海上氣田天然氣冷卻器在線酸洗研究

苗 建 魯旭濤 韓 笑 黑永強

中海石油(中國)有限公司深圳分公司, 廣東 深圳 518000

0 前言

海上某平臺天然氣冷卻器采用管殼式結構[1],其主要作用是使用海水對天然氣進行冷卻[2]降溫,從而降低天然氣的飽和含水量。天然氣冷卻器長期處于運行狀態時,海水管程結垢情況嚴重,封頭處附著大量的海生物、污泥及垢物等[3],降低了天然氣冷卻器的換熱效率[4],出口天然氣溫度升高,導致三甘醇脫水負荷和損耗增加,降低外輸干氣品質,還造成海水管線震動加劇,影響設備安全使用。目前采用的高壓清洗[5]冷卻器作業不僅工期長、費用高、風險大,而且清洗時兩臺冷卻器需輪流關停,影響天然氣處理量,擬研發一種在線清洗方式[6]。

1 天然氣冷卻器工作原理

1.1 主要設計參數

平臺上設有2臺臥式天然氣冷卻器[7],設計為管殼式結構,管程走低溫海水,殼程走高溫天然氣[8],通過旁通溫度控制閥調節天然氣流量從而達到下游所需溫度[9]。單臺天然氣冷卻器設計處理量為230×104m3/d,換熱效率為2 232 kW,主要設計參數見表1。

表1 天然氣冷卻器主要設計參數表

1.2 使用現狀

氣田井流物經過管匯后進入生產分離器進行油氣水三相分離,氣相去天然氣冷卻器進行冷卻[10]。殼程的天然氣被管程的海水冷卻至31～35°C,達到下游三甘醇脫水最佳溫度,同時降低了天然氣的飽和含水量。再通過入口過濾分離器脫除液烴、水滴和雜質等,從而降低下游三甘醇接觸塔的脫水負荷和三甘醇損耗,保證外輸干氣露點達到標準。天然氣冷卻器生產流程見圖1。

圖1 天然氣冷卻器生產流程圖Fig.1 Production flow chart of natural gas cooler

天然氣冷卻器在長期使用過程中,管程海水通過量不足,換熱效果逐漸降低,殼程天然氣溫度升高,最高可達37 ℃,使得下游三甘醇脫水和再生裝置負荷增加,造成三甘醇損耗增加。天然氣冷卻器換熱效率降低的主要原因是管程內部被海生物、污泥及垢物等堵塞[11],附著有海水中溶解度較低的鹽類沉積結垢和污泥,其結垢主要成分是碳酸鈣、氫氧化鎂和硫酸鈣。這些鹽類在海水中的溶解度很低,且其溶解度隨著溫度升高而降低,海水因換熱升溫,這些鹽類就會在換熱面上析出而形成結垢,堵塞管道。

2 天然氣冷卻器常規高壓清洗

2018年8月,平臺對天然氣冷卻器管程[12]進行高壓清洗作業[13],經過現場對單套天然氣冷卻器隔離泄壓惰化之后,通過高壓水槍及專業清洗劑對天然氣冷卻器封頭處堵塞物進行清洗[14]。此項作業耗時7 d,現場專業清洗人員6人,費用約20萬元左右,完成天然氣冷卻器常規高壓清洗作業。整個作業過程涉及高壓水槍清洗、人員登高作業和非防爆柴油機設備運轉,都存在較高風險,平臺需要安排現場監督全程監護。

在產量相同工況下,天然氣冷卻器經高壓清洗后,天然氣出口溫度相對下降5 ℃,冷卻器換熱效率提高29.41%,說明高壓清洗作業效果顯著[15]。

3 在線酸洗試驗研究和效果

2019年5月,平臺天然氣冷卻器冷卻后天然氣溫度漸升至37 ℃,海水進口壓力增加至450 kPa(壓力高高設定點為500 kPa),計算發現天然氣冷卻器換熱效率降低,冷卻效果不佳,平臺外輸干氣露點偏高[16]。為恢復天然氣冷卻器的換熱效率,現場對清洗方式進行深入調研,優選更容易實施的化學清洗。在調研天然氣冷卻器的結構和材質的基礎上,對酸介質進行對比選擇,最終現場研究決定使用低濃度酸溶液對冷卻器進行在線酸洗作業,清除管程結垢堵塞,從而提高天然氣冷卻器的換熱效率,實現降本增效、節約能耗的目的。

