油田板式換熱器常見問題分析

□ 李 巖

勝利石油管理局有限公司 新能源開發中心 山東東營 257000

1 板式換熱器概述

勝利油田具有豐富的采出水余熱資源,近年來,采出水余熱利用在勝利油田集輸站庫得到廣泛應用。通過板式換熱器加熱泵機組的工藝,利用板式換熱器提取余熱水熱量進入熱泵,通過熱泵制取高品位熱量,高品位熱量再通過板式換熱器對集輸站庫內的來液、外輸液等進行加熱,以此來代替站內加熱爐。油田余熱利用項目可以有效減少天然氣消耗,實現綠色低碳生產,改進節能減排,具有良好的社會效益和經濟效益。

板式換熱器在油田采出水余熱利用項目中是關鍵設備,起到至關重要的作用。在實際應用中,板式換熱器一次側為軟化水,不會發生堵塞結垢等問題,運行較為平穩。但板式換熱器二次側受油田采出水和油水混合液礦化度高、鈣鎂離子含量高、含雜質多等影響,存在易結垢、易腐蝕、易堵塞、易泄漏、易氣阻等問題,換熱效果及運行穩定性受到嚴重影響。另一方面,由于頻繁清洗、拆裝,使板式換熱器壽命縮短,維修費用增加,工人勞動強度加大,浪費了熱源,增加了運行成本。筆者主要對板式換熱器在油田集輸站庫采出水余熱利用項目中出現的常見問題進行分析,板式換熱器應用原理如圖1所示。

圖1 板式換熱器應用原理

2 換熱器選型

換熱器在油田采出水余熱利用項目中應用,選型需考慮幾個關鍵技術問題。

第一,油田采出水及含水原油中氯離子含量均接近甚至達到1%,對換熱器材料耐腐蝕能力的要求極高。

第二,在需求負荷不變的情況下,余熱回收產生的高溫熱水的溫度越低,回收的經濟性越高,這意味著熱源高溫水的溫度應當與被加熱含水原油要求達到的工藝溫度相接近,即小溫差換熱。

第三,含水原油的黏度較高,對換熱器的阻力降有較嚴格的要求,即含水原油側的阻力降不能大于1.0 MPa,否則會影響正常生產。

第四,所處理的含水原油及含油采出水在溫度變化過程中會存在結蠟現象和嚴重的結垢情況,換熱器有堵塞的風險。

第五,被加熱的來液成分復雜,包含油、氣、水、雜質等,造成換熱器使用工況復雜,影響換熱器的換熱效果與使用壽命。

第六,由于是改造項目,空間有限,因此換熱器的尺寸也是重要考慮因素。

目前國內各石油化工行業常用的換熱器有管殼式換熱器、螺旋板式換熱器、板式換熱器三種,三種換熱器的參數與特點見表1。

表1 換熱器參數與特點

油田采出水余熱利用項目換熱器主要用于含水原油加熱,被加熱介質所含成分復雜,易結垢,黏度高,應選擇不易結垢且結垢后易于清除的換熱器。以下對三種換熱器進行對比。

管殼式換熱器相比螺旋板式換熱器,總傳熱系數低,壓損大,體積大,占地面積大,平面布置受限,所以不推薦選用管殼式換熱器。

經過對油田現有換熱器運行情況調研,螺旋板式換熱器被加熱介質通道尺寸較寬,壓損較小,耐堵性較好,但材料因成本因素一般選用碳鋼,抗腐蝕能力較弱,使用壽命在6 a以內,后期維護成本較高。

板式換熱器傳熱系數最高,設備占地小,具備擴容能力。通過采用合理的板片流道設計,可以解決壓損較大、易堵塞的問題。因為換熱效率較高,可以大大減小換熱面積,減小換熱端差。此外,采用鈦板材料價格適中,抗腐蝕性較強。由此,板式換熱器性價比最高。

綜合以上對比分析,油田采出水余熱利用項目選用板式換熱器作為油田采出水側和含水原油側的換熱設備,具有良好的實用性與經濟性。

3 常見問題

3.1 堵塞

板式換熱器在油田采出水余熱利用項目中較為常見的一個問題是堵塞,發生堵塞的主要原因有四方面。第一,板式換熱器的通道間隙僅為3～8 mm,若直徑超過4 mm的顆粒雜物經過,就有可能使板式換熱器通道發生阻塞。第二,油田采出液中所含雜質較多,如雜草、有機絮狀物、棉紗等,雜質顆粒半徑均較大,極易造成板式換熱器堵塞。第三,油田采出水中含有原油、泥沙、膠質等,當含油量大于200 mg/L時,會出現膠質和油泥掛壁、結蠟等,易造成板式換熱器堵塞。由于膠質和油泥不溶于各種表面活性劑,采用藥劑加在線常規循環清洗的方式無法達到解堵目的,因此必須進行板式換熱器拆解清洗,需要投入大量人力物力。 第四,油田采出液中含有大量鈣離子、鎂離子,經過板式換熱器時會在板片表面結垢,產生碳酸鈣、碳酸鎂等沉淀物,使通道變窄堵塞。板式換熱器堵塞如圖2所示。

