輕烴裝置冷箱流道壓差高原因分析及處理

鄭 起，杜偉君

（遼河油田油氣集輸公司，遼寧盤錦 124000）

0 引言

遼河油田的80 萬(wàn)輕烴回收裝置于2016 年6 月30 日投產(chǎn)運(yùn)行，裝置處理的主要工藝包括進(jìn)站預(yù)分離部分、原料氣增壓部分、分子篩脫水部分、輔助制冷部分、膨脹制冷部分、產(chǎn)品分餾部分。日天然氣處理能力為80×104m3，操作彈性為80%～110%，乙烷收率為85%。

1 裝置冷箱運(yùn)行情況

裝置輔助制冷及膨脹制冷部分采用2 臺(tái)冷箱進(jìn)行冷量交換，其流道內(nèi)發(fā)生雜質(zhì)及水化物堵塞，導(dǎo)致傳熱系數(shù)下降，進(jìn)出口壓差升高，氣體通過(guò)流速增快，冷換效果不好。發(fā)生堵塞的流道，易導(dǎo)致裝置前端壓力高，引發(fā)工藝安全風(fēng)險(xiǎn)。裝置投產(chǎn)以來(lái)，注甲醇次數(shù)不斷升高，在2021 年裝置多次采用降負(fù)荷升溫?zé)岽挡僮鳎韵湎鋲翰?，裝置無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行。近3 年裝置注甲醇化堵次數(shù)見(jiàn)表1，2021 年裝置升溫?zé)岽挡僮鞔螖?shù)見(jiàn)表2。

表1 2019-2021 年裝置注甲醇化堵次數(shù)統(tǒng)計(jì) 次

表2 2021 年裝置升溫?zé)岽挡僮鞔螖?shù)統(tǒng)計(jì)

2 冷箱流道壓差高原因分析

裝置冷箱為鋁板翅式換熱器，其結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧，工作溫度為-196～65 ℃，傳熱效率高，通道排列和組合十分靈活方便，對(duì)兩種以上介質(zhì)同時(shí)換熱有其獨(dú)特的優(yōu)越性，氣流形式多種多樣，能實(shí)現(xiàn)順流、逆流、錯(cuò)流、混合流等多種流型形式，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性好，但同時(shí)存在制造工藝要求嚴(yán)格、工藝過(guò)程復(fù)雜、流道間隙小、容易堵塞、不耐腐蝕以及清洗和檢修困難等缺點(diǎn)，只能用于換熱介質(zhì)干凈、無(wú)腐蝕、不易結(jié)垢、不易沉積、不易堵塞的工況。遼河油田輕烴裝置冷箱流道壓差高的原因總結(jié)有以下3 個(gè)：

（1）露點(diǎn)不合格的原料氣在冷箱內(nèi)逐步降溫的過(guò)程中，形成天然氣水合物，堵塞在流道翅片內(nèi)部，形成冰堵。隨著油田伴生氣組分的變化，進(jìn)氣組分中O2、CO2、H2S 組分升高，導(dǎo)致分子篩的有效工作時(shí)間縮短。分子篩能吸附O2、CO2、H2S 等物質(zhì)，H2S能夠破壞4A 分子篩的晶格，造成分子篩吸水性能下降，導(dǎo)致脫水后的原料氣露點(diǎn)不合格；CO2含量的增加，加劇深冷區(qū)形成水合物冰堵。此外，裝置再生氣取自分子篩出口原料氣，并非外輸脫烴氣，含有較多重?zé)N，與O2結(jié)合易發(fā)生高溫炭化反應(yīng)造成分子篩失效，進(jìn)而使分子篩的脫水能力降低，最終導(dǎo)致原料氣露點(diǎn)不合格。裝置進(jìn)站天然氣組分見(jiàn)表3 和表4。

表3 裝置設(shè)計(jì)進(jìn)站天然氣組分

表4 2021 年5 月裝置進(jìn)站天然氣組分

（2）分子篩床層內(nèi)的粉末通過(guò)粉塵過(guò)濾器，進(jìn)入冷箱流道內(nèi)形成堵塞。在粉塵過(guò)濾器失效的情況下，原料氣通過(guò)干燥器后將內(nèi)部粉化的分子篩粉末帶至冷箱流道內(nèi)，在冷箱內(nèi)由于流通截面擴(kuò)大、流速下降而沉降下來(lái)。來(lái)自于管線內(nèi)部的其他固體雜質(zhì)均容易在細(xì)小的冷箱流道內(nèi)存積，導(dǎo)致堵塞，引起壓差升高。

