□ 李 巖

勝利石油管理局有限公司 新能源開發(fā)中心 山東東營 257000

1 板式換熱器概述

勝利油田具有豐富的采出水余熱資源,近年來,采出水余熱利用在勝利油田集輸站庫得到廣泛應(yīng)用。通過板式換熱器加熱泵機組的工藝,利用板式換熱器提取余熱水熱量進入熱泵,通過熱泵制取高品位熱量,高品位熱量再通過板式換熱器對集輸站庫內(nèi)的來液、外輸液等進行加熱,以此來代替站內(nèi)加熱爐。油田余熱利用項目可以有效減少天然氣消耗,實現(xiàn)綠色低碳生產(chǎn),改進節(jié)能減排,具有良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

板式換熱器在油田采出水余熱利用項目中是關(guān)鍵設(shè)備,起到至關(guān)重要的作用。在實際應(yīng)用中,板式換熱器一次側(cè)為軟化水,不會發(fā)生堵塞結(jié)垢等問題,運行較為平穩(wěn)。但板式換熱器二次側(cè)受油田采出水和油水混合液礦化度高、鈣鎂離子含量高、含雜質(zhì)多等影響,存在易結(jié)垢、易腐蝕、易堵塞、易泄漏、易氣阻等問題,換熱效果及運行穩(wěn)定性受到嚴(yán)重影響。另一方面,由于頻繁清洗、拆裝,使板式換熱器壽命縮短,維修費用增加,工人勞動強度加大,浪費了熱源,增加了運行成本。筆者主要對板式換熱器在油田集輸站庫采出水余熱利用項目中出現(xiàn)的常見問題進行分析,板式換熱器應(yīng)用原理如圖1所示。

圖1 板式換熱器應(yīng)用原理

2 換熱器選型

換熱器在油田采出水余熱利用項目中應(yīng)用,選型需考慮幾個關(guān)鍵技術(shù)問題。

第一,油田采出水及含水原油中氯離子含量均接近甚至達(dá)到1%,對換熱器材料耐腐蝕能力的要求極高。

第二,在需求負(fù)荷不變的情況下,余熱回收產(chǎn)生的高溫?zé)崴臏囟仍降?回收的經(jīng)濟性越高,這意味著熱源高溫水的溫度應(yīng)當(dāng)與被加熱含水原油要求達(dá)到的工藝溫度相接近,即小溫差換熱。

第三,含水原油的黏度較高,對換熱器的阻力降有較嚴(yán)格的要求,即含水原油側(cè)的阻力降不能大于1.0 MPa,否則會影響正常生產(chǎn)。

第四,所處理的含水原油及含油采出水在溫度變化過程中會存在結(jié)蠟現(xiàn)象和嚴(yán)重的結(jié)垢情況,換熱器有堵塞的風(fēng)險。

第五,被加熱的來液成分復(fù)雜,包含油、氣、水、雜質(zhì)等,造成換熱器使用工況復(fù)雜,影響換熱器的換熱效果與使用壽命。

第六,由于是改造項目,空間有限,因此換熱器的尺寸也是重要考慮因素。

目前國內(nèi)各石油化工行業(yè)常用的換熱器有管殼式換熱器、螺旋板式換熱器、板式換熱器三種,三種換熱器的參數(shù)與特點見表1。

表1 換熱器參數(shù)與特點

油田采出水余熱利用項目換熱器主要用于含水原油加熱,被加熱介質(zhì)所含成分復(fù)雜,易結(jié)垢,黏度高,應(yīng)選擇不易結(jié)垢且結(jié)垢后易于清除的換熱器。以下對三種換熱器進行對比。

管殼式換熱器相比螺旋板式換熱器,總傳熱系數(shù)低,壓損大,體積大,占地面積大,平面布置受限,所以不推薦選用管殼式換熱器。

經(jīng)過對油田現(xiàn)有換熱器運行情況調(diào)研,螺旋板式換熱器被加熱介質(zhì)通道尺寸較寬,壓損較小,耐堵性較好,但材料因成本因素一般選用碳鋼,抗腐蝕能力較弱,使用壽命在6 a以內(nèi),后期維護成本較高。

