脫水脫烴裝置換熱器堵塞治理及效果分析

王萬有(中國石油化工股份有限公司華北油氣分公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

2015年中國石油化工股份有限公司華北油氣分公司在大牛地氣田實(shí)施了天然氣凈化處理工藝，建成了天然氣處理規(guī)模50×108m3/a的脫水脫烴裝置。該裝置通過低溫分離兼冷油吸收工藝脫離出原料氣中的水和重?zé)N組分，以滿足外輸天然氣水露點(diǎn)和烴露點(diǎn)的要求，分離出的凝液通過分餾工藝得到液化石油氣和穩(wěn)定輕烴兩種副產(chǎn)品具有較高的商業(yè)價(jià)值。裝置設(shè)置了三列板翅式換熱器，主要功能是對原料氣、塔頂氣、塔底液三股流體進(jìn)行熱量交換，單列處理量為500×104m3/d[1]。

1 板翅式換熱器運(yùn)行情況

1.1 板翅式換熱器結(jié)構(gòu)原理

板翅式換熱器是低溫分離工藝的主要熱量交換裝置，功能是對原料氣、塔頂氣、塔底液在板翅內(nèi)進(jìn)行熱量交換。結(jié)構(gòu)主要由外板、隔板、封條以及翅片構(gòu)成，傳熱翅片過流通道1.1 mm×6.5 mm，單臺(tái)換熱器原料氣過流翅片有82層，塔頂氣68層，塔低液16層，冷熱通道按1∶1排列。該設(shè)備是脫水脫烴工藝的最前端裝置，具有換熱效率高、熱損失小、結(jié)構(gòu)緊湊輕巧、占地面積小等特點(diǎn)，但對天然氣固體雜質(zhì)較敏感。板翅式換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 板翅式換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 板翅式換熱器堵塞情況

大牛地氣田脫水脫烴裝置自2015年投運(yùn)以來，板翅式換熱器的運(yùn)行情況經(jīng)歷了穩(wěn)定運(yùn)行、頻繁堵塞和堵塞加重三個(gè)階段。第一階段為穩(wěn)定運(yùn)行期，2015年11月—2018年3月，換熱器運(yùn)行壓差較為平穩(wěn)，平均壓差33 kPa。第二階段為頻繁堵塞期，2018年4月開始板翅換熱器頻繁出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，壓差頻繁上漲到400 kPa，現(xiàn)場需進(jìn)行爆破吹掃等方式維持運(yùn)行，并在2019年12月，板翅換熱器實(shí)施了第一次堵塞治理，治理內(nèi)容包括增設(shè)重力分離器等，用于改善進(jìn)口原料氣氣質(zhì)條件，本次治理雖取得一定成效，但堵塞問題未達(dá)到根本治理。第三階段為堵塞加重期，2021年7月開始板翅換熱器壓差達(dá)到500 kPa且持續(xù)增長，并且通過爆破吹掃未能有效降低壓差。板翅換熱器自投產(chǎn)以來，現(xiàn)場采用停產(chǎn)爆破吹掃解堵49次，平均23天一次，嚴(yán)重制約了氣田集輸系統(tǒng)的平穩(wěn)高效運(yùn)行。板翅換熱器壓差變化曲線如圖2所示。

圖2 板翅換熱器壓差變化曲線

1.3 板翅式換熱器堵塞造成的影響

板翅式換熱器堵塞造成壓差上漲對生產(chǎn)主要造成三個(gè)方面影響：一是導(dǎo)致氣田上游氣井外輸回壓上升，部分氣井產(chǎn)能無法釋放，影響氣田天然氣井正常生產(chǎn)和產(chǎn)量任務(wù)的完成；二是頻繁通過爆破吹掃的方式治理換熱器堵塞不僅增加了經(jīng)濟(jì)支出影響了經(jīng)濟(jì)效益也為安全生產(chǎn)帶來較高的風(fēng)險(xiǎn)；三是頻繁解堵作業(yè)需脫水脫烴裝置停車，停車期間影響液化氣和穩(wěn)定輕烴兩種副產(chǎn)品的回收量，并且也會(huì)造成外輸天然氣水露點(diǎn)不達(dá)標(biāo)，給氣田帶來不利的影響。

1.4 堵塞原因分析

通過對板翅式換熱器堵塞的固體雜質(zhì)化驗(yàn)，結(jié)果顯示FeS、FeCO3成分占比86%，判斷原因?yàn)闅馓锖驓饩_發(fā)后天然氣組分中硫化氫和CO2含量升高，管道在輸送過程中存在CO2和H2S腐蝕，產(chǎn)生的腐蝕物顆粒較大堵塞了板翅換熱器流道。板翅換熱器內(nèi)部雜質(zhì)成分化驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 板翅換熱器內(nèi)部雜質(zhì)成分化驗(yàn)結(jié)果

2 堵塞治理措施

2.1 已采取治理措施

針對換熱器堵塞現(xiàn)場主要嘗試采取了化學(xué)和物理的方式進(jìn)行治理，化學(xué)方面在2019年采取兩次化學(xué)藥劑清洗，主要是在板翅式換熱器內(nèi)部加注化學(xué)藥劑(螯合劑)，與翅片內(nèi)的附著雜質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)；物理方面，除了開展日常爆破吹掃外，在2019年12月，實(shí)施了第一次堵塞治理，治理內(nèi)容包括增設(shè)重力分離器等，用于改善進(jìn)口原料氣氣質(zhì)條件，本次治理雖取得一定成效，但換熱器堵塞問題未達(dá)到根本治理。

