渤海某凝析氣田平臺集中式循環冷卻水系統設計及應用

侯辰光，王偉銘，吳 磊，鐘小俠

（中海石油（中國）有限公司天津分公司 天津 300459）

0 引 言

冷卻水系統是海上油氣田平臺公用系統的重要組成部分，是平臺油氣處理流程安全穩定運行的重要保障。渤海海域海水溫度變化介于 -1～28 ℃，是良好的天然冷卻劑，因此，海上油氣田平臺一般采用海水直接冷卻技術。海水直接冷卻技術具有取水溫度低、運維成本低、冷卻效率高等優點，但由于海水含鹽量較高，平均含鹽量在3.5%左右［1］，對管線和設備的腐蝕性較大，海水中大量微生物和海生物長時間的積聚也會造成設備堵塞和管線腐蝕。隨著渤海凝析氣田陸續啟動開發，凝析氣田天然氣處理、回注、外輸流程對冷卻水的需求大增，海水對設備的腐蝕和堵塞問題更加突出，繼續使用海水直接冷卻技術存在較高風險。因此，海上平臺迫切需要一種新型冷卻技術代替傳統冷卻技術。

國內目前主流的工業冷卻技術包括海水循環冷卻技術和淡水循環冷卻技術等，通過對海水循環冷卻技術和淡水循環冷卻技術在海上平臺推廣使用的可行性研究，發現由于海上平臺空間有限、設備集中，不具備設置冷卻塔等大型冷卻設備的基礎條件，故均不適用于海上油氣田平臺。為此，本文提出一種集中式循環冷卻技術，綜合了海水直接冷卻技術和淡水循環冷卻技術，并進行了適應性改造設計，利用海水直接冷卻系統代替淡水冷卻塔對淡水循環系統進行冷卻，通過此方法，既可以充分利用天然海水冷能，也能解決海水腐蝕和堵塞問題，從而達到了大幅提高海上平臺冷卻系統運行穩定的目的。

1 集中式循環冷卻技術原理及應用環境

1.1 技術原理

集中式循環冷卻水系統主要由海水冷卻系統和閉式循環冷卻水系統組成，海水冷卻系統的關鍵設備是海水提升泵，海上平臺一般設置為 1 用 1 備，備用海水泵在主海水泵故障或海水系統壓力不足時啟動，以保持海水系統的壓力穩定和滿足下游的冷卻需求。海水提升泵將海水泵送至平臺，經過海水濾器過濾雜質，并且借由防海生物裝置減少海生物的進入，過濾后的海水與循環冷卻水在冷卻水換熱器中交換熱量，后海水攜帶廢熱排回大海。

閉式循環冷卻水系統的關鍵設備是閉式循環泵和冷卻水膨脹罐。經過與海水換熱后的低溫冷卻水，經由閉式循環泵增壓至設定的壓力，進入壓縮機各級的冷卻器與天然氣進行換熱，攜帶廢熱的冷卻水通過閉式環路管線回流至冷卻水換熱器進行降溫，以此實現閉式循環冷卻。冷卻水膨脹罐儲存部分冷卻水用于緩沖冷卻水受熱膨脹量和補充冷卻水蒸發的缺失，因此，膨脹罐必須保持合適的液位和壓力。

1.2 技術創新

①集中式循環冷卻水系統與常規海上平臺海水冷卻系統不同，具有既能高效利用海水天然冷能、又能避免海水直接接觸油氣處理設備的優勢，能夠有效降低海水對油氣處理設備的腐蝕，避免因海生物附著造成的冷卻器堵塞，切實提高了冷卻水系統運行的效率和穩定性。

②集中式循環冷卻水系統與常規海上船舶用淡水循環冷卻系統不同，冷卻介質采用蒸餾水和乙二醇等添加劑混合冷卻水，能夠有效減少因淡水結垢、沉淀等因素導致的冷卻器冷卻效果下降的問題。

③為提升海上平臺操作人員作業效率、提高海上平臺設備智能化程度，冷卻系統采用“集中式”控制系統，即對海水冷卻系統和閉式循環冷卻系統的啟停進行集中控制、對數據進行集中監測、對流程進行集中管理。“集中式”控制主要通過增加遠程監控、控制設備、設置邏輯關聯和編制系統管理手冊實現，并在中央控制室單獨設置控制屏幕，操作人員可通過控制界面實時監控冷卻水系統壓力、溫度、流量等各項參數并遠程控制調節，有效提高操作人員對冷卻水系統的管理效率和應急響應速度。

