板翅式換熱器工藝在大牛地氣田的試驗研究

何云 （長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢430100；中石化華北分公司第一采氣廠，河南 鄭州450006）

吳偉然，徐嘉 （中石化華北分公司第一采氣廠，河南 鄭州450006）

大牛地氣田采用節(jié)流降壓低溫分離脫水工藝，隨著生產(chǎn)氣井壓力不斷降低，造成水露點控制難度逐步增大。為保證外輸天然氣氣質(zhì)，前期開展了板翅式換熱器工藝試驗，該換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧及傳熱效率高等特點［1］，在大牛地氣田得到推廣應(yīng)用。為了提高換熱器換熱效率，近期開展了換熱器制度優(yōu)化試驗工作，主要是選擇多組工況不同的集氣站，通過調(diào)節(jié)二級節(jié)流壓差及換熱器進口溫度，找出在不同工況集氣站條件下提高換熱器換熱效率的方法。

1 換熱器優(yōu)化試驗站場基本情況及試驗?zāi)康暮蛯ο?/h2>

1.1 試驗站基本生產(chǎn)情況

試驗站基本生產(chǎn)情況如表1所示。

表1 4個試驗集氣站氣井生產(chǎn)基本情況表

1.2 試驗?zāi)康?/h3>

1）選擇相同換熱面積、外輸流量不同的2個集氣站，分別調(diào)整熱氣進口溫度和二級節(jié)流前后的壓差進行相同制度的試驗，同時監(jiān)測露點變化，分析流量對外輸天然氣露點的影響規(guī)律。板翅式換熱器的傳熱與流動阻力性能主要決定于翅片的表面特性，因此翅片的表面特性數(shù)據(jù)是準確設(shè)計板翅式換熱器的基礎(chǔ)［2］。

2）選擇不同換熱面積、外輸流量相同（相近）的2個集氣站，分別調(diào)整熱氣進口溫度和二級節(jié)流前后的壓差進行相同制度的試驗，同時監(jiān)測露點變化，分析換熱面積對外輸天然氣露點的影響規(guī)律。

3）通過每天2次不同的時間段對露點監(jiān)測，驗證環(huán)境溫度對外輸天然氣露點影響的規(guī)律。

4）分析同一個集氣站相同換熱面積、相同熱氣進口溫度等條件不同二級節(jié)流壓差時對換熱器露點溫度的影響。

1.3 試驗對象

綜合考慮影響換熱器運行效果的各種因素及試驗條件要求，選取4個站進行試驗，其具體情況如表2所示。

表2 試驗站換熱器運行相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

1）選取的2組試驗站外輸流量相近換熱面積不同，通過在相同的換熱壓差下，總結(jié)換熱面積對露點的影響。

2）為了橫向?qū)Ρ龋骷瘹庹救站a(chǎn)氣量、產(chǎn)液量與換熱器運行效果的關(guān)系，選取的4個集氣站，分別為17.1×104m3、16.4×104m3、9.3×104m3和9.7×104m3。

3）各站每天環(huán)境溫度有所變化，分析當溫度為變量時的露點影響。

4）不同二級節(jié)流壓力差對天然氣露點試驗的影響分析。

2 試驗結(jié)果

2.1 換熱面積、外輸流量對天然氣露點影響分析

試驗期間控制熱氣進口溫度在10～15℃，研究相同換熱面積、不同流量時，對換熱器換熱效率及外輸露點的影響規(guī)律。

1）相同換熱面積不同外輸流量對換熱效率的影響。相同換熱面積不同外輸流量對換熱效率的影響如表3所示，從表3可以看出，4號站與10號站換熱面積相同，4號站外輸流量比10號站高3000m3，在相同二級節(jié)流壓差條件下，4號站換熱效率比10號站平均高2.19%。14號站與24號站具有相同的換熱面積，但14號站外輸流量比24號站低約3000m3，在相同二級節(jié)流壓差條件下，14號站換熱效率比24號站平均低1.95%。

表3 相同換熱面積不同外輸流量對換熱效率影響表

在以上條件下可以得出，2組試驗站（4號站與10號站，14號站與24號站）換熱效率提高在2%左右，說明外輸流量對換熱效率影響不大。

2）相同換熱面積不同外輸流量對露點的影響。從表4可以看出，24號站與14號站具有相同的換熱面積，但24號站外輸流量較14號站大，在相同二級節(jié)流壓差條件下，24號站外輸露點較14號站低。4號站與10號站具有相同的規(guī)律。

可以得出隨著外輸流量的增大，外輸露點在降低。但因其對換熱效率影響較小，從而對外輸露點影響不大。

3）相同外輸流量不同換熱面積對換熱效率的影響。試驗在4種二級節(jié)流壓差制度下，分別對外輸流量為7000m3／h左右的4號站和24號站，以及外輸流量為4000m3／h左右的10號站和14號站的試驗數(shù)據(jù)做出分析，得出其換熱面積對換熱效率的影響規(guī)律。

表4 相同換熱面積不同外輸流量工況露點數(shù)據(jù)表

表5 相同外輸流量不同換熱面積下?lián)Q熱效果數(shù)據(jù)

