海上油氣田熱介質供熱系統調試及建議

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.中海油田服務股份有限公司，天津 300452）

海上油氣田熱介質供熱系統調試及建議

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.中海油田服務股份有限公司，天津 300452）

海上油氣田熱介質供熱系統由于其充分利用油氣生產處理過程中產生的油田伴生氣作為加熱燃料，可以大量節約能源，同時該系統具有傳熱穩定、熱效率高、采用程序控制運行可靠、設備及系統操作簡便等諸多優點，在海上油氣田生產處理工藝中被越來越多地作為主要供熱方式廣泛使用。文章對海上生產作業平臺熱介質供熱系統的構成、系統調試進行了介紹，對調試過程的控制和管理進行了初步探討并提出了改進建議。

海上油氣田；生產工藝；熱介質；供熱系統；調試

0 引言

海上油氣田生產作業過程中需要使用供熱系統為油氣處理工藝提供生產必須的熱量。海洋石油平臺熱介質 （又稱有機載熱體、導熱油、熱媒）供熱系統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 （又稱有機熱載體加熱爐、導熱油爐、導熱油鍋爐、熱媒體鍋爐或油載體加熱爐）中燃燒產生熱量，通過熱量傳遞使系統中的熱介質獲得熱量，熱介質在封閉系統中不斷循環將熱量傳遞給各用戶。有機熱載體爐是20世紀30年代發展起來的新型高效熱能轉換設備，具有傳熱均勻穩定、安全可靠、全封閉運行無廢熱排放損失、操作運行簡便、節能效果顯著等優點，因而越來越多地應用于海洋石油平臺生產工藝系統。

熱介質供熱系統在使用中不能有水的介入，少量水分也會影響供熱系統的安全穩定運行。新購進的熱介質在生產、儲存、運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 《有機載熱體安全技術監察規程》的規定： “有機載熱體必須經過脫水方可使用”，因此在供熱系統正式投用之前需要進行加熱脫水操作。

1 熱介質供熱系統的調試

熱介質供熱系統調試主要是進行熱介質的冷態和熱態運行，同時進行系統內設備及儀表控制系統的功能驗證，大體包括以下幾個過程：專業機械完工、系統預調試、系統冷運、系統熱運等。此外調試過程中還要有風險識別的分析與預防、作業許可制度的執行、第三方船檢機構的監督、遺留問題的清除等環節。本文僅對該系統的陸地調試進行闡述。

1.1 熱介質供熱系統的構成和使用的燃料

熱介質供熱系統一般由熱介質膨脹罐、熱介質循環泵、熱介質燃燒爐、柴油罐、當地控制盤柜、CO2保護系統、氮氣保護控制裝置、熱介質儲存罐、熱介質排放罐、熱介質補給泵及熱用戶、管路、儀表控制系統等組成，擔負著為生產分離器、原油加熱器、閉排罐等供熱的任務。燃燒爐一般為雙燃料臥式燃燒火焰設計爐，平臺未投產或者投產前期以柴油作為系統調試和投產時使用的燃料；平臺投產后，在油氣處理過程中會產生大量富余的天然氣 （油田伴生氣），此時主要使用經冷卻、洗滌、壓縮、加熱等工藝處理后的氣體作為熱介質供熱系統的燃料，避免了火炬燃燒排放時的能源浪費，節省大量的柴油供應，節約了能源，減少和降低了環境污染。

1.2 系統調試步驟

1.2.1 系統機械安裝完工

機械設備、電氣、儀表、管路安裝完成且應具有安裝檢驗報告，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。系統內的設備管路和電氣儀表處于良好完工狀態。

1.2.2 預調試

燃燒爐自身的功能測試，模擬狀態下的聯鎖及互鎖試驗、功能試驗、回路測試、熱介質燃燒爐模擬關斷信號及功能試驗，熱介質循環泵的調平對中及功能試驗，泵的轉向、系統的氣密試驗等。

1.2.3 注油及冷運

工藝流程見圖1。

注入熱介質前應已完成系統管路及燃燒爐的強度試驗、嚴密性試驗并檢驗合格，完成清罐檢查并檢驗合格，查驗相應報告。為防止試驗過程中柴油泄漏可能引發火災，注油前應檢查系統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。對系統進行0.3 MPa左右的氣密試驗，試驗介質為壓縮空氣，用發泡劑檢驗各連接部位，保證系統密封性良好。注油及脫水過程中V1處于關閉狀態，打開V11、V3（排放罐內的空氣）、V4，啟動9讓熱介質油循環至1，罐內熱介質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的液位并及時補充熱介質油，保證1內有一定的液面高度。1中液面基本保持不變時管路中即為充滿熱介質，將V7、V9打開，打開3的放氣孔，觀察此時1內液面，啟動9補充熱介質，達到1內液面高度為罐體液位計滿量程的1/3～1/2。

1.2.4 運行

1.2.4.1 冷態運行

工藝流程見圖1。冷態運行 （簡稱冷運）目的是通過循環泵在系統內建立動態流動，將建造過程中殘留在系統管路及設備內的焊渣、氧化皮等循環至過濾器內，移出供熱系統，避免燃燒爐內的盤管因阻塞發生爆炸事故或用戶得不到足夠的熱量。液位達到適宜高度后，調整系統中閥門狀態，準備啟動3進行冷運。開始冷態循環運轉時按先主管路后支路 （用戶端）的順序進行，通過觀察過濾器前后壓差變化，定期進行濾芯更換，開始時間隔短 （一般為4 h左右），后續過程可逐漸延長更換濾芯時間和減少更換次數。冷運時間長短會因管路施工狀態、系統內用戶設備、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時標志著冷運過程完成。

