海上氣田天然氣冷卻器在線酸洗研究

苗 建 魯旭濤 韓 笑 黑永強

中海石油(中國)有限公司深圳分公司, 廣東 深圳 518000

0 前言

海上某平臺天然氣冷卻器采用管殼式結構[1],其主要作用是使用海水對天然氣進行冷卻[2]降溫,從而降低天然氣的飽和含水量。天然氣冷卻器長期處于運行狀態(tài)時,海水管程結垢情況嚴重,封頭處附著大量的海生物、污泥及垢物等[3],降低了天然氣冷卻器的換熱效率[4],出口天然氣溫度升高,導致三甘醇脫水負荷和損耗增加,降低外輸干氣品質,還造成海水管線震動加劇,影響設備安全使用。目前采用的高壓清洗[5]冷卻器作業(yè)不僅工期長、費用高、風險大,而且清洗時兩臺冷卻器需輪流關停,影響天然氣處理量,擬研發(fā)一種在線清洗方式[6]。

1 天然氣冷卻器工作原理

1.1 主要設計參數

平臺上設有2臺臥式天然氣冷卻器[7],設計為管殼式結構,管程走低溫海水,殼程走高溫天然氣[8],通過旁通溫度控制閥調節(jié)天然氣流量從而達到下游所需溫度[9]。單臺天然氣冷卻器設計處理量為230×104m3/d,換熱效率為2 232 kW,主要設計參數見表1。

表1 天然氣冷卻器主要設計參數表

1.2 使用現狀

氣田井流物經過管匯后進入生產分離器進行油氣水三相分離,氣相去天然氣冷卻器進行冷卻[10]。殼程的天然氣被管程的海水冷卻至31～35°C,達到下游三甘醇脫水最佳溫度,同時降低了天然氣的飽和含水量。再通過入口過濾分離器脫除液烴、水滴和雜質等,從而降低下游三甘醇接觸塔的脫水負荷和三甘醇損耗,保證外輸干氣露點達到標準。天然氣冷卻器生產流程見圖1。

圖1 天然氣冷卻器生產流程圖Fig.1 Production flow chart of natural gas cooler

天然氣冷卻器在長期使用過程中,管程海水通過量不足,換熱效果逐漸降低,殼程天然氣溫度升高,最高可達37 ℃,使得下游三甘醇脫水和再生裝置負荷增加,造成三甘醇損耗增加。天然氣冷卻器換熱效率降低的主要原因是管程內部被海生物、污泥及垢物等堵塞[11],附著有海水中溶解度較低的鹽類沉積結垢和污泥,其結垢主要成分是碳酸鈣、氫氧化鎂和硫酸鈣。這些鹽類在海水中的溶解度很低,且其溶解度隨著溫度升高而降低,海水因換熱升溫,這些鹽類就會在換熱面上析出而形成結垢,堵塞管道。

2 天然氣冷卻器常規(guī)高壓清洗

2018年8月,平臺對天然氣冷卻器管程[12]進行高壓清洗作業(yè)[13],經過現場對單套天然氣冷卻器隔離泄壓惰化之后,通過高壓水槍及專業(yè)清洗劑對天然氣冷卻器封頭處堵塞物進行清洗[14]。此項作業(yè)耗時7 d,現場專業(yè)清洗人員6人,費用約20萬元左右,完成天然氣冷卻器常規(guī)高壓清洗作業(yè)。整個作業(yè)過程涉及高壓水槍清洗、人員登高作業(yè)和非防爆柴油機設備運轉,都存在較高風險,平臺需要安排現場監(jiān)督全程監(jiān)護。

在產量相同工況下,天然氣冷卻器經高壓清洗后,天然氣出口溫度相對下降5 ℃,冷卻器換熱效率提高29.41%,說明高壓清洗作業(yè)效果顯著[15]。

3 在線酸洗試驗研究和效果

2019年5月,平臺天然氣冷卻器冷卻后天然氣溫度漸升至37 ℃,海水進口壓力增加至450 kPa(壓力高高設定點為500 kPa),計算發(fā)現天然氣冷卻器換熱效率降低,冷卻效果不佳,平臺外輸干氣露點偏高[16]。為恢復天然氣冷卻器的換熱效率,現場對清洗方式進行深入調研,優(yōu)選更容易實施的化學清洗。在調研天然氣冷卻器的結構和材質的基礎上,對酸介質進行對比選擇,最終現場研究決定使用低濃度酸溶液對冷卻器進行在線酸洗作業(yè),清除管程結垢堵塞,從而提高天然氣冷卻器的換熱效率,實現降本增效、節(jié)約能耗的目的。