板式換熱器傳熱系數(shù)最高,設(shè)備占地小,具備擴容能力。通過采用合理的板片流道設(shè)計,可以解決壓損較大、易堵塞的問題。因為換熱效率較高,可以大大減小換熱面積,減小換熱端差。此外,采用鈦板材料價格適中,抗腐蝕性較強。由此,板式換熱器性價比最高。

綜合以上對比分析,油田采出水余熱利用項目選用板式換熱器作為油田采出水側(cè)和含水原油側(cè)的換熱設(shè)備,具有良好的實用性與經(jīng)濟性。

3 常見問題

3.1 堵塞

板式換熱器在油田采出水余熱利用項目中較為常見的一個問題是堵塞,發(fā)生堵塞的主要原因有四方面。第一,板式換熱器的通道間隙僅為3～8 mm,若直徑超過4 mm的顆粒雜物經(jīng)過,就有可能使板式換熱器通道發(fā)生阻塞。第二,油田采出液中所含雜質(zhì)較多,如雜草、有機絮狀物、棉紗等,雜質(zhì)顆粒半徑均較大,極易造成板式換熱器堵塞。第三,油田采出水中含有原油、泥沙、膠質(zhì)等,當(dāng)含油量大于200 mg/L時,會出現(xiàn)膠質(zhì)和油泥掛壁、結(jié)蠟等,易造成板式換熱器堵塞。由于膠質(zhì)和油泥不溶于各種表面活性劑,采用藥劑加在線常規(guī)循環(huán)清洗的方式無法達(dá)到解堵目的,因此必須進行板式換熱器拆解清洗,需要投入大量人力物力。 第四,油田采出液中含有大量鈣離子、鎂離子,經(jīng)過板式換熱器時會在板片表面結(jié)垢,產(chǎn)生碳酸鈣、碳酸鎂等沉淀物,使通道變窄堵塞。板式換熱器堵塞如圖2所示。

圖2 板式換熱器堵塞

3.2 泄漏

板式換熱器在油田采出水余熱利用項目中存在的泄漏問題主要包括外漏和內(nèi)漏。通常情況下,外漏產(chǎn)生的原因主要是工作人員在進行夾緊時沒有夾到位,板式換熱器各個部位尺寸不均勻,實際偏差較大,使夾緊螺釘產(chǎn)生松動,在運行過程中密封墊出現(xiàn)脫離密封槽的情況,加之密封墊沒有進行定期清理,在密封墊內(nèi)部存在雜物,導(dǎo)致密封墊受到損壞或老化,由此板式換熱器發(fā)生外漏。

在油田采出水余熱利用項目中,板式換熱器的材料選擇鈦板,因此一般情況下腐蝕并不是內(nèi)漏的主要原因。引起內(nèi)漏的原因主要是板片在經(jīng)過冷沖壓成型之后內(nèi)部存在殘余應(yīng)力,裝配夾緊尺寸較小,殘余應(yīng)力得不到良好的釋放;在集輸聯(lián)合站,油田采出液液量經(jīng)過三相分離器分離處理后具有波動性,并且分離后的液量不僅有油、水,還含有大量氣體;通過三相分離器的液量經(jīng)過板式換熱器加熱時,氣體及液量的波動性使板片振動變形;持續(xù)的振動變形與殘余應(yīng)力相互疊加,由此造成板片隱裂,從而發(fā)生內(nèi)漏。板片隱裂如圖3所示。

圖3 板片隱裂

3.3 氣阻

板式換熱器在油田采出水余熱利用項目中會產(chǎn)生氣阻問題,氣體主要來自于兩部分。一部分是三相分離器分離不徹底仍然存在于油水混合液中的伴生氣,另一部分是油氣水混合液經(jīng)過板式換熱器加熱后從中析出的伴生氣。氣阻不僅會增大板式換熱器的壓差,而且會大大降低加熱效果。如高青輸油站污水余熱資源利用項目2019年12月30日投運時,輸油站生產(chǎn)系統(tǒng)壓力升高,加溫效果勉強達(dá)到設(shè)計溫升指標(biāo)的一半。經(jīng)測量,板片上部溫度普遍高于下部溫度。經(jīng)多方論證分析,最終原因為新建余熱利用系統(tǒng)的余熱換熱器及原油換熱器加裝在預(yù)分水器之后、三相分離器之前,原油來液經(jīng)過換熱器加熱,分離出大量伴生氣,氣體滯留在板式換熱器通道內(nèi),產(chǎn)生氣阻,使系統(tǒng)運行壓力升高,換熱效果降低。氣體滯留區(qū)如圖4所示。

