新疆油田超稠油蒸汽噴淋循環(huán)冷卻工藝技術(shù)研究與應(yīng)用

袁鵬 李曉青 簡(jiǎn)霖 萬(wàn)征 董正淼 李本雙

1新疆油田公司工程技術(shù)研究院

2新疆油田公司風(fēng)城油田作業(yè)區(qū)

新疆油田A作業(yè)區(qū)超稠油吞吐開(kāi)發(fā)具有原油密度大（0.97 g/cm3）、黏度高（12 000 mPa·s）、集輸半徑大（2～6 km）、采出液溫度高（110 ℃）、攜汽量大（25%）的特點(diǎn)[1-3]。A作業(yè)區(qū)接轉(zhuǎn)站采用進(jìn)罐開(kāi)式流程生產(chǎn)，會(huì)發(fā)生常壓閃蒸、分離，造成了廢汽的無(wú)組織排放[4]。因此，新疆油田A 作業(yè)區(qū)開(kāi)展了稠油吞吐開(kāi)發(fā)密閉集輸工藝技術(shù)研究，形成了“微正壓汽（氣）液分離+蒸汽噴淋冷卻+采出液高溫密閉轉(zhuǎn)輸”的工藝技術(shù)（原油接轉(zhuǎn)單元+蒸汽冷凝單元+伴生氣處理單元），其中，蒸汽冷凝單元采用了蒸汽噴淋塔、循環(huán)泵、油水分離器、空冷器等設(shè)備，從而形成了超稠油蒸汽噴淋循環(huán)冷卻工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了廢汽的完全回收和封閉式處理，并解決了開(kāi)式流程廢汽（氣）無(wú)組織排放帶來(lái)的安全環(huán)保問(wèn)題。

1 蒸汽冷凝工藝技術(shù)現(xiàn)狀

目前，廢汽（氣）處理可通過(guò)冷凝、吸附、吸收、膜分離等[5]方法來(lái)進(jìn)行分離回收，從而避免了廢汽（氣）的二次污染。而廢汽（氣）的冷凝回收工藝具有高效率、易維護(hù)、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)，廢汽（氣）增壓冷凝回收技術(shù)[6]降本增效顯著且技術(shù)成熟，在國(guó)內(nèi)外有較廣泛的應(yīng)用。

冷凝水回收技術(shù)主要分為開(kāi)式回收和閉式回收[7]。新疆油田A 作業(yè)區(qū)對(duì)超稠油高效油汽（氣）分離裝置分離出的廢汽（氣）采用管殼式換熱器或空冷器的閉式方法進(jìn)行冷卻，運(yùn)行一段時(shí)間后，殼式換熱器中流體在折流板—?dú)んw、折流體—換熱管、管束—?dú)んw之間的旁路不能充分換熱[8-9]，而空冷器以熱對(duì)流散熱為主，換熱效率低[10]。且兩者對(duì)于黏度較大的介質(zhì)換熱時(shí)存在部分凝液附著管束，造成換熱效率下降且效果不佳的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)技術(shù)研究及改進(jìn)，研發(fā)出直接接觸換熱方式的蒸汽冷卻噴淋塔，并與其他設(shè)備組合形成了蒸汽噴淋循環(huán)冷卻工藝。

2 超稠油蒸汽噴淋循環(huán)冷卻技術(shù)

2.1 蒸汽噴淋循環(huán)冷卻技術(shù)工藝

新疆油田A作業(yè)區(qū)超稠油蒸汽噴淋循環(huán)冷卻技術(shù)是密閉接轉(zhuǎn)站工藝實(shí)現(xiàn)高效油汽（氣）分離的關(guān)鍵，形成的超稠油吞吐開(kāi)發(fā)密閉集輸工藝中的蒸汽冷凝核心單元見(jiàn)圖1。

圖1 蒸汽冷凝核心單元及流程Fig.1 Steam condensation core unit and process

超稠油高溫采出液經(jīng)超稠油高效油汽（氣）分離裝置充分分離后，液相經(jīng)耐溫轉(zhuǎn)輸泵輸至稠油處理站，而廢汽（氣）（T=98～107 ℃，p=0～0.03 MPa，Q=1 020 t/d）輸送至2座蒸汽冷卻噴淋塔中進(jìn)行處理，與塔頂?shù)膰娏芾鋮s水（T=60 ℃）在塔內(nèi)逆流直接接觸冷卻，將廢汽（氣）中的蒸汽和輕質(zhì)油組分冷凝成含油污水并在塔釜聚集，經(jīng)泵轉(zhuǎn)輸至油水分離器；分離出的輕質(zhì)油輸送至稠油處理站，分離出的高溫噴淋水經(jīng)空冷器冷卻后再次進(jìn)入蒸汽冷卻噴淋塔循環(huán)使用；廢汽（氣）中的伴生氣冷卻后由塔頂排出后進(jìn)行收集處理。依據(jù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)測(cè)出高溫采出液攜汽量在6.61%～28.60%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），且蒸汽冷凝水水型為NaHCO3，礦化度低，懸浮物、含油量較低，冷凝水可通過(guò)簡(jiǎn)易處理后回用給鍋爐；伴生氣中甲烷含量大于70%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），燃燒熱值較高，具有一定回收利用的價(jià)值，通過(guò)伴生氣處理站來(lái)進(jìn)行回用處理。