圖2 板式換熱器堵塞

3.2 泄漏

板式換熱器在油田采出水余熱利用項目中存在的泄漏問題主要包括外漏和內漏。通常情況下,外漏產生的原因主要是工作人員在進行夾緊時沒有夾到位,板式換熱器各個部位尺寸不均勻,實際偏差較大,使夾緊螺釘產生松動,在運行過程中密封墊出現脫離密封槽的情況,加之密封墊沒有進行定期清理,在密封墊內部存在雜物,導致密封墊受到損壞或老化,由此板式換熱器發生外漏。

在油田采出水余熱利用項目中,板式換熱器的材料選擇鈦板,因此一般情況下腐蝕并不是內漏的主要原因。引起內漏的原因主要是板片在經過冷沖壓成型之后內部存在殘余應力,裝配夾緊尺寸較小,殘余應力得不到良好的釋放;在集輸聯合站,油田采出液液量經過三相分離器分離處理后具有波動性,并且分離后的液量不僅有油、水,還含有大量氣體;通過三相分離器的液量經過板式換熱器加熱時,氣體及液量的波動性使板片振動變形;持續的振動變形與殘余應力相互疊加,由此造成板片隱裂,從而發生內漏。板片隱裂如圖3所示。

圖3 板片隱裂

3.3 氣阻

板式換熱器在油田采出水余熱利用項目中會產生氣阻問題,氣體主要來自于兩部分。一部分是三相分離器分離不徹底仍然存在于油水混合液中的伴生氣,另一部分是油氣水混合液經過板式換熱器加熱后從中析出的伴生氣。氣阻不僅會增大板式換熱器的壓差,而且會大大降低加熱效果。如高青輸油站污水余熱資源利用項目2019年12月30日投運時,輸油站生產系統壓力升高,加溫效果勉強達到設計溫升指標的一半。經測量,板片上部溫度普遍高于下部溫度。經多方論證分析,最終原因為新建余熱利用系統的余熱換熱器及原油換熱器加裝在預分水器之后、三相分離器之前,原油來液經過換熱器加熱,分離出大量伴生氣,氣體滯留在板式換熱器通道內,產生氣阻,使系統運行壓力升高,換熱效果降低。氣體滯留區如圖4所示。

圖4 氣體滯留區

4 解決方法

4.1 堵塞

(1) 選擇取水點。為解決油田采出水余熱利用項目中因膠質和油泥掛壁造成的板式換熱器堵塞問題,需要合理選擇取水點。一般在保證取水溫度的前提下,對經過系統處理后的水進行取水,這樣可以大大減少板式換熱器堵塞問題。以濱南稠油首站為例,因為未經過處理,采出水中含油及懸浮物較多。經過金剛砂過濾器后,出水水質指標含油量不高于5.3 mg/L,懸浮固體含量不高于4.7 mg/L,硫酸鹽還原菌不多于25個/mL,平均腐蝕速率不高于0.055 mm/a,懸浮物顆粒直徑中值不大于2.8 μm,均滿足注水的標準限值要求,水質較好。

(2) 安裝反沖洗過濾器。為了盡可能減少油田采出液中各種雜質進入板式換熱器,降低板式換熱器清洗頻次,可以在板式換熱器前端安裝過濾器。傳統應用于板式換熱器管道上的過濾器,主要有Y型、籃式,采用人工清洗的方式,清洗過程中不僅費時費力,而且極易造成內部介質外泄,污染土壤和環境,造成后續雜質處理等問題,以及人工費用支出。對此,安裝反沖洗過濾器,能夠降低過濾器拆解清洗時造成的介質外泄污染環境風險,同時解決流體中各種雜質堵塞板式換熱器通道問題。當進出口出現壓差時,反沖洗過濾器實現自動沖洗,降低人工勞動強度。

(3) 拆解清洗。拆解清洗的常規做法為拆開板片后不取下,將其懸掛于導桿上來進行清洗。但是,板式換熱器應用于油田采出水余熱利用項目時,板片表面沾滿油泥及各種雜質,懸掛于導桿上很難達到清洗效果。對此,需要將板片從導桿上取下,使用清洗劑和軟毛刷清洗。在冬季,在室外將板片拆下,清潔前需要進行標記,做到輕拿輕放,防止人工損壞板片。此外,禁止使用剛絲絨刷或鋼鋸來清潔板片,這樣可以避免損壞板片表面,不使結垢物殘留,不對板片產生腐蝕。