圖4 氣體滯留區(qū)

4 解決方法

4.1 堵塞

(1) 選擇取水點。為解決油田采出水余熱利用項目中因膠質(zhì)和油泥掛壁造成的板式換熱器堵塞問題,需要合理選擇取水點。一般在保證取水溫度的前提下,對經(jīng)過系統(tǒng)處理后的水進行取水,這樣可以大大減少板式換熱器堵塞問題。以濱南稠油首站為例,因為未經(jīng)過處理,采出水中含油及懸浮物較多。經(jīng)過金剛砂過濾器后,出水水質(zhì)指標(biāo)含油量不高于5.3 mg/L,懸浮固體含量不高于4.7 mg/L,硫酸鹽還原菌不多于25個/mL,平均腐蝕速率不高于0.055 mm/a,懸浮物顆粒直徑中值不大于2.8 μm,均滿足注水的標(biāo)準(zhǔn)限值要求,水質(zhì)較好。

(2) 安裝反沖洗過濾器。為了盡可能減少油田采出液中各種雜質(zhì)進入板式換熱器,降低板式換熱器清洗頻次,可以在板式換熱器前端安裝過濾器。傳統(tǒng)應(yīng)用于板式換熱器管道上的過濾器,主要有Y型、籃式,采用人工清洗的方式,清洗過程中不僅費時費力,而且極易造成內(nèi)部介質(zhì)外泄,污染土壤和環(huán)境,造成后續(xù)雜質(zhì)處理等問題,以及人工費用支出。對此,安裝反沖洗過濾器,能夠降低過濾器拆解清洗時造成的介質(zhì)外泄污染環(huán)境風(fēng)險,同時解決流體中各種雜質(zhì)堵塞板式換熱器通道問題。當(dāng)進出口出現(xiàn)壓差時,反沖洗過濾器實現(xiàn)自動沖洗,降低人工勞動強度。

(3) 拆解清洗。拆解清洗的常規(guī)做法為拆開板片后不取下,將其懸掛于導(dǎo)桿上來進行清洗。但是,板式換熱器應(yīng)用于油田采出水余熱利用項目時,板片表面沾滿油泥及各種雜質(zhì),懸掛于導(dǎo)桿上很難達(dá)到清洗效果。對此,需要將板片從導(dǎo)桿上取下,使用清洗劑和軟毛刷清洗。在冬季,在室外將板片拆下,清潔前需要進行標(biāo)記,做到輕拿輕放,防止人工損壞板片。此外,禁止使用剛絲絨刷或鋼鋸來清潔板片,這樣可以避免損壞板片表面,不使結(jié)垢物殘留,不對板片產(chǎn)生腐蝕。

(4) 增加反沖洗流程。為及時保證板式換熱器通道暢通,提高換熱效果,減小壓降,在板式換熱器進出口流程增加反沖洗流程。導(dǎo)入反沖洗流程后,板式換熱器的進口變?yōu)槌隹?出口變?yōu)檫M口,用液量反走實現(xiàn)清洗的目的。要求運維人員每周進行至少兩次反沖洗,每次不短于1 h。以義和聯(lián)合站余熱利用項目為例,每次反沖洗之后,平均原油加熱溫度提升2 K,壓降減小0.01 MPa,有效保證了系統(tǒng)正常運行。反沖洗流程現(xiàn)場如圖5所示。