1.3 應用環境

海上油田開發項目涉及范圍廣泛，由于平臺作業環境特殊、特別是平臺空間有限，流程設計需要綜合考慮成本、技術、效益等一系列因素。以產油為主的生產平臺伴生氣產量有限，冷卻水需求量較小，海水直接冷卻系統可通過增設防海生物裝置、提高耐腐蝕等級、增加備用等方式有效緩解海水腐蝕和堵塞問題，投入成本低、空間占用少，而且其經濟適用性較高。

集中式循環冷卻水系統適用于冷卻需求較大的產氣平臺。以產氣為主的采油平臺天然氣產量高，處理流程復雜，脫水、脫凝析油、回注、外輸等流程均需使用大量冷卻水對天然氣進行降溫，使用海水直接冷卻會導致腐蝕和堵塞加劇，會增加系統故障風險和安全隱患，而集中式循環冷卻水系統可有效避免以上問題，保障冷卻系統安全穩定運行。

2 集中式循環冷卻技術應用實例

渤海某凝析氣田是我國渤海第一個大型、整裝、高產、特高含凝析油的凝析氣田，該凝析氣田開發項目由多個海上平臺組成油田群落，其中包含生產平臺、處理平臺和注氣平臺，本項目是渤海首次應用集中式循環冷卻水系統。本文將對某凝析氣田開發項目的增壓注氣平臺的集中式循環冷卻系統設計及應用進行介紹。

2.1 閉式循環冷卻系統

渤海某凝析氣田增壓注氣平臺的閉式循環冷卻水系統主要由 1 臺 26 m3的冷卻水膨脹罐， 2 臺800 m3/h、3臺1 520 m3/h的冷卻水循環泵（4用1備）、3臺18 400 kW的冷卻水換熱器（2用1備）、冷卻水補充流程、防垢劑注入流程和下游用戶組成，流程如圖1所示。

圖1 閉式循環冷卻水系統流程圖Fig.1 Flow chart of closed circulating cooling water system

冷卻水經循環泵輸送至各天然氣壓縮機，為天然氣壓縮機級間冷卻器供應冷卻水。下游用戶主要包括4臺天然氣壓縮機的8臺級間冷卻器。

2.2 海水冷卻系統

該凝析氣田增壓注氣平臺海水系統主要包括 5 臺海水提升泵，其中 2 臺1 000 m3/h海水泵為變頻控制、3 臺1 500 m3/h為定頻控制，以及2 臺海水自動反洗粗過濾器、1 臺海水粗過濾器、1套防海生物裝置、下游用戶，流程如圖2所示。海水系統作為集中式循環冷卻水系統的重要組成部分，服務于閉式循環冷卻水系統的同時也兼顧平臺公用站和防海生物裝置的需要，其他用戶海水使用量約占總量的7%。

圖2 海水冷卻系統流程圖Fig.2 Flow chart of seawater cooling system

3 集中式循環冷卻技術設計要點

3.1 溫差選擇和流量計算

冷卻系統設計流量是前期設計最重要的數據之一，下游用戶冷卻器冷卻水進出口溫差計算基于被冷卻的天然氣配產量和冷卻器天然氣進出口溫差計算得出，經過物料和熱量平衡模擬計算后得出換熱需要帶走的熱量q，由此熱量計算出所需冷卻水量W，計算公式如式（1）所示：

式中：W為所需冷卻水流率，m3/h；q為需要帶走的熱負荷，kcal/h；t1為冷卻水進換熱器時的溫度，℃；t2為冷卻水出換熱器時的溫度，℃；Sp為冷卻水的比熱容，kcal/（m3·℃）。

(t2－t1)為冷卻器的冷卻水進、出口溫差，經過熱平衡模擬計算后，壓縮機級間冷卻器需要帶走的熱量以功率的形式給出，功率換算成kcal/h，換算公式如式（2）所示：

式中：q為需要帶走的熱負荷，kcal/h；p為以功率表示需要帶走的熱量，kW；k為kcal/h與kW之間的換算系數，一般

渤海某凝析氣田增壓平臺海域海水溫度取值為28 ℃，閉式淡水循環冷卻系統基于換熱溫差7 ℃，冷卻水經過壓縮機級間冷卻器換熱，溫度由L33 ℃升至H40 ℃，然后在冷卻水換熱器中與海水完成熱量交換，溫度由H40 ℃重新降至L33 ℃，最終計算得出系統冷卻水的設計流量W1為4 560 m3/d。