3.1 酸介質選擇

常用的酸介質多為鹽酸、草酸、磷酸和檸檬酸,從性質、危害性以及與容器部件配伍性[17]等方面對其進行對比、分析,選出最合適的酸介質溶液,見表2～3。

表2 不同酸介質基本性質、危害對比表

表3 不同酸介質與容器部件配伍性表

通過對比表2、3可知,相對于其他酸介質而言,鹽酸腐蝕性較強,草酸和磷酸有毒性,廢液需要專門環保部門處理;檸檬酸具有價格低,無毒,其鈣、鎂鹽的溶解性在冷水中效果更好的特點。同時,檸檬酸與金屬會發生絡合反應,在其表面形成難溶的檸檬酸鹽保護薄膜,使金屬免受腐蝕,是一種安全清洗劑。由于檸檬酸不含有Cl-,故不會引起設備的應力腐蝕,它能夠絡合Fe3+,削弱Fe3+對腐蝕的促進作用。檸檬酸雖屬有機強酸,可電離3個H+,但是在低濃度水溶液中,因與金屬的絡合反應而選擇性地與鈣、鎂鹽反應。針對這種特性,在酸洗過程中,控制檸檬酸溶液的濃度不高于10%。綜上所述,檸檬酸優勢比較明顯,選擇其作為酸介質。

3.2 酸洗試驗簡述

通過研究目前國內其他行業酸洗施工標準并結合對本平臺具體的情況考慮[18],優選10%濃度的檸檬酸溶液對該類堵塞物進行酸洗試驗。天然氣冷卻器管程海水進、出口均設有隔離球閥及排放閥,通過排放閥接入酸洗裝置,通過氣動泵[19]對天然氣冷卻器管程注入酸介質,經過充分的浸泡和松動,然后進行循環酸洗除垢,酸洗至進出口pH值無變化,則停止循環酸洗,最后使用淡水沖洗管程后結束。在線酸洗作業流程見圖2。

圖2 天然氣冷卻器在線酸洗作業流程圖Fig.2 Flowchart of online pickling operation of natural gas cooler

3.3 酸洗效果評估

通過酸溶液浸泡→循環酸洗→淡水沖洗后,可以在進口短節拆除處看到酸洗后管程封頭處堵塞物消失,清洗效果明顯[20]。本次酸洗天然氣冷卻器作業共使用10%濃度檸檬酸溶液2 m3,耗時3 d,費用約1萬元左右。

根據平臺生產數據查詢,由于酸洗之前,平臺保持275×104m3/d處理量和海水壓力390 kPa的工況,且天然氣冷卻器A/B套共同使用時,進口溫度55 ℃,出口溫度37 ℃,天然氣溫度下降18 ℃(2019年8月2日數據)。酸洗作業完成后,在保持同樣的產量和工藝參數工況下,天然氣冷卻器出口天然氣溫度也明顯下降,從37 ℃降至32 ℃,較酸洗前下降了5 ℃。酸洗前后冷卻器的溫降從原來的18 ℃提高至23 ℃,天然氣冷卻器冷卻效果提升了27.78%,說明酸洗前后冷卻器換熱效率明顯提升[21]。對酸洗前后效果參數進行對比評價,具體參數見表4。

3.4 常規高壓清洗與在線酸洗效果對比

天然氣冷卻器高壓清洗和現場在線酸洗效果對比見表4。由表4可知,在線酸洗與之前的常規高壓清洗取得的效果基本一致,在線酸洗作業取得預期效果。通過對比兩種方式,在線酸洗在作業風險、作業天數、作業人員、作業費用方面具有明顯優勢,總體而言,在線酸洗施工簡單方便,成本低。

表4 高壓清洗與在線酸洗效果對比表

4 結論

1)試驗前后數據對比表明,在線酸洗效果明顯,其提升的換熱效率與常規高壓清洗方式提升換熱效率基本一致。

2)與常規高壓清洗方式對比,在線酸洗具有成本低、工期短、風險性小、可操作性高的特點。

3)采用低濃度檸檬酸液對管殼式換熱器內部附著的海生物、污泥及垢物清洗收到了良好的作業效果,且檸檬酸與金屬會發生絡合反應,使金屬免受腐蝕,對工藝管道起到了保護作用。

4)天然氣冷卻器在線酸洗提高了天然氣冷卻器清洗工作的便捷性,并為海上其他氣田設施提供了可借鑒的經驗思路,極具推廣潛力,為此類工作的開展提供有力的佐證。