侯辰光，王偉銘，吳 磊，鐘小俠

（中海石油（中國）有限公司天津分公司 天津 300459）

0 引 言

冷卻水系統(tǒng)是海上油氣田平臺公用系統(tǒng)的重要組成部分，是平臺油氣處理流程安全穩(wěn)定運行的重要保障。渤海海域海水溫度變化介于 -1～28 ℃，是良好的天然冷卻劑，因此，海上油氣田平臺一般采用海水直接冷卻技術(shù)。海水直接冷卻技術(shù)具有取水溫度低、運維成本低、冷卻效率高等優(yōu)點，但由于海水含鹽量較高，平均含鹽量在3.5%左右［1］，對管線和設(shè)備的腐蝕性較大，海水中大量微生物和海生物長時間的積聚也會造成設(shè)備堵塞和管線腐蝕。隨著渤海凝析氣田陸續(xù)啟動開發(fā)，凝析氣田天然氣處理、回注、外輸流程對冷卻水的需求大增，海水對設(shè)備的腐蝕和堵塞問題更加突出，繼續(xù)使用海水直接冷卻技術(shù)存在較高風(fēng)險。因此，海上平臺迫切需要一種新型冷卻技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)冷卻技術(shù)。

國內(nèi)目前主流的工業(yè)冷卻技術(shù)包括海水循環(huán)冷卻技術(shù)和淡水循環(huán)冷卻技術(shù)等，通過對海水循環(huán)冷卻技術(shù)和淡水循環(huán)冷卻技術(shù)在海上平臺推廣使用的可行性研究，發(fā)現(xiàn)由于海上平臺空間有限、設(shè)備集中，不具備設(shè)置冷卻塔等大型冷卻設(shè)備的基礎(chǔ)條件，故均不適用于海上油氣田平臺。為此，本文提出一種集中式循環(huán)冷卻技術(shù)，綜合了海水直接冷卻技術(shù)和淡水循環(huán)冷卻技術(shù)，并進(jìn)行了適應(yīng)性改造設(shè)計，利用海水直接冷卻系統(tǒng)代替淡水冷卻塔對淡水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，通過此方法，既可以充分利用天然海水冷能，也能解決海水腐蝕和堵塞問題，從而達(dá)到了大幅提高海上平臺冷卻系統(tǒng)運行穩(wěn)定的目的。

1 集中式循環(huán)冷卻技術(shù)原理及應(yīng)用環(huán)境

1.1 技術(shù)原理

集中式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)主要由海水冷卻系統(tǒng)和閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)組成，海水冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備是海水提升泵，海上平臺一般設(shè)置為 1 用 1 備，備用海水泵在主海水泵故障或海水系統(tǒng)壓力不足時啟動，以保持海水系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定和滿足下游的冷卻需求。海水提升泵將海水泵送至平臺，經(jīng)過海水濾器過濾雜質(zhì)，并且借由防海生物裝置減少海生物的進(jìn)入，過濾后的海水與循環(huán)冷卻水在冷卻水換熱器中交換熱量，后海水?dāng)y帶廢熱排回大海。

閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備是閉式循環(huán)泵和冷卻水膨脹罐。經(jīng)過與海水換熱后的低溫冷卻水，經(jīng)由閉式循環(huán)泵增壓至設(shè)定的壓力，進(jìn)入壓縮機各級的冷卻器與天然氣進(jìn)行換熱，攜帶廢熱的冷卻水通過閉式環(huán)路管線回流至冷卻水換熱器進(jìn)行降溫，以此實現(xiàn)閉式循環(huán)冷卻。冷卻水膨脹罐儲存部分冷卻水用于緩沖冷卻水受熱膨脹量和補充冷卻水蒸發(fā)的缺失，因此，膨脹罐必須保持合適的液位和壓力。