圖5 反沖洗流程現(xiàn)場

(5) 進行在線清洗。針對油田采出水余熱利用項目板式換熱器應(yīng)用特性,研究板式換熱器在線清洗技術(shù)。在板式換熱器進出口安裝管線處,用清洗小車和循環(huán)清洗劑對板式換熱器通道中的臟物或結(jié)垢進行在線清除。在對臟物和結(jié)垢進行清除之前,要對板式換熱器中的化學(xué)物質(zhì)進行充分了解和分析,在此基礎(chǔ)上合理利用相應(yīng)的物質(zhì)作為清洗液,對于特殊化學(xué)物質(zhì),還要進行溫度控制。在進行酸洗除垢時,工作人員將配好的清洗液注入板式換熱器,浸泡一段時間后進行循環(huán),最后使用清水對殘留的酸液進行清除。進行油泥解堵時,在清洗小車上安裝變頻器,在進出口管道上安裝壓力表,清洗時根據(jù)壓力情況及時調(diào)整排量,避免因壓力過大引起板式換熱器泄漏。同時對清洗液的流速進行嚴(yán)格控制,排量太小,會達(dá)不到清洗效果,排量太大,則易損傷板片。清洗小車如圖6所示。

圖6 清洗小車

4.2 泄漏

(1) 外漏。在板式換熱器沒有受到壓力的情況下,相關(guān)制造廠家要對夾緊裝配進行充分分析,在此基礎(chǔ)上對夾緊尺寸進行控制。應(yīng)用板式換熱器時,工作人員需要確保夾緊尺寸的偏差不能超過規(guī)定數(shù)值,兩側(cè)壓緊板之間的平行度要始終保持在規(guī)定范圍內(nèi)。在外漏現(xiàn)象發(fā)生時,需要對發(fā)生部位進行標(biāo)記,再對板式換熱器進行解體排查,根據(jù)實際情況進行分析。在板式換熱器解體過程中,對板片的變形部位進行及時維修和更換。如果沒有備用板片,那么應(yīng)該對變形的板片進行拆除或重新進行組裝,這樣板式換熱器才能正常工作。

(2) 內(nèi)漏。在板式換熱器進行設(shè)計制作時,要充分考慮油田采出液采出水聯(lián)合站生產(chǎn)場景的特殊性,特別是要充分考慮進入板式換熱器液量波動及氣體引起的板式換熱器持續(xù)振動影響,充分釋放板式換熱器內(nèi)部殘余應(yīng)力,提高板片邊緣易斷裂處的強度。要建立板式換熱器軟化水側(cè)水質(zhì)定期化驗跟蹤機制,通過軟化水指標(biāo)來判斷板式換熱器是否存在內(nèi)漏問題。一旦發(fā)現(xiàn)內(nèi)漏情況發(fā)生,必須立即停運板式換熱器,對板式換熱器進行拆解檢查?？梢岳猛腹夥ɑ蛟噭└櫡▽Π迤牧鸭y進行確認(rèn),對隱裂的板片進行更換。在對板式換熱器進行維修組裝時,要嚴(yán)格控制夾緊尺寸,保證達(dá)到規(guī)定的數(shù)值。需要注意,夾緊尺寸并不是在所有情況下都是越小越好。需要對板式換熱器不同的應(yīng)用場景進行分析,及時對進入板式換熱器液量的參數(shù)和指標(biāo)進行合理調(diào)整。對于由于氣體進入板式換熱器帶來振動而引發(fā)內(nèi)漏的問題,可以在板式換熱器來液進出口處增加板式換熱器保護裝置,主要原理為將氣體從保護裝置上端排氣管道引入來液輸出管道,從而減少進入板式換熱器的氣體。板式換熱器保護裝置如圖7所示。

圖7 板式換熱器保護裝置

4.3 氣阻

解決氣阻問題的最佳方法為增加引氣流程,盡可能減少進入板式換熱器的氣體。例如,高青輸油站污水余熱資源利用項目為解決板式換熱器氣阻問題,增加引氣流程,將板式換熱器分離出的氣體引出,排至加熱爐出口。增加引氣流程后,徹底解決了板片上部溫度普遍高于下部溫度的問題,板式換熱器進出口匯管的壓力下降0.08 MPa,預(yù)分水器的運行壓力明顯下降,由增加引氣流程前的0.47 MPa降至增加引氣流程后的0.39 MPa,由此保障了系統(tǒng)的正常。增加引氣流程如圖8所示。

圖8 增加引氣流程

5 結(jié)束語

板式換熱器在油田采出水余熱利用項目中是關(guān)鍵設(shè)備,筆者主要對板式換熱器在油田集輸站庫采出水余熱利用項目中出現(xiàn)的堵塞、泄漏、氣阻常見問題進行分析,并提出解決方法,以供業(yè)內(nèi)參考。