脫水脫烴裝置換熱器堵塞治理及效果分析

王萬有(中國石油化工股份有限公司華北油氣分公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

2015年中國石油化工股份有限公司華北油氣分公司在大牛地氣田實施了天然氣凈化處理工藝，建成了天然氣處理規模50×108m3/a的脫水脫烴裝置。該裝置通過低溫分離兼冷油吸收工藝脫離出原料氣中的水和重烴組分，以滿足外輸天然氣水露點和烴露點的要求，分離出的凝液通過分餾工藝得到液化石油氣和穩定輕烴兩種副產品具有較高的商業價值。裝置設置了三列板翅式換熱器，主要功能是對原料氣、塔頂氣、塔底液三股流體進行熱量交換，單列處理量為500×104m3/d[1]。

1 板翅式換熱器運行情況

1.1 板翅式換熱器結構原理

板翅式換熱器是低溫分離工藝的主要熱量交換裝置，功能是對原料氣、塔頂氣、塔底液在板翅內進行熱量交換。結構主要由外板、隔板、封條以及翅片構成，傳熱翅片過流通道1.1 mm×6.5 mm，單臺換熱器原料氣過流翅片有82層，塔頂氣68層，塔低液16層，冷熱通道按1∶1排列。該設備是脫水脫烴工藝的最前端裝置，具有換熱效率高、熱損失小、結構緊湊輕巧、占地面積小等特點，但對天然氣固體雜質較敏感。板翅式換熱器內部結構示意圖如圖1所示。

圖1 板翅式換熱器內部結構示意圖

1.2 板翅式換熱器堵塞情況

大牛地氣田脫水脫烴裝置自2015年投運以來，板翅式換熱器的運行情況經歷了穩定運行、頻繁堵塞和堵塞加重三個階段。第一階段為穩定運行期，2015年11月—2018年3月，換熱器運行壓差較為平穩，平均壓差33 kPa。第二階段為頻繁堵塞期，2018年4月開始板翅換熱器頻繁出現堵塞現象，壓差頻繁上漲到400 kPa，現場需進行爆破吹掃等方式維持運行，并在2019年12月，板翅換熱器實施了第一次堵塞治理，治理內容包括增設重力分離器等，用于改善進口原料氣氣質條件，本次治理雖取得一定成效，但堵塞問題未達到根本治理。第三階段為堵塞加重期，2021年7月開始板翅換熱器壓差達到500 kPa且持續增長，并且通過爆破吹掃未能有效降低壓差。板翅換熱器自投產以來，現場采用停產爆破吹掃解堵49次，平均23天一次，嚴重制約了氣田集輸系統的平穩高效運行。板翅換熱器壓差變化曲線如圖2所示。

圖2 板翅換熱器壓差變化曲線

1.3 板翅式換熱器堵塞造成的影響

板翅式換熱器堵塞造成壓差上漲對生產主要造成三個方面影響：一是導致氣田上游氣井外輸回壓上升，部分氣井產能無法釋放，影響氣田天然氣井正常生產和產量任務的完成；二是頻繁通過爆破吹掃的方式治理換熱器堵塞不僅增加了經濟支出影響了經濟效益也為安全生產帶來較高的風險；三是頻繁解堵作業需脫水脫烴裝置停車，停車期間影響液化氣和穩定輕烴兩種副產品的回收量，并且也會造成外輸天然氣水露點不達標，給氣田帶來不利的影響。

1.4 堵塞原因分析

通過對板翅式換熱器堵塞的固體雜質化驗，結果顯示FeS、FeCO3成分占比86%，判斷原因為氣田含硫氣井開發后天然氣組分中硫化氫和CO2含量升高，管道在輸送過程中存在CO2和H2S腐蝕，產生的腐蝕物顆粒較大堵塞了板翅換熱器流道。板翅換熱器內部雜質成分化驗結果如表1所示。

表1 板翅換熱器內部雜質成分化驗結果

2 堵塞治理措施

2.1 已采取治理措施

針對換熱器堵塞現場主要嘗試采取了化學和物理的方式進行治理，化學方面在2019年采取兩次化學藥劑清洗，主要是在板翅式換熱器內部加注化學藥劑(螯合劑)，與翅片內的附著雜質進行化學反應；物理方面，除了開展日常爆破吹掃外，在2019年12月，實施了第一次堵塞治理，治理內容包括增設重力分離器等，用于改善進口原料氣氣質條件，本次治理雖取得一定成效，但換熱器堵塞問題未達到根本治理。