1.2 技術(shù)創(chuàng)新

①集中式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)與常規(guī)海上平臺海水冷卻系統(tǒng)不同，具有既能高效利用海水天然冷能、又能避免海水直接接觸油氣處理設(shè)備的優(yōu)勢，能夠有效降低海水對油氣處理設(shè)備的腐蝕，避免因海生物附著造成的冷卻器堵塞，切實提高了冷卻水系統(tǒng)運行的效率和穩(wěn)定性。

②集中式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)與常規(guī)海上船舶用淡水循環(huán)冷卻系統(tǒng)不同，冷卻介質(zhì)采用蒸餾水和乙二醇等添加劑混合冷卻水，能夠有效減少因淡水結(jié)垢、沉淀等因素導(dǎo)致的冷卻器冷卻效果下降的問題。

③為提升海上平臺操作人員作業(yè)效率、提高海上平臺設(shè)備智能化程度，冷卻系統(tǒng)采用“集中式”控制系統(tǒng)，即對海水冷卻系統(tǒng)和閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)的啟停進(jìn)行集中控制、對數(shù)據(jù)進(jìn)行集中監(jiān)測、對流程進(jìn)行集中管理?！凹惺健笨刂浦饕ㄟ^增加遠(yuǎn)程監(jiān)控、控制設(shè)備、設(shè)置邏輯關(guān)聯(lián)和編制系統(tǒng)管理手冊實現(xiàn)，并在中央控制室單獨設(shè)置控制屏幕，操作人員可通過控制界面實時監(jiān)控冷卻水系統(tǒng)壓力、溫度、流量等各項參數(shù)并遠(yuǎn)程控制調(diào)節(jié)，有效提高操作人員對冷卻水系統(tǒng)的管理效率和應(yīng)急響應(yīng)速度。

1.3 應(yīng)用環(huán)境

海上油田開發(fā)項目涉及范圍廣泛，由于平臺作業(yè)環(huán)境特殊、特別是平臺空間有限，流程設(shè)計需要綜合考慮成本、技術(shù)、效益等一系列因素。以產(chǎn)油為主的生產(chǎn)平臺伴生氣產(chǎn)量有限，冷卻水需求量較小，海水直接冷卻系統(tǒng)可通過增設(shè)防海生物裝置、提高耐腐蝕等級、增加備用等方式有效緩解海水腐蝕和堵塞問題，投入成本低、空間占用少，而且其經(jīng)濟(jì)適用性較高。

集中式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)適用于冷卻需求較大的產(chǎn)氣平臺。以產(chǎn)氣為主的采油平臺天然氣產(chǎn)量高，處理流程復(fù)雜，脫水、脫凝析油、回注、外輸?shù)攘鞒叹枋褂么罅坷鋮s水對天然氣進(jìn)行降溫，使用海水直接冷卻會導(dǎo)致腐蝕和堵塞加劇，會增加系統(tǒng)故障風(fēng)險和安全隱患，而集中式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)可有效避免以上問題，保障冷卻系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

2 集中式循環(huán)冷卻技術(shù)應(yīng)用實例

渤海某凝析氣田是我國渤海第一個大型、整裝、高產(chǎn)、特高含凝析油的凝析氣田，該凝析氣田開發(fā)項目由多個海上平臺組成油田群落，其中包含生產(chǎn)平臺、處理平臺和注氣平臺，本項目是渤海首次應(yīng)用集中式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。本文將對某凝析氣田開發(fā)項目的增壓注氣平臺的集中式循環(huán)冷卻系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用進(jìn)行介紹。

2.1 閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)

渤海某凝析氣田增壓注氣平臺的閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)主要由 1 臺 26 m3的冷卻水膨脹罐， 2 臺800 m3/h、3臺1 520 m3/h的冷卻水循環(huán)泵（4用1備）、3臺18 400 kW的冷卻水換熱器（2用1備）、冷卻水補充流程、防垢劑注入流程和下游用戶組成，流程如圖1所示。

