)供熱系統(tǒng)調(diào)試工作是海洋石油平臺按期投產(chǎn)和油氣處理系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行必不可少的一個環(huán)節(jié)，而該系統(tǒng)調(diào)試順利與否又跟施工狀態(tài)有很大的關(guān)系。在施工過程中應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)環(huán)節(jié)上的監(jiān)督與溝通，采用計算機(jī)輔助管理，完善優(yōu)化施工和管理流程，更加科學(xué)地組織施工，確保系統(tǒng)處于良好完工狀態(tài)；制訂完備的調(diào)試方案，優(yōu)化熱介質(zhì)脫水過程工藝，充分考慮系統(tǒng)自身工藝特點，考慮過程的經(jīng)濟(jì)性，縮短系統(tǒng)調(diào)試時間，在保證系統(tǒng)調(diào)試安全、有序、可行的前提下，為平臺按時投產(chǎn)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

[1]GB/T 17410-1998，有機(jī)熱載體爐[S].

[2]化工部工業(yè)爐設(shè)計技術(shù)中心站.化學(xué)工業(yè)爐設(shè)計手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1988.

[3]汪琦．載熱體加熱系統(tǒng)的工藝流程[J]．化工裝備技術(shù)，1994，15（1）：8-10.

[4]張玉琴．有機(jī)熱載體的特點及使用中應(yīng)注意的問題[J]．鍋爐壓力容器安全技術(shù)，1999，（5） ：53-54.

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[6]施建新．導(dǎo)熱油鍋爐技術(shù)特性和發(fā)展概況綜述[J]．導(dǎo)熱油鍋爐技術(shù)，1992 ，（2） :1-6.

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[9]趙剛山，甘李軍．導(dǎo)熱油系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用[J]．燃料與化工，2003，34（2）:98-100.

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Debugging and Suggestions about Hot Medium Heat Supply System in Offshore Oil-gas Field

LU Dong-liang（Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.， Tianjin 300452，China），LU Qing-liang，WANG Dong-sheng，et al.

The heat supply system using hot medium in offshore oil-gas field saves much energy due to its full use of the associated gas produced in the process of oil and gas production as a fuel.This system has a stable heat transfer,high thermal efficiency,reliable program control,simple and convenient operation.It is widely used in offshore oil platforms as a major heat supply way for oil-gas field production and processing.This article introduces the structure and debugging of the hot medium heat supply system in offshore production operation platform.Moreover,it discusses control and management in the debugging process and gives some improvement suggestions.

offshore oil-gas field;production technology;thermal medium;heat supply system;debugging

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.04.004

鹿棟梁 (1979-)，男，江蘇徐州人，工程師，2004年畢業(yè)于鄭州大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)，從事海洋石油平臺、FPSO、鉆井船舶建造及系統(tǒng)調(diào)試工作。

2011-08-19