海水冷卻系統基于換熱溫差8 ℃（水溫28～36 ℃），最終計算得出海水冷卻系統的設計流量W2為4 500 m3/d。按照渤海油田冷卻系統設計規范和經驗，換熱器海水進出口溫差通常取8～10 ℃。

3.2 海水泵水量變頻控制

渤海海域冬夏季海水溫差較大，一般為 -1～28 ℃，海水系統的流量以夏季海水溫度為基礎進行設計。通常海水泵按照最大負荷工況下的容量設計。大部分情況下，海水泵實際負荷均小于設計值［3］。

渤海某凝析氣田增壓平臺為注氣平臺，冷卻系統主要用戶為注氣天然氣壓縮機，因此，海水冷卻系統的實際需求量受注氣井工況和海水溫度影響，是持續變化的。特別是油田生產初期注氣需求較小或冬季海水溫度下降后，下游用戶所需海水流量大為減少，而海水泵流量并未變化，大量的海水被提升后直接排海，造成能量浪費。

如圖2所示，在海水泵出口設置 1 臺壓力傳感器，數據傳輸至中控室后，通過 PLC 計算合適的海水泵頻率并傳輸至海水泵變頻器實現海水泵變頻控制。設計工況下，海水取水溫度為28 ℃，海水泵額定排量為1 000 m3/h。

為進一步確認海水泵變頻控制的節能降耗效果，結合圖3海水泵性能曲線圖分別對海水溫度下降、下游冷卻需求下降等工況下定頻海水泵和變頻海水泵功率消耗進行計算和對比，整合結果如表1所示。

表1 各工況下定頻海水泵和變頻海水泵功率消耗對比表Tab.1 Power consumption comparison table of constant frequency sea water pump and variable frequency sea water pump under various working conditions

圖3 海水泵性能曲線圖Fig.3 Performance curve of seawater pump

因此，當海水需求量小于海水泵設計流量或海水溫度低于28℃時，海水泵變頻控制系統能有效降低海水系統能量的浪費，節能降耗效果顯著。

4 經濟及社會效益

4.1 節約維保成本

據調研資料統計，渤海油氣田平臺單臺冷卻器維保清洗周期約為 6 個月，單臺維保清洗作業工期需要1天，而采用集中式循環冷卻水系統后，天然氣壓縮機冷卻器無需定期清洗維保，而冷卻水換熱器維保可切換至備用，因此，冷卻水換熱器維保作業對流程運行無影響。以渤海某凝析氣田增壓平臺為例，預計每年可節省 16 次的天然氣壓縮機級間冷卻器的維保作業，大幅節約了后期維保成本支出，降本增效效果良好。

4.2 降低電能消耗

由上文分析可知，在海水溫度下降和下游用戶冷卻需求下降等工況下，變頻海水泵節能效果良好。渤海新建油氣田均采用岸電工程直接引入陸地電網的綠電，采用海水泵變頻控制系統不僅降低了電能消耗、節約電力成本支出，也有利于減少碳排放。

4.3 保障能源供應

由于天然氣壓縮機冷卻器不設置備用，故維保期間天然氣壓縮機需要完全停機。天然氣壓縮機計劃停機和非計劃停機都會對海上平臺流程存在不良影響，對于天然氣驅開發油田，間斷天然氣注入可能會降低天然氣驅替地層原油的效果，進而影響收益油井的產液量。而對于天然氣外輸平臺，天然氣壓縮機停機就意味著外輸天然氣量的減少。因此，采用集中式循環冷卻系統，對于保障海上平臺安全穩定運行和能源供應具有重要意義。

5 結 語

綜上所述，海上油田應用集中式循環冷卻系統能夠有效解決海水直接冷卻技術導致的海水腐蝕、海水堵塞等一系列問題，能夠顯著提高冷卻水系統運行效率和穩定性，進而保障海上油田生產的安全和穩定。在國際能源形勢瞬息萬變的今天，保障能源安全是國家能源戰略的首要目標，因此，集中式循環冷卻水系統在海上平臺的推廣應用具有十分重要的意義。