從表5可以看出，在相同二級節(jié)流壓差情況下，4號站和24號站具有相同外輸流量，平均換熱效率4號站比24號站高7.46%。10號站和14號站也具有相同的分析規(guī)律，10號站換熱效率比14號站換熱效率高7.22%。

綜上可以得出：①在二節(jié)壓差一致，外輸流量相同時，隨著換熱面積增大，換熱效率增加。②在以上條件下，2組試驗站（4號站與24號站，10號站與14號站）換熱效率提高7.34%左右，故得出換熱面積對換熱效率影響較大。

4）相同外輸流量不同換熱面積對露點的影響。對2組試驗站在相同換熱制度（二節(jié)壓差階段范圍相同），相同外輸流量，不同換熱面積情況下，分析換熱面積對外輸露點影響規(guī)律。

根據(jù)表5數(shù)據(jù)分析，10號站和14號站具有相同外輸流量（4000m3／h），10號站換熱面積910m2較14號站520m2大，外輸露點10號站比14號站高2.22℃。4號站和24號站也具有相同的規(guī)律，4號站外輸露點比24號站外輸露點低2.26℃。

2組試驗站在相同換熱制度（二節(jié)壓差階段范圍相同）、相同外輸流量，不同換熱面積試驗情況下，隨著換熱面積增大，換熱效率增大明顯，從而有效降低外輸露點。

2.2 環(huán)境溫度對露點的影響

試驗選擇的4號站、10號站、14號站、24號站生產(chǎn)情況基本穩(wěn)定，進站壓力穩(wěn)定，產(chǎn)量調(diào)整不頻繁且流量相對較穩(wěn)定，該試驗期間的露點監(jiān)測基本在同一時間，根據(jù)各站換熱器運行期間的環(huán)境溫度變化，分析環(huán)境溫度對換熱效率及外輸天然氣露點的影響規(guī)律。

1）環(huán)境溫度對換熱效率及露點的影響。4號站環(huán)境溫度10.5℃時換熱效率83.24%，外輸天然氣露點為21.32℃；而環(huán)境溫度升至23.1℃時，換熱效率降為80.62%，外輸天然氣露點升至23.23℃；其他試驗站也具有相同規(guī)律。從而得出，在相同換熱制度下（相同二節(jié)壓差），換熱面積和外輸流量都相同時，環(huán)境溫度越低，換熱效率越高，外輸天然氣露點越低。

2）環(huán)境溫度對換熱效率量化研究分析。各試驗站在二級節(jié)流壓差分別為0.2～0.3MPa、0.3～0.4MPa和0.4～0.5MPa的制度下，將環(huán)境溫度變化與換熱效率變化關(guān)系折算成：環(huán)境溫度每升高10℃時，換熱效率也降低6%到16%不等，環(huán)境溫度對換熱效率影響較大。

3）二級節(jié)流壓差對天然氣露點影響分析。14號站隨著二級節(jié)流壓差的增大，換熱效率從75.48%升高到88.38%；其他試驗站具有相同規(guī)律。得出同一試驗站具有相同換熱面積、外輸流量時，二級節(jié)流壓差越大換熱效率越高，工況露點就越低。

可以得出二級節(jié)流壓差越大，溫降越明顯，冷進口溫度越低，換熱器換熱效率就越好，露點越低。

3 存在的問題

由試驗可以得出，4個集氣站外輸天然氣露點均不符合國家標準（外輸天然氣露點溫度低于環(huán)境溫度5℃），外輸天然氣露點溫度與環(huán)境溫度差值的算術(shù)平均值為6.7℃。影響因素如下：隨著換熱器使用年限的增加，使得換熱性能降低；集氣站進站壓力普遍降低，一級節(jié)流降溫、二級節(jié)流降壓能力下降。

4 結(jié)論

1）在二級節(jié)流壓差一致，換熱面積相同，外輸流量不同的情況下，當外輸流量大時，換熱效率較高，而外輸露點較低；但由于外輸流量對換熱效率影響不大，從而對外輸露點影響同樣不大。

2）2站在相同換熱制度（二節(jié)壓差階段范圍相同）、相同外輸流量，不同換熱面積試驗情況下，隨著換熱面積增大，換熱效率增大明顯，有效降低外輸露點。

3）在相同換熱制度下（相同二節(jié)壓差），換熱面積和外輸流量都相同時，環(huán)境溫度越低，換熱效率越高，外輸天然氣露點越低。環(huán)境溫度對換熱效率影響較大；通過對換熱效率的改變，從而影響帶了外輸露點溫度。

4）同一試驗站具有相同換熱面積且外輸流量相同時，二級節(jié)流壓差越大換熱效率越高，而工況露點就越低。

［1］ 甘建德，柴蒼修 .板翅式換熱器的傳熱特性研究 ［J］.機械工程與自動化，2008（2）：56－61.

［2］ 凌翔，涂善東，陸衛(wèi)權(quán) .板翅式換熱器的研究與應(yīng)用進展 ［J］.石油機械，2000，28（5）：54－58.