2.2 本次堵塞治理措施

通過多方調(diào)研和對比分析，纏繞管式換熱器是在芯筒與外筒之間的空間內(nèi)將傳熱管按螺旋線形狀交替纏繞而成，相鄰兩層螺旋狀傳熱管的螺旋方向相反，并采用一定形狀的定距件使之保持一定的間距。纏繞管式換熱器可分別通過幾種不同的介質(zhì)，而每種介質(zhì)所通過的傳熱管均匯集在各自的管板上，構(gòu)成多通道型纏繞管式換熱器。纏繞管式換熱器相對于普通的列管式換熱器具有適的溫度范圍廣，適應(yīng)熱沖擊，能夠自身消除熱應(yīng)力，緊湊度高的特點(diǎn)，由于自身具有特殊的構(gòu)造，使得其流場充分發(fā)展，不存在流動(dòng)死區(qū)，通過設(shè)置多股管程(殼程單股)，能夠在一臺(tái)設(shè)備內(nèi)滿足多股流體的同時(shí)換熱。相比于板翅式換熱器，纏繞管式換熱器具有孔道大，通過性好，不容易被機(jī)械雜質(zhì)堵塞的特點(diǎn)，并且原料氣(熱物流)走殼程，掠過的管束間距為3～5 mm。經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)論證后，制定將第一列板翅式換熱器更換為纏繞管式換熱器方案[2]。

3 堵塞治理效果

2021年8月初完成板翅式換熱器堵塞治理改造施工，投產(chǎn)后三列換熱器整體運(yùn)行平穩(wěn)，分別從換熱器壓差、天然氣處理效果和換熱器效率三個(gè)方面進(jìn)行分析堵塞治理效果。

3.1 換熱器運(yùn)行壓差

三列換熱器運(yùn)行差壓均較改造前有了大幅的下降，第一列纏繞管式換熱器壓差85 kPa，較改造前板翅式換熱器下降422 kPa，第二三列原板翅式換熱器壓差分別為199 kPa和188 kPa，較改造前下降340 kPa和327 kPa。改造有效解決了第一列換熱器雜質(zhì)堵塞問題，緩解了二、三列換熱器運(yùn)行差壓過高、壓差上漲速率較快問題，為脫水脫烴單元穩(wěn)定運(yùn)行和上游產(chǎn)能釋放提供了有利條件。換熱器壓差變化如圖3所示。

圖3 換熱器壓差變化

3.2 天然氣處理效果

從天然氣制冷溫度來看，板翅換熱器作為脫水脫烴裝置天然氣處理初冷設(shè)備，其運(yùn)行效率將直接影響到天然氣脫水脫烴效果。改造后，第一列低溫分離裝置天然氣制冷溫度達(dá)到-17.46 ℃，與停產(chǎn)前相同；二、三列天然氣制冷溫度分別為-17.3 ℃、-18.95 ℃，分別較停產(chǎn)前上漲0.13 ℃、0.61 ℃，制冷溫度達(dá)到改造前水平。

從副產(chǎn)品產(chǎn)量來看，改造后液化氣日產(chǎn)66 t，與停產(chǎn)前持平，穩(wěn)定輕烴日產(chǎn)53 t，較停產(chǎn)前提升2 t。改造后天然氣重?zé)N組分回收程度達(dá)到了改造前運(yùn)行水平。

從外輸天然氣水露點(diǎn)來看，改造后水露點(diǎn)降至-12.1 ℃，符合交接要求，達(dá)到停產(chǎn)前水平。

3.3 新建換熱器換熱效率

改造前第一列換熱器換熱效率80%，改造后換熱效率82%，在處理氣量增加的前提下?lián)Q熱效率提升，新更換的繞管式換熱器換熱效果優(yōu)于堵塞狀態(tài)下的原板翅式換熱器。

4 結(jié)語

中國石油化工股份有限公司華北油氣分公司在大牛地氣田實(shí)施了天然氣脫水脫烴凈化處理工藝后外輸天然氣水露點(diǎn)大幅下降，達(dá)到國標(biāo)要求，生產(chǎn)的液化氣和穩(wěn)定輕烴兩種副產(chǎn)品也取得較好的經(jīng)濟(jì)效益，但在運(yùn)行的過程中暴露出來板翅換熱器堵塞的問題，通過對第一列板翅式換熱器更換為纏繞管式換熱器后壓差大幅下降，由507 kPa下降至85 kPa，并且可以持續(xù)維持此壓差運(yùn)行。丙烷制冷溫度、副產(chǎn)品產(chǎn)量、外輸天然氣水露點(diǎn)、換熱器換熱效率等評價(jià)指標(biāo)均達(dá)到或者優(yōu)于治理前水平，治理總體效果良好，有效降低輸氣管網(wǎng)回壓，為氣田上游氣井產(chǎn)能釋放和集輸系統(tǒng)平穩(wěn)安全運(yùn)行提供保障，達(dá)到了預(yù)期效果。