3.1 酸介質選擇

常用的酸介質多為鹽酸、草酸、磷酸和檸檬酸,從性質、危害性以及與容器部件配伍性[17]等方面對其進行對比、分析,選出最合適的酸介質溶液,見表2～3。

表2 不同酸介質基本性質、危害對比表

表3 不同酸介質與容器部件配伍性表

通過對比表2、3可知,相對于其他酸介質而言,鹽酸腐蝕性較強,草酸和磷酸有毒性,廢液需要專門環(huán)保部門處理;檸檬酸具有價格低,無毒,其鈣、鎂鹽的溶解性在冷水中效果更好的特點。同時,檸檬酸與金屬會發(fā)生絡合反應,在其表面形成難溶的檸檬酸鹽保護薄膜,使金屬免受腐蝕,是一種安全清洗劑。由于檸檬酸不含有Cl-,故不會引起設備的應力腐蝕,它能夠絡合Fe3+,削弱Fe3+對腐蝕的促進作用。檸檬酸雖屬有機強酸,可電離3個H+,但是在低濃度水溶液中,因與金屬的絡合反應而選擇性地與鈣、鎂鹽反應。針對這種特性,在酸洗過程中,控制檸檬酸溶液的濃度不高于10%。綜上所述,檸檬酸優(yōu)勢比較明顯,選擇其作為酸介質。

3.2 酸洗試驗簡述

通過研究目前國內其他行業(yè)酸洗施工標準并結合對本平臺具體的情況考慮[18],優(yōu)選10%濃度的檸檬酸溶液對該類堵塞物進行酸洗試驗。天然氣冷卻器管程海水進、出口均設有隔離球閥及排放閥,通過排放閥接入酸洗裝置,通過氣動泵[19]對天然氣冷卻器管程注入酸介質,經過充分的浸泡和松動,然后進行循環(huán)酸洗除垢,酸洗至進出口pH值無變化,則停止循環(huán)酸洗,最后使用淡水沖洗管程后結束。在線酸洗作業(yè)流程見圖2。

圖2 天然氣冷卻器在線酸洗作業(yè)流程圖Fig.2 Flowchart of online pickling operation of natural gas cooler

3.3 酸洗效果評估

通過酸溶液浸泡→循環(huán)酸洗→淡水沖洗后,可以在進口短節(jié)拆除處看到酸洗后管程封頭處堵塞物消失,清洗效果明顯[20]。本次酸洗天然氣冷卻器作業(yè)共使用10%濃度檸檬酸溶液2 m3,耗時3 d,費用約1萬元左右。

根據平臺生產數據查詢,由于酸洗之前,平臺保持275×104m3/d處理量和海水壓力390 kPa的工況,且天然氣冷卻器A/B套共同使用時,進口溫度55 ℃,出口溫度37 ℃,天然氣溫度下降18 ℃(2019年8月2日數據)。酸洗作業(yè)完成后,在保持同樣的產量和工藝參數工況下,天然氣冷卻器出口天然氣溫度也明顯下降,從37 ℃降至32 ℃,較酸洗前下降了5 ℃。酸洗前后冷卻器的溫降從原來的18 ℃提高至23 ℃,天然氣冷卻器冷卻效果提升了27.78%,說明酸洗前后冷卻器換熱效率明顯提升[21]。對酸洗前后效果參數進行對比評價,具體參數見表4。

3.4 常規(guī)高壓清洗與在線酸洗效果對比

天然氣冷卻器高壓清洗和現場在線酸洗效果對比見表4。由表4可知,在線酸洗與之前的常規(guī)高壓清洗取得的效果基本一致,在線酸洗作業(yè)取得預期效果。通過對比兩種方式,在線酸洗在作業(yè)風險、作業(yè)天數、作業(yè)人員、作業(yè)費用方面具有明顯優(yōu)勢,總體而言,在線酸洗施工簡單方便,成本低。

表4 高壓清洗與在線酸洗效果對比表

4 結論

1)試驗前后數據對比表明,在線酸洗效果明顯,其提升的換熱效率與常規(guī)高壓清洗方式提升換熱效率基本一致。

2)與常規(guī)高壓清洗方式對比,在線酸洗具有成本低、工期短、風險性小、可操作性高的特點。

3)采用低濃度檸檬酸液對管殼式換熱器內部附著的海生物、污泥及垢物清洗收到了良好的作業(yè)效果,且檸檬酸與金屬會發(fā)生絡合反應,使金屬免受腐蝕,對工藝管道起到了保護作用。

4)天然氣冷卻器在線酸洗提高了天然氣冷卻器清洗工作的便捷性,并為海上其他氣田設施提供了可借鑒的經驗思路,極具推廣潛力,為此類工作的開展提供有力的佐證。