(4) 增加反沖洗流程。為及時保證板式換熱器通道暢通,提高換熱效果,減小壓降,在板式換熱器進出口流程增加反沖洗流程。導入反沖洗流程后,板式換熱器的進口變為出口,出口變為進口,用液量反走實現清洗的目的。要求運維人員每周進行至少兩次反沖洗,每次不短于1 h。以義和聯合站余熱利用項目為例,每次反沖洗之后,平均原油加熱溫度提升2 K,壓降減小0.01 MPa,有效保證了系統正常運行。反沖洗流程現場如圖5所示。

圖5 反沖洗流程現場

(5) 進行在線清洗。針對油田采出水余熱利用項目板式換熱器應用特性,研究板式換熱器在線清洗技術。在板式換熱器進出口安裝管線處,用清洗小車和循環清洗劑對板式換熱器通道中的臟物或結垢進行在線清除。在對臟物和結垢進行清除之前,要對板式換熱器中的化學物質進行充分了解和分析,在此基礎上合理利用相應的物質作為清洗液,對于特殊化學物質,還要進行溫度控制。在進行酸洗除垢時,工作人員將配好的清洗液注入板式換熱器,浸泡一段時間后進行循環,最后使用清水對殘留的酸液進行清除。進行油泥解堵時,在清洗小車上安裝變頻器,在進出口管道上安裝壓力表,清洗時根據壓力情況及時調整排量,避免因壓力過大引起板式換熱器泄漏。同時對清洗液的流速進行嚴格控制,排量太小,會達不到清洗效果,排量太大,則易損傷板片。清洗小車如圖6所示。

圖6 清洗小車

4.2 泄漏

(1) 外漏。在板式換熱器沒有受到壓力的情況下,相關制造廠家要對夾緊裝配進行充分分析,在此基礎上對夾緊尺寸進行控制。應用板式換熱器時,工作人員需要確保夾緊尺寸的偏差不能超過規定數值,兩側壓緊板之間的平行度要始終保持在規定范圍內。在外漏現象發生時,需要對發生部位進行標記,再對板式換熱器進行解體排查,根據實際情況進行分析。在板式換熱器解體過程中,對板片的變形部位進行及時維修和更換。如果沒有備用板片,那么應該對變形的板片進行拆除或重新進行組裝,這樣板式換熱器才能正常工作。

(2) 內漏。在板式換熱器進行設計制作時,要充分考慮油田采出液采出水聯合站生產場景的特殊性,特別是要充分考慮進入板式換熱器液量波動及氣體引起的板式換熱器持續振動影響,充分釋放板式換熱器內部殘余應力,提高板片邊緣易斷裂處的強度。要建立板式換熱器軟化水側水質定期化驗跟蹤機制,通過軟化水指標來判斷板式換熱器是否存在內漏問題。一旦發現內漏情況發生,必須立即停運板式換熱器,對板式換熱器進行拆解檢查。可以利用透光法或試劑跟蹤法對板片的裂紋進行確認,對隱裂的板片進行更換。在對板式換熱器進行維修組裝時,要嚴格控制夾緊尺寸,保證達到規定的數值。需要注意,夾緊尺寸并不是在所有情況下都是越小越好。需要對板式換熱器不同的應用場景進行分析,及時對進入板式換熱器液量的參數和指標進行合理調整。對于由于氣體進入板式換熱器帶來振動而引發內漏的問題,可以在板式換熱器來液進出口處增加板式換熱器保護裝置,主要原理為將氣體從保護裝置上端排氣管道引入來液輸出管道,從而減少進入板式換熱器的氣體。板式換熱器保護裝置如圖7所示。

圖7 板式換熱器保護裝置

4.3 氣阻

解決氣阻問題的最佳方法為增加引氣流程,盡可能減少進入板式換熱器的氣體。例如,高青輸油站污水余熱資源利用項目為解決板式換熱器氣阻問題,增加引氣流程,將板式換熱器分離出的氣體引出,排至加熱爐出口。增加引氣流程后,徹底解決了板片上部溫度普遍高于下部溫度的問題,板式換熱器進出口匯管的壓力下降0.08 MPa,預分水器的運行壓力明顯下降,由增加引氣流程前的0.47 MPa降至增加引氣流程后的0.39 MPa,由此保障了系統的正常。增加引氣流程如圖8所示。

圖8 增加引氣流程

5 結束語

板式換熱器在油田采出水余熱利用項目中是關鍵設備,筆者主要對板式換熱器在油田集輸站庫采出水余熱利用項目中出現的堵塞、泄漏、氣阻常見問題進行分析,并提出解決方法,以供業內參考。