圖1 閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow chart of closed circulating cooling water system

冷卻水經(jīng)循環(huán)泵輸送至各天然氣壓縮機，為天然氣壓縮機級間冷卻器供應(yīng)冷卻水。下游用戶主要包括4臺天然氣壓縮機的8臺級間冷卻器。

2.2 海水冷卻系統(tǒng)

該凝析氣田增壓注氣平臺海水系統(tǒng)主要包括 5 臺海水提升泵，其中 2 臺1 000 m3/h海水泵為變頻控制、3 臺1 500 m3/h為定頻控制，以及2 臺海水自動反洗粗過濾器、1 臺海水粗過濾器、1套防海生物裝置、下游用戶，流程如圖2所示。海水系統(tǒng)作為集中式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的重要組成部分，服務(wù)于閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的同時也兼顧平臺公用站和防海生物裝置的需要，其他用戶海水使用量約占總量的7%。

圖2 海水冷卻系統(tǒng)流程圖Fig.2 Flow chart of seawater cooling system

3 集中式循環(huán)冷卻技術(shù)設(shè)計要點

3.1 溫差選擇和流量計算

冷卻系統(tǒng)設(shè)計流量是前期設(shè)計最重要的數(shù)據(jù)之一，下游用戶冷卻器冷卻水進(jìn)出口溫差計算基于被冷卻的天然氣配產(chǎn)量和冷卻器天然氣進(jìn)出口溫差計算得出，經(jīng)過物料和熱量平衡模擬計算后得出換熱需要帶走的熱量q，由此熱量計算出所需冷卻水量W，計算公式如式（1）所示：

式中：W為所需冷卻水流率，m3/h；q為需要帶走的熱負(fù)荷，kcal/h；t1為冷卻水進(jìn)換熱器時的溫度，℃；t2為冷卻水出換熱器時的溫度，℃；Sp為冷卻水的比熱容，kcal/（m3·℃）。

(t2－t1)為冷卻器的冷卻水進(jìn)、出口溫差，經(jīng)過熱平衡模擬計算后，壓縮機級間冷卻器需要帶走的熱量以功率的形式給出，功率換算成kcal/h，換算公式如式（2）所示：

式中：q為需要帶走的熱負(fù)荷，kcal/h；p為以功率表示需要帶走的熱量，kW；k為kcal/h與kW之間的換算系數(shù)，一般

渤海某凝析氣田增壓平臺海域海水溫度取值為28 ℃，閉式淡水循環(huán)冷卻系統(tǒng)基于換熱溫差7 ℃，冷卻水經(jīng)過壓縮機級間冷卻器換熱，溫度由L33 ℃升至H40 ℃，然后在冷卻水換熱器中與海水完成熱量交換，溫度由H40 ℃重新降至L33 ℃，最終計算得出系統(tǒng)冷卻水的設(shè)計流量W1為4 560 m3/d。

海水冷卻系統(tǒng)基于換熱溫差8 ℃（水溫28～36 ℃），最終計算得出海水冷卻系統(tǒng)的設(shè)計流量W2為4 500 m3/d。按照渤海油田冷卻系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范和經(jīng)驗，換熱器海水進(jìn)出口溫差通常取8～10 ℃。

3.2 海水泵水量變頻控制

渤海海域冬夏季海水溫差較大，一般為 -1～28 ℃，海水系統(tǒng)的流量以夏季海水溫度為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計。通常海水泵按照最大負(fù)荷工況下的容量設(shè)計。大部分情況下，海水泵實際負(fù)荷均小于設(shè)計值［3］。

渤海某凝析氣田增壓平臺為注氣平臺，冷卻系統(tǒng)主要用戶為注氣天然氣壓縮機，因此，海水冷卻系統(tǒng)的實際需求量受注氣井工況和海水溫度影響，是持續(xù)變化的。特別是油田生產(chǎn)初期注氣需求較小或冬季海水溫度下降后，下游用戶所需海水流量大為減少，而海水泵流量并未變化，大量的海水被提升后直接排海，造成能量浪費。

