輕烴裝置冷箱流道壓差高原因分析及處理

鄭 起，杜偉君

（遼河油田油氣集輸公司，遼寧盤錦 124000）

0 引言

遼河油田的80 萬輕烴回收裝置于2016 年6 月30 日投產運行，裝置處理的主要工藝包括進站預分離部分、原料氣增壓部分、分子篩脫水部分、輔助制冷部分、膨脹制冷部分、產品分餾部分。日天然氣處理能力為80×104m3，操作彈性為80%～110%，乙烷收率為85%。

1 裝置冷箱運行情況

裝置輔助制冷及膨脹制冷部分采用2 臺冷箱進行冷量交換，其流道內發生雜質及水化物堵塞，導致傳熱系數下降，進出口壓差升高，氣體通過流速增快，冷換效果不好。發生堵塞的流道，易導致裝置前端壓力高，引發工藝安全風險。裝置投產以來，注甲醇次數不斷升高，在2021 年裝置多次采用降負荷升溫熱吹操作，以消除冷箱壓差，裝置無法實現連續穩定的運行。近3 年裝置注甲醇化堵次數見表1，2021 年裝置升溫熱吹操作次數見表2。

表1 2019-2021 年裝置注甲醇化堵次數統計 次

表2 2021 年裝置升溫熱吹操作次數統計

2 冷箱流道壓差高原因分析

裝置冷箱為鋁板翅式換熱器，其結構緊湊、輕巧，工作溫度為-196～65 ℃，傳熱效率高，通道排列和組合十分靈活方便，對兩種以上介質同時換熱有其獨特的優越性，氣流形式多種多樣，能實現順流、逆流、錯流、混合流等多種流型形式，技術經濟性好，但同時存在制造工藝要求嚴格、工藝過程復雜、流道間隙小、容易堵塞、不耐腐蝕以及清洗和檢修困難等缺點，只能用于換熱介質干凈、無腐蝕、不易結垢、不易沉積、不易堵塞的工況。遼河油田輕烴裝置冷箱流道壓差高的原因總結有以下3 個：

（1）露點不合格的原料氣在冷箱內逐步降溫的過程中，形成天然氣水合物，堵塞在流道翅片內部，形成冰堵。隨著油田伴生氣組分的變化，進氣組分中O2、CO2、H2S 組分升高，導致分子篩的有效工作時間縮短。分子篩能吸附O2、CO2、H2S 等物質，H2S能夠破壞4A 分子篩的晶格，造成分子篩吸水性能下降，導致脫水后的原料氣露點不合格；CO2含量的增加，加劇深冷區形成水合物冰堵。此外，裝置再生氣取自分子篩出口原料氣，并非外輸脫烴氣，含有較多重烴，與O2結合易發生高溫炭化反應造成分子篩失效，進而使分子篩的脫水能力降低，最終導致原料氣露點不合格。裝置進站天然氣組分見表3 和表4。

表3 裝置設計進站天然氣組分

表4 2021 年5 月裝置進站天然氣組分

（2）分子篩床層內的粉末通過粉塵過濾器，進入冷箱流道內形成堵塞。在粉塵過濾器失效的情況下，原料氣通過干燥器后將內部粉化的分子篩粉末帶至冷箱流道內，在冷箱內由于流通截面擴大、流速下降而沉降下來。來自于管線內部的其他固體雜質均容易在細小的冷箱流道內存積，導致堵塞，引起壓差升高。

（3）氣體攜帶雜質集結在冷箱流道內，使冷箱流通面積變小，壓差升高。冷箱各流道入口未設置過濾器，裝置投產初期和管道改造過程中，管道清理和爆破吹掃不徹底，殘存的雜質經過長時間的運行后，積存于冷箱流道內造成堵塞，引起壓差升高。

