低緯度海上平臺天然氣冷卻系統的研究

陳柱 何杰 雷亞飛

摘 要：本文介紹了低緯度海上平臺樂東22-1氣田天然氣冷卻系統的目前現狀，通過討論分析，提出優化海水提升泵設計方案，從而達到降低海水溫度、提高天然氣冷卻效率，保證現場生產穩定的目的。

關鍵詞：低緯度;換熱效率;海水提升泵

中圖分類號：TE644 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）22-0187-02

樂東22-1氣田位于南海西部海域鶯歌海盆地，所處海區屬低緯度熱帶氣候，氣候、海況均受臺風和季節影響，最高氣溫36.1℃，最大風力12級，浪高一般0.2～1m，最大達8m以上。潮汐屬不規則日潮，最大潮差3m，海域內水深93.5m，是一座集生產、計量、油氣處理和輸送、生活、動力為一體的8腿12裙裝導管架結構的綜合平臺。

1 樂東22-1氣田冷卻系統簡介

樂東22-1氣田的冷卻系統主要用于冷卻壓縮機壓縮后的天然氣。冷卻系統由四臺海水提升泵（離心泵500m3/h）、海水過濾器、后冷卻器組成。四臺海水提升泵的吸入口安裝在海平面-11米左右，提升泵入口安裝有防海生物裝置，防止海生物進入冷卻系統對設備造成磨損。

2 樂東22-1氣田冷卻系統目前現狀

2.1 季節變化導致天然氣冷卻效率不穩定

氣田處于低緯度區域，海水表面溫度主要獲于太陽輻射熱量。由于海洋表層受太陽輻射影響大，而海洋深處受太陽輻射和表層熱量的傳導影響小。海水溫度的垂直分布隨深度的增加而遞減。暖流流經海水溫度較高，寒流流經海水溫度較低。

因為海水溫度變化導致壓縮機出口的天然氣的冷卻效率影響較大，嚴重影響天然氣的最終脫水效果。

2.2 海生物造成冷卻系統設備損壞

樂東22-1氣田生產十年以來，多次對海水提升泵提泵檢修，發現泵入口海生物主要為牡蠣。根據相關資料查明，我國牡蠣主要分為五種，熱帶、亞熱帶、溫帶和亞寒帶都有它們的蹤跡，幾乎遍及全世界。牡蠣的分布根據海水深度不同而不同，大部分牡蠣都分布在海洋10m深度左右。如表1所示。

多次發現海水后冷卻器換熱盤管穿孔，盤管內部存在很多牡蠣殼，如圖1所示，嚴重影響氣田正常生產計劃。

2.3 防海生物裝置維護成本高

樂東22-1氣田共有4臺海水提升泵，每臺泵配備的防海生物裝置主要由銅、鋁電極組成，每臺泵配3根銅棒，如圖2所示，3根鋁棒，銅、鋁陽極為消耗件，設計壽命為12個月。每年都要更換新的電極，消耗量較大，每年維護成本高達十萬元左右。

2.4 洋流導致海水溫度不穩定

樂東22-1氣田位于南海西部鶯歌海盆地，所處海區屬低緯度熱帶氣候，夏季盛行西南風，冬季盛行東北風。南海表面環流在風的作用下，具有季風漂流的特性，西南季風期間，南海為東北流，東北季風期間，則大部分區域為西南流。當暖流流經該海域時，海水溫度較高，寒流流經時，海水溫度較低。因此泵入口海水溫度會隨著季節、流向的變化而變化。

3 優化方案及可行性分析

調研發現大多數低緯度區域的生產平臺的海水提升泵的泵體吸水口都位于海平面-11米左右。

為了提高天然氣換熱效率、減少生產維護成本，提高生產穩定性，同時為以后新建平臺提供參考，提出：將目前海水提升泵泵外的隔水套管向海底延長，而泵體下潛深度不變，優化方案如圖3所示。

3.1 導管架滿足施工條件

樂東22-1氣田生產平臺屬于樁基式平臺，打到海底。由鋼質樁、導管架和平臺組成。安裝之初，導管架運到安裝地點就位后，靠打樁將導管架固定在海底，樁主要承受橫向載荷和垂直載荷。導管架的樁腿還可以作為打樁定位和導向作用，也可常用來系靠船舶。導管架由大直徑、厚壁的低合金鋼管焊接而成。安裝在海底93米處，導管架共分為6層，因此新增隔水套管可以固定在導管架上。

3.2 海水提升泵的性能不受影響

根據伯努利方程可知，方案優化前后，泵入口壓強滿足：

P1+ρg（H-H1）+ρV201=P2+ρg（H-H1）+ρV202

P1：目前，泵吸入口的壓強;

P2：優化后，泵吸入口的壓強;

H1：目前，泵吸入口距離海平面高度;

H2：優化后，泵吸入口距離海平面高度;

V01：目前，泵吸入口海水流速;

V02：優化后，泵吸入口海水流速;

H：海平面距離海底高度;

因為優化后，泵體下潛深度H1不變：

故P1=P2=ρgH1

所以V01=V02

因此優化后，不影響泵吸入口海水流速和泵的當前設計排量，并可以減少海生物對冷卻系統設備的影響和維護費用。

由于泵的隔水套管延長后，所受最大壓強P=ρgH2所以，只需滿足管線材質承受的壓力等級≥P即可。

3.3 節約海水泵的選型成本和耗電費用

以樂東22-1氣田為例，當前生產情況下，天然氣換熱后溫度38℃，天然氣換熱前溫度120℃，海水換熱前溫度28℃，海水換熱后溫度32℃。

假如海水泵優化后，海水進口溫度將常年穩定在26℃，在保證海水出口溫度不變及天然氣換熱后的溫度不變的情況下，所需的海水量必然降低，即優化前后海水吸收的熱量相同。根據熱量計算公式Q=C*m*Δt可知：

優化前海水吸收熱量Q1;

Q1=C1ρ1V1ΔT1=C1ρ1V1*（32-28）=4C1ρ1V1（卡/小時）

優化后海水吸收熱量Q2;

Q2=C2ρ2V2ΔT2=C2ρ2V2*（32-26）=6C2ρ2V2（卡/小時）

Q1：優化前，海水換熱后吸收的熱量;

Q2：優化后，海水換熱后吸收的熱量;

V1：優化前，海水流量;

V2：優化后，海水流量;

優化前后，海水流量比：

=0.667*100%=66.7%

由此可見，優化后泵的排量只需是目前的0.667倍。對于特定的泵其功率與泵的排量呈正相關，即優化后泵的功率只需優化前的66.7%，耗電量將減少33.3%。當前每臺泵的功率200KW，平均開機率83%，年運行6960小時，每臺泵每年可節約電能384734KWh。節電效果明顯，大大降低了泵的運行成本。

4 結語

通過以上分析，增加泵的隔水套管的下入深度是可行的，優化后，海水提升泵的選型范圍更大、電能消耗明顯降低，大大節約了泵的運行成本，能有效提升提高天然氣冷卻效果。

參考文獻

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