海上平臺生產(chǎn)水入艙溫度偏高問題的分析及處理

張笑龍，張俊杰

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司 天津300452)

0 引 言

某試采平臺是集試采、修井、油氣處理、原油儲存于一體的移動式試采平臺，可滿足渤海灣75%的不同油田工況作業(yè)。自平臺投產(chǎn)以來，先后歷經(jīng)多個油田試采作業(yè)任務(wù)。隨著歷次作業(yè)環(huán)境的不同，逐漸發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)水下艙溫度偏高問題。

該平臺采出原油經(jīng)高效分離器進(jìn)行油、氣、水三相分離后，生產(chǎn)水經(jīng)生產(chǎn)水冷卻器冷卻后入艙儲存。但是在運(yùn)營過程中發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)水冷卻器入口溫度在94 ℃附近微弱起伏，生產(chǎn)水冷卻器出口溫度(即為生產(chǎn)水入艙溫度)偏高，峰值時生產(chǎn)水基本未得到冷卻，偶發(fā)性偏高達(dá)到引起三級關(guān)斷的設(shè)定值，影響正常生產(chǎn)，而且下艙溫度偏高直接影響船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和漆面的防腐效果，同時導(dǎo)致污油水艙高速透氣閥頻繁起跳，使用年限大幅度減少，不能滿足正常的生產(chǎn)作業(yè)要求。因此，平臺生產(chǎn)操作人員針對此問題，展開了分析研究并采取了多項舉措。

1 現(xiàn)狀調(diào)查

1.1 生產(chǎn)水冷卻器工作原理

該平臺生產(chǎn)水冷卻器是管殼式換熱器的一種，是油氣處理過程中產(chǎn)生的含油污水入艙儲存前進(jìn)行冷卻降溫的換熱設(shè)備，冷卻介質(zhì)為海水。它是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器。這種換熱器結(jié)構(gòu)簡單、造價低、流通截面較寬、易于清洗水垢；可用各種結(jié)構(gòu)材料(主要是金屬材料)制造，能在高溫、高壓下使用，是目前應(yīng)用最廣的類型。其工作運(yùn)行示意圖見圖1。

圖1 生產(chǎn)水冷卻器工作示意圖Fig.1 Operation diagram of production water cooler

1.2 現(xiàn)場使用情況

2018 年4 月平臺在渤海某油田試采作業(yè)期間，生產(chǎn)水冷卻器入口溫度在94 ℃附近微弱起伏，生產(chǎn)水冷卻器出口溫度(即為生產(chǎn)水入艙溫度)偏高，長期在60 ℃以上運(yùn)行，且波動頻繁，進(jìn)出口溫差在23 ℃左右，生產(chǎn)水出口溫度峰值達(dá)到94 ℃，而設(shè)計給定的操作溫度為60 ℃，峰值時生產(chǎn)水基本未得到冷卻，偶發(fā)性偏高達(dá)到引起三級關(guān)斷的設(shè)定值，不滿足正常的作業(yè)要求，調(diào)取中控PCS 趨勢見圖2。

圖2 生產(chǎn)水進(jìn)出口溫度趨勢圖Fig.2 Trend chart of inlet and outlet temperature of produced water

2 問題分析及處理措施

2.1 換熱器選型與換熱量

根據(jù)本平臺油、氣、水設(shè)計處理量及工藝參數(shù)，生產(chǎn)水冷卻器設(shè)計功率900 kW，按照給定進(jìn)出口溫降，可滿足生產(chǎn)水日處理量為500 m3，而實際生產(chǎn)過程所需生產(chǎn)水日處理量在100 m3左右，選型滿足工藝需求，排除此項因素。

2.2 介質(zhì)溫度變化

分析認(rèn)為，生產(chǎn)水冷卻器入口溫度的變化可能也會造成生產(chǎn)水入艙溫度的變化。但是通過流程控制，快速降低高效分離器溫度(即生產(chǎn)水冷卻器入口溫度)，經(jīng)觀察生產(chǎn)水入艙溫度無明顯變化，見圖3。因此，認(rèn)為這套工藝流程能夠克服溫度變化而帶來的影響，可以繼續(xù)排除此項因素影響。

圖3 進(jìn)出口溫度對比圖Fig.3 Comparison of inlet and outlet temperature

2.3 來液量變化

分析認(rèn)為，當(dāng)來液量改變時，可能也會造成生產(chǎn)水入艙溫度的變化。但是通過手動控制，改變流量控制閥門的開度，生產(chǎn)水入艙溫度仍然沒有較明顯的變化，見圖4。因此，來液量的變化可以被系統(tǒng)克服，繼續(xù)排除此項因素影響。

圖4 流量控制閥與入艙溫度對比Fig.4 Flow control valve vs. tank temperature

2.4 換熱器內(nèi)部結(jié)垢

分析認(rèn)為，換熱器結(jié)垢，將會對換熱器的換熱效果產(chǎn)生很大的影響，造成換熱系數(shù)降低，換熱效率大大降低，導(dǎo)致生產(chǎn)水得不到有效冷卻。針對該原因，本平臺對生產(chǎn)水冷卻器進(jìn)行拆解，計劃清洗內(nèi)部殘留物。拆除封頭后發(fā)現(xiàn)，換熱器內(nèi)部較為清潔，并沒有殘留物、結(jié)垢現(xiàn)象，見圖5。因此，也可排除結(jié)垢因素的影響。