2.2 本次堵塞治理措施

通過多方調研和對比分析，纏繞管式換熱器是在芯筒與外筒之間的空間內將傳熱管按螺旋線形狀交替纏繞而成，相鄰兩層螺旋狀傳熱管的螺旋方向相反，并采用一定形狀的定距件使之保持一定的間距。纏繞管式換熱器可分別通過幾種不同的介質，而每種介質所通過的傳熱管均匯集在各自的管板上，構成多通道型纏繞管式換熱器。纏繞管式換熱器相對于普通的列管式換熱器具有適的溫度范圍廣，適應熱沖擊，能夠自身消除熱應力，緊湊度高的特點，由于自身具有特殊的構造，使得其流場充分發展，不存在流動死區，通過設置多股管程(殼程單股)，能夠在一臺設備內滿足多股流體的同時換熱。相比于板翅式換熱器，纏繞管式換熱器具有孔道大，通過性好，不容易被機械雜質堵塞的特點，并且原料氣(熱物流)走殼程，掠過的管束間距為3～5 mm。經過嚴謹論證后，制定將第一列板翅式換熱器更換為纏繞管式換熱器方案[2]。

3 堵塞治理效果

2021年8月初完成板翅式換熱器堵塞治理改造施工，投產后三列換熱器整體運行平穩，分別從換熱器壓差、天然氣處理效果和換熱器效率三個方面進行分析堵塞治理效果。

3.1 換熱器運行壓差

三列換熱器運行差壓均較改造前有了大幅的下降，第一列纏繞管式換熱器壓差85 kPa，較改造前板翅式換熱器下降422 kPa，第二三列原板翅式換熱器壓差分別為199 kPa和188 kPa，較改造前下降340 kPa和327 kPa。改造有效解決了第一列換熱器雜質堵塞問題，緩解了二、三列換熱器運行差壓過高、壓差上漲速率較快問題，為脫水脫烴單元穩定運行和上游產能釋放提供了有利條件。換熱器壓差變化如圖3所示。

圖3 換熱器壓差變化

3.2 天然氣處理效果

從天然氣制冷溫度來看，板翅換熱器作為脫水脫烴裝置天然氣處理初冷設備，其運行效率將直接影響到天然氣脫水脫烴效果。改造后，第一列低溫分離裝置天然氣制冷溫度達到-17.46 ℃，與停產前相同；二、三列天然氣制冷溫度分別為-17.3 ℃、-18.95 ℃，分別較停產前上漲0.13 ℃、0.61 ℃，制冷溫度達到改造前水平。

從副產品產量來看，改造后液化氣日產66 t，與停產前持平，穩定輕烴日產53 t，較停產前提升2 t。改造后天然氣重烴組分回收程度達到了改造前運行水平。

從外輸天然氣水露點來看，改造后水露點降至-12.1 ℃，符合交接要求，達到停產前水平。

3.3 新建換熱器換熱效率

改造前第一列換熱器換熱效率80%，改造后換熱效率82%，在處理氣量增加的前提下換熱效率提升，新更換的繞管式換熱器換熱效果優于堵塞狀態下的原板翅式換熱器。

4 結語

中國石油化工股份有限公司華北油氣分公司在大牛地氣田實施了天然氣脫水脫烴凈化處理工藝后外輸天然氣水露點大幅下降，達到國標要求，生產的液化氣和穩定輕烴兩種副產品也取得較好的經濟效益，但在運行的過程中暴露出來板翅換熱器堵塞的問題，通過對第一列板翅式換熱器更換為纏繞管式換熱器后壓差大幅下降，由507 kPa下降至85 kPa，并且可以持續維持此壓差運行。丙烷制冷溫度、副產品產量、外輸天然氣水露點、換熱器換熱效率等評價指標均達到或者優于治理前水平，治理總體效果良好，有效降低輸氣管網回壓，為氣田上游氣井產能釋放和集輸系統平穩安全運行提供保障，達到了預期效果。