3 冷箱流道壓差高處理措施

對冷箱壓差高的處理方式主要分為運行時處理與停機后處理兩種：①運行時處理指注甲醇化凍堵及裝置減負荷升溫熱吹，裝置不停運，只影響部分產量，損失較小，但只能處理冷箱流道內水合物冰堵的問題，對已存在于冷箱流道內的固體雜質清理無效，當冷箱流道壓差居高不下時，此處理方式不適用；②停機后處理方式有化學方法、機械刮管、水力射流（空穴）、超聲波清洗等，其中化學清洗方法易損傷流道內壁氧化層，產生的污水處理易造成二次污染且處理難度大；機械刮磨方式在流道內不具備實施條件；流道內部結構復雜，水力射流（空穴）不適用；超聲波清洗方式清洗長度短，清洗效果不明顯。

針對存在的問題采用氣爆脈沖反向清洗方式，對冷箱內部流道無腐蝕、無機械損傷、無二次污染。其中，氣爆脈沖清洗技術以空氣和水為介質，通過數控電磁高頻脈沖控制儀形成高頻振蕩的脈沖波對流道內進行清洗。利用空氣的可壓縮性，在數控脈沖的控制下，使高壓氣體以一定的頻率和脈寬，與泵車高壓水同時進入數控脈沖管線內，形成類似于臺風外旋的破壞力。隨著空氣的壓縮和擴張，流道內的紊流加劇，水流的橫向剪切力增大，使流道內脈沖水氣流發揮出極致的剝離效果，對流道內壁實現高頻振蕩、水槌效應、螺旋環洗、微泡爆破等不同方式的快速沖刷清洗，將內壁上的結垢、金屬氧化物和其他附著物清除，管壁上的沉積物被除掉，并隨高速氣—水流排出（圖1）。

圖1 氣爆脈沖水清洗工作原理

將冷箱各流道進出口安裝可拆卸短接，用于清洗管路與冷箱連接。在被清洗流道的入口安裝進水法蘭和脈沖振蕩發生器，在冷箱流道出口安裝出水法蘭，進出口法蘭通過高壓水管與水洗系統連接，系統主要包括罐車、泵車、脈沖發生器、清洗管路等。脈沖振蕩發生器管路與壓縮空氣系統連接，壓縮空氣系統包括螺桿式空氣壓縮機、儲氣罐等（圖2）。

圖2 氣爆脈沖水清洗工作流程

首先通過循環泵建立清洗水循環，通過導熱油爐控制循環水溫度為60 ℃，熱水反向循環沖洗12 h 后轉脈沖清洗6 h，清洗過程中，由空氣壓縮機向大容量儲氣罐送氣，從儲氣罐送出的高壓氣流，通過脈沖發生控制裝置與水一起形成脈沖和高速水氣流，脈沖隨水氣流向下延伸傳播，使管內形成高速水氣湍流，使流道內產生沖刷和噴沙效應，促使附著在翅片上的污垢破碎脫離，并隨著水氣流從未端排污排除。依次對2 臺冷箱的4 個主流道進行反向脈沖水清洗，最后使用高壓空氣配合脈沖發生器，對流道進行吹掃，完成流道干燥，滿足運行時冷箱內-60 ℃的露點要求。冷箱流道及分流區域清洗前后的對比見圖3 和圖4。

圖3 PI0404 至PI0405 流道清洗前后對比

圖4 PI0406 至PI0407 流道清洗前后對比

清洗后，裝置重新投入運行，冷箱各流道壓差大幅減低，通過對分子篩再生氣工藝的優化調整，冷箱流道壓差高的問題得以解決（表5）。

表5 清洗前后冷箱各流道壓差對比

對輕烴裝置冷箱完成氣爆脈沖清洗后，冷箱換熱效率升高，冷量利用合理，輕烴收率顯著升高，創造可觀的經濟效益，具體數據對比見表6。此外，由7000 kW 高壓電機拖動的原料氣壓縮機出口壓力下降，壓縮機壓縮比減低，綜合能耗明顯減低。

表6 冷箱流道氣爆清洗前后裝置主要參數對比

4 結束語

氣爆脈沖清洗技術的應用綠色、安全且環保，不使用任何化學藥劑，對管線無腐蝕，對水質無污染。同時實用性較強，不堵塞，可適用各種復雜流程，高效快速、省時省力，可以在不開挖、不拆卸管線結構、不停產的條件下進行，降低人力、物力成本，提高管線、流道堵塞搶修、大修效率，較傳統的管線流道清洗方法，提高效率5～20 倍。