圖5 生產(chǎn)水冷卻器內(nèi)部圖Fig.5 Inside of production water cooler

2.5 冷卻海水的影響

分析認(rèn)為，冷卻海水管路堵塞也是引起生產(chǎn)水入艙溫度高的原因。生產(chǎn)水冷卻器海水管路堵塞會使流經(jīng)生產(chǎn)水冷卻器循環(huán)水量減少，造成生產(chǎn)水冷卻器冷卻水路出水與進(jìn)水溫差大、壓差大，出水溫度高。但在實際運(yùn)行中，生產(chǎn)水冷卻器海水進(jìn)出口壓差為0.03 MPa 左右，廠家提供管程阻力為0.04 MPa，從運(yùn)行狀況分析來看，水路堵塞的可能性不大。在對生產(chǎn)水冷卻器拆解檢查中對各管路進(jìn)行檢查，也沒有發(fā)現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。

冷卻海水本身特性的變化，也會是生產(chǎn)水入艙溫度高的原因。現(xiàn)場調(diào)查分析，在海水系統(tǒng)中，冷卻水由3 臺海水提升泵和一臺應(yīng)急海水提升泵提供，排量分別為204、400 m3/h，在試采作業(yè)中，4 臺海水提升泵完全滿足平臺冷卻用水，且系統(tǒng)運(yùn)行期間，冷卻海水的溫度、壓力平穩(wěn)，無明顯變化，如圖6 所示，因此排除此項因素的影響。

圖6 冷卻海水溫度、壓力曲線Fig.6 Temperature and pressure curve of cooling seawater

2.6 設(shè)備本身缺陷

生產(chǎn)水冷卻器殼程介質(zhì)為生產(chǎn)水，上進(jìn)下出，出口未設(shè)限流裝置，這一設(shè)計缺陷無法保證滿罐運(yùn)行，且上游高效分離器操作壓力為50 kPa，下游污油水艙壓力為10 kPa 左右，高效分離器與生產(chǎn)水冷卻器落差5 m，在壓力、重力雙重作用下，由高效分離器底部排出的生產(chǎn)水很快流經(jīng)生產(chǎn)水冷卻器下艙，停留時間過短，且生產(chǎn)水冷卻器殼程未被完全充注，未充分發(fā)揮生產(chǎn)水冷卻器的冷卻功能，甚至出口管線都未完全充滿，給溫度測量帶來很大誤差，導(dǎo)致入艙溫度波動頻繁。現(xiàn)場人員對殼程頂部排氣時，持續(xù)有氣體逸出，且未見連續(xù)液體。初步判斷生產(chǎn)水冷卻器不滿罐操作是導(dǎo)致?lián)Q熱效果差、使生產(chǎn)水入艙溫度偏高的癥結(jié)所在。

圖7 生產(chǎn)水冷卻器出口改造前后圖Fig.7 Schematic diagram of production water cooler outlet before and after transformation

針對發(fā)現(xiàn)問題制定對策，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，決定對流程進(jìn)行優(yōu)化改造。找出最優(yōu)的改造方案為對生產(chǎn)水冷卻器出口進(jìn)行流程改造，拆除出口 3 in(76.20 mm)管線短節(jié)，加裝3 in(76.20 mm)倒U 型彎，確保生產(chǎn)水冷卻器滿罐操作，見圖7。

3 效果評價

在增加生產(chǎn)水冷卻器出口管線倒U 型彎之后，通過投產(chǎn)實際數(shù)據(jù)采集與對比，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)水冷卻器進(jìn)出口介質(zhì)溫差由之前的23 ℃提高到33 ℃，且溫度變化波動較小，出口溫度穩(wěn)定維持在60 ℃左右(圖8)，保障了設(shè)備的良好運(yùn)行，改善了現(xiàn)場污油水艙高速透氣閥頻繁起跳的問題，由之前每天7 次降低至每天1 次，延長了設(shè)備使用壽命且滿足正常生產(chǎn)需求。

圖8 改造后生產(chǎn)水冷卻器進(jìn)出口溫度曲線Fig.8 Temperature curve of inlet and outlet of production water cooler after transformation

4 結(jié) 語

通過以上分析我們得出，設(shè)備缺陷導(dǎo)致生產(chǎn)水冷卻器不滿罐操作是影響該試采平臺生產(chǎn)水入艙溫度偏高的主要原因。由于在實際生產(chǎn)中，影響生產(chǎn)水入艙溫度的因素有很多種，在實際生產(chǎn)運(yùn)營管理中，我們需要逐一去排除掉非要因，層層剝離，才能最終找出問題的癥結(jié)所在，并采取相應(yīng)措施去解決。通過本文也能得出，工藝流程不一定都是完美無缺的，要通過不斷的摸索挖潛，優(yōu)化改造，才能確保設(shè)備的安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行。