1.2.4.2 熱態運行

熱態運行 （簡稱熱運）開始前關閉4、6間的放空閥及泵的排氣閥，關閉V8，啟動3，啟動燃燒爐進行熱介質油熱運串油工作。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內增加管路的阻力而影響冷運循環的效率、延長冷運循環的時間。冷運合格后啟動燃燒爐開始熱運脫水，循環平穩，濾器濾網內無可見顆粒時熱運結束。熱油爐系統開始升溫時緩慢升至95℃左右，水分開始蒸發；當溫度升至110～140℃時要保持24 h左右，以脫去導熱油中的水分；再升至180～200℃以脫去餾分。

2 思考及建議

2.1 系統調試和脫水工藝中出現問題的分析

（1）系統完工狀態不理想。各專業工程師對系統中各個環節進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其狀態，比實際情況有一定滯后性。

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

（3）水氣的排放。在熱運過程中，當熱介質加熱到110℃左右時大量水分被汽化，管路中的熱介質體積膨脹，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。在某平臺熱介質脫水作業中將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，并有液膜覆在罐壁內。如汽流速度很大可能使部分壁面直接暴露于蒸汽中，使得表面傳熱系數增大，加速蒸汽冷凝，液體沿管壁及罐壁重新進入供熱系統中循環，這將增加燃燒爐的熱負荷，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，循環泵會出現吸空現象。在某平臺熱介質脫水作業中可以觀察到此時泵進出口壓力表讀數有較大幅度的變化，出口讀數在較大范圍內波動且極不穩定；進口讀數較正常工作時低。泵的噪聲很大，發出刺耳的聲音，泵軸及電機溫度有明顯溫升。熱介質油流量會減少，這樣會造成熱介質局部過熱，降低其導熱系數，如操作不當，則可能發生事故。此時應停止加熱，保持溫度，適當減小循環泵出口閥門開度，同時可以啟用另外兩臺泵，關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，同時保證熱介質在系統中正常循環。

（5）管路中的金屬雜質對熱介質品質的影響。冷態循環和熱態循環時，在循環泵進口處的Y型過濾器及籃式過濾器的濾網內都發現有焊渣、大塊的鐵銹，熱介質顏色也由開始進入系統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安裝結束后，不能充分清理內部殘留的焊渣、鐵銹等機械雜質。這些金屬雜質的存在都會促進熱介質的分解和劣化變質，不但縮短熱介質的使用壽命，也易使金屬附著在爐管內壁，造成受熱面過熱，引起局部過熱，增加系統阻力，可能成為結焦中心，導致結焦加劇，影響熱介質性能，同時也可能堵塞加熱盤管，嚴重時會影響燃燒爐的安全運行。溫度超過60℃后熱介質隨溫度升高而氧化作用成倍增加，熱介質的氧化速度與金屬接觸面積也有關系。同時在脫水時，膨脹罐內熱介質直接與大氣接觸，110～130℃是熱介質主要脫水溫度范圍，也是氧化的主要階段，該階段也促使了熱介質的氧化，影響了其導熱性能。

2.2 改進建議

（1）使用工程管理軟件。在施工過程中涉及到機、管、電、儀等專業的交叉作業時，使用工程管理軟件可以更好地對各個專業進行監督和管理，即時了解系統中各專業完工狀態及存在的問題，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）試驗后，應充分排凈水分；氣密試驗以氮氣為宜，并吹掃干凈。熱介質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。應盡可能清除系統管路及爐內水分，為系統脫水作業營造好的條件。冷運過程中盡可能地將管路中的機械雜質帶至過濾器，減少機械雜質對熱介質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補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，注油時關閉V4、V8，打開V3、V6、V7、V12，讓熱介質油從較低位置注入系統。

（4）增加油氣分離裝置。可以在V7與熱油循環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中的空氣、水蒸氣及其他氣體，從而保證導熱油在液相無氣、水的狀態下穩定運行。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）增加自動調節管道。建議在膨脹罐與循環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波動大的階段開啟V6、V7之外，正常操作時V6、V7關閉，熱介質熱脹冷縮由虹吸管調節，這樣可降低膨脹罐內熱介質溫度，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）安全風險識別和控制。調試過程中將用柴油作為燃料，柴油是易燃物品，由于交叉作業的存在，增加了因泄漏產生火災的潛在風險。因此要做好風險識別判斷和控制工作，落實好作業許可制度，確保調試過程安全順利進行。

3 結束語

熱介質供熱系統調試工作是海洋石油平臺按期投產和油氣處理系統安全、穩定運行必不可少的一個環節，而該系統調試順利與否又跟施工狀態有很大的關系。在施工過程中應加強技術環節上的監督與溝通，采用計算機輔助管理，完善優化施工和管理流程，更加科學地組織施工，確保系統處于良好完工狀態；制訂完備的調試方案，優化熱介質脫水過程工藝，充分考慮系統自身工藝特點，考慮過程的經濟性，縮短系統調試時間，在保證系統調試安全、有序、可行的前提下，為平臺按時投產奠定技術基礎。

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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年畢業于鄭州大學化學工程與工藝專業，從事海洋石油平臺、FPSO、鉆井船舶建造及系統調試工作。

2011-08-19