2.2 蒸汽噴淋塔設(shè)計(jì)

蒸汽噴淋塔作為超稠油蒸汽噴淋循環(huán)冷卻技術(shù)關(guān)鍵設(shè)備之一，采用8級(jí)篩板冷凝廢汽，最大廢汽量按11 t/h 設(shè)計(jì)。為了確保充分換熱，廢汽在噴淋塔內(nèi)停留時(shí)間不小于3 s，冷卻水溫度約為60 ℃，蒸汽冷凝后水溫約為95 ℃，冷卻水量為160 t/h。蒸汽（氣）冷卻采用與冷卻水直接接觸方式換熱，蒸汽噴淋塔塔釜停留時(shí)間5 min，以保證塔釜熱水進(jìn)泵緩沖需要，有一定的抗波動(dòng)能力。其換熱流程見(jiàn)圖2。

圖2 噴淋塔內(nèi)接觸式換熱流程Fig.2 Process of contact heat transfer in spray

2.3 油水分離器設(shè)計(jì)

油水分離器也是超稠油蒸汽噴淋循環(huán)冷卻技術(shù)關(guān)鍵設(shè)備，可存放噴淋塔生成的冷凝水，利用油水密度差的原理來(lái)進(jìn)行除油（含油≤100 mg/L），停留時(shí)間為5～6 min。油水分離器滿液運(yùn)行，可有效提高設(shè)備容積利用率，實(shí)現(xiàn)了底部連續(xù)出水，頂部間歇收油，并在油水分離器中增加填料（PEX 凝聚器），以增加上升或沉降時(shí)間，從而提升分離效果。油水分離器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 油水分離器Fig.3 Oil-water separator

3 工程實(shí)施

3.1 應(yīng)用效果

新疆油田A作業(yè)區(qū)稠油吞吐開(kāi)發(fā)密閉集輸工程實(shí)施后，蒸汽噴淋塔內(nèi)接觸式換熱工藝的換熱效率≥98%，蒸汽冷凝系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，塔釜溫度74～82 ℃，蒸汽噴淋塔進(jìn)口噴淋水溫度62～69 ℃，塔頂氣相出口溫度59～69 ℃（圖4），油水分離器的液位在3.18～3.22 m（圖5）。

圖4 噴淋塔運(yùn)行情況Fig.4 Operation condition of spray tower

圖5 油水分離器運(yùn)行情況Fig.5 Operation condition of oil-water separator

通過(guò)超稠油蒸汽噴淋循環(huán)冷卻技術(shù)可實(shí)現(xiàn)自循環(huán)噴淋、無(wú)水耗、換熱效率高、凈化不凝氣、系統(tǒng)自清潔功能，高效循環(huán)利用蒸汽冷凝水，解決了開(kāi)式流程蒸汽和伴生氣無(wú)組織排放帶來(lái)的安全環(huán)保問(wèn)題，并可回收輕質(zhì)油和伴生氣（非甲烷總烴、硫化氫），全年可回收伴生氣400×104m3、輕質(zhì)油1 200 t，可年創(chuàng)效益760萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3.2 優(yōu)化措施

（1）蒸汽噴淋塔進(jìn)口噴淋水溫度優(yōu)化為60 ℃。隨著噴淋水溫度越低，噴淋水循環(huán)量越少，蒸汽噴淋系統(tǒng)的設(shè)備容積和能耗會(huì)相應(yīng)降低，由于新疆地區(qū)夏季氣溫高，噴淋水溫度受環(huán)境溫度限制，需增加空冷器換熱面積來(lái)提升其換熱效率。

（2）為保證整體改造后處理站進(jìn)站溫度＜100 ℃，調(diào)整多余凝結(jié)水回?fù)近c(diǎn)，將原來(lái)的油水分離器頂部出水（95 ℃）調(diào)整至噴淋冷卻水后端（60 ℃）。

4 結(jié)論

通過(guò)技術(shù)改進(jìn)并結(jié)合超稠油蒸汽（氣）的特性，研究確定了超稠油蒸汽（氣）噴淋循環(huán)冷卻工藝技術(shù)，有效地凈化了高溫廢汽（氣）和可回收利用，實(shí)現(xiàn)了常規(guī)分離器在介質(zhì)黏度較大時(shí)的油氣分離，可年創(chuàng)效益760萬(wàn)元。