如圖2所示，在海水泵出口設(shè)置 1 臺壓力傳感器，數(shù)據(jù)傳輸至中控室后，通過 PLC 計算合適的海水泵頻率并傳輸至海水泵變頻器實現(xiàn)海水泵變頻控制。設(shè)計工況下，海水取水溫度為28 ℃，海水泵額定排量為1 000 m3/h。

為進(jìn)一步確認(rèn)海水泵變頻控制的節(jié)能降耗效果，結(jié)合圖3海水泵性能曲線圖分別對海水溫度下降、下游冷卻需求下降等工況下定頻海水泵和變頻海水泵功率消耗進(jìn)行計算和對比，整合結(jié)果如表1所示。

表1 各工況下定頻海水泵和變頻海水泵功率消耗對比表Tab.1 Power consumption comparison table of constant frequency sea water pump and variable frequency sea water pump under various working conditions

圖3 海水泵性能曲線圖Fig.3 Performance curve of seawater pump

因此，當(dāng)海水需求量小于海水泵設(shè)計流量或海水溫度低于28℃時，海水泵變頻控制系統(tǒng)能有效降低海水系統(tǒng)能量的浪費，節(jié)能降耗效果顯著。

4 經(jīng)濟(jì)及社會效益

4.1 節(jié)約維保成本

據(jù)調(diào)研資料統(tǒng)計，渤海油氣田平臺單臺冷卻器維保清洗周期約為 6 個月，單臺維保清洗作業(yè)工期需要1天，而采用集中式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)后，天然氣壓縮機冷卻器無需定期清洗維保，而冷卻水換熱器維?？汕袚Q至備用，因此，冷卻水換熱器維保作業(yè)對流程運行無影響。以渤海某凝析氣田增壓平臺為例，預(yù)計每年可節(jié)省 16 次的天然氣壓縮機級間冷卻器的維保作業(yè)，大幅節(jié)約了后期維保成本支出，降本增效效果良好。

4.2 降低電能消耗

由上文分析可知，在海水溫度下降和下游用戶冷卻需求下降等工況下，變頻海水泵節(jié)能效果良好。渤海新建油氣田均采用岸電工程直接引入陸地電網(wǎng)的綠電，采用海水泵變頻控制系統(tǒng)不僅降低了電能消耗、節(jié)約電力成本支出，也有利于減少碳排放。

4.3 保障能源供應(yīng)

由于天然氣壓縮機冷卻器不設(shè)置備用，故維保期間天然氣壓縮機需要完全停機。天然氣壓縮機計劃停機和非計劃停機都會對海上平臺流程存在不良影響，對于天然氣驅(qū)開發(fā)油田，間斷天然氣注入可能會降低天然氣驅(qū)替地層原油的效果，進(jìn)而影響收益油井的產(chǎn)液量。而對于天然氣外輸平臺，天然氣壓縮機停機就意味著外輸天然氣量的減少。因此，采用集中式循環(huán)冷卻系統(tǒng)，對于保障海上平臺安全穩(wěn)定運行和能源供應(yīng)具有重要意義。

5 結(jié) 語

綜上所述，海上油田應(yīng)用集中式循環(huán)冷卻系統(tǒng)能夠有效解決海水直接冷卻技術(shù)導(dǎo)致的海水腐蝕、海水堵塞等一系列問題，能夠顯著提高冷卻水系統(tǒng)運行效率和穩(wěn)定性，進(jìn)而保障海上油田生產(chǎn)的安全和穩(wěn)定。在國際能源形勢瞬息萬變的今天，保障能源安全是國家能源戰(zhàn)略的首要目標(biāo)，因此，集中式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)在海上平臺的推廣應(yīng)用具有十分重要的意義。