（3）氣體攜帶雜質(zhì)集結(jié)在冷箱流道內(nèi)，使冷箱流通面積變小，壓差升高。冷箱各流道入口未設(shè)置過(guò)濾器，裝置投產(chǎn)初期和管道改造過(guò)程中，管道清理和爆破吹掃不徹底，殘存的雜質(zhì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行后，積存于冷箱流道內(nèi)造成堵塞，引起壓差升高。

3 冷箱流道壓差高處理措施

對(duì)冷箱壓差高的處理方式主要分為運(yùn)行時(shí)處理與停機(jī)后處理兩種：①運(yùn)行時(shí)處理指注甲醇化凍堵及裝置減負(fù)荷升溫?zé)岽?，裝置不停運(yùn)，只影響部分產(chǎn)量，損失較小，但只能處理冷箱流道內(nèi)水合物冰堵的問(wèn)題，對(duì)已存在于冷箱流道內(nèi)的固體雜質(zhì)清理無(wú)效，當(dāng)冷箱流道壓差居高不下時(shí)，此處理方式不適用；②停機(jī)后處理方式有化學(xué)方法、機(jī)械刮管、水力射流（空穴）、超聲波清洗等，其中化學(xué)清洗方法易損傷流道內(nèi)壁氧化層，產(chǎn)生的污水處理易造成二次污染且處理難度大；機(jī)械刮磨方式在流道內(nèi)不具備實(shí)施條件；流道內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，水力射流（空穴）不適用；超聲波清洗方式清洗長(zhǎng)度短，清洗效果不明顯。

針對(duì)存在的問(wèn)題采用氣爆脈沖反向清洗方式，對(duì)冷箱內(nèi)部流道無(wú)腐蝕、無(wú)機(jī)械損傷、無(wú)二次污染。其中，氣爆脈沖清洗技術(shù)以空氣和水為介質(zhì)，通過(guò)數(shù)控電磁高頻脈沖控制儀形成高頻振蕩的脈沖波對(duì)流道內(nèi)進(jìn)行清洗。利用空氣的可壓縮性，在數(shù)控脈沖的控制下，使高壓氣體以一定的頻率和脈寬，與泵車高壓水同時(shí)進(jìn)入數(shù)控脈沖管線內(nèi)，形成類似于臺(tái)風(fēng)外旋的破壞力。隨著空氣的壓縮和擴(kuò)張，流道內(nèi)的紊流加劇，水流的橫向剪切力增大，使流道內(nèi)脈沖水氣流發(fā)揮出極致的剝離效果，對(duì)流道內(nèi)壁實(shí)現(xiàn)高頻振蕩、水槌效應(yīng)、螺旋環(huán)洗、微泡爆破等不同方式的快速?zèng)_刷清洗，將內(nèi)壁上的結(jié)垢、金屬氧化物和其他附著物清除，管壁上的沉積物被除掉，并隨高速氣—水流排出（圖1）。

圖1 氣爆脈沖水清洗工作原理

將冷箱各流道進(jìn)出口安裝可拆卸短接，用于清洗管路與冷箱連接。在被清洗流道的入口安裝進(jìn)水法蘭和脈沖振蕩發(fā)生器，在冷箱流道出口安裝出水法蘭，進(jìn)出口法蘭通過(guò)高壓水管與水洗系統(tǒng)連接，系統(tǒng)主要包括罐車、泵車、脈沖發(fā)生器、清洗管路等。脈沖振蕩發(fā)生器管路與壓縮空氣系統(tǒng)連接，壓縮空氣系統(tǒng)包括螺桿式空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐等（圖2）。

圖2 氣爆脈沖水清洗工作流程

首先通過(guò)循環(huán)泵建立清洗水循環(huán)，通過(guò)導(dǎo)熱油爐控制循環(huán)水溫度為60 ℃，熱水反向循環(huán)沖洗12 h 后轉(zhuǎn)脈沖清洗6 h，清洗過(guò)程中，由空氣壓縮機(jī)向大容量?jī)?chǔ)氣罐送氣，從儲(chǔ)氣罐送出的高壓氣流，通過(guò)脈沖發(fā)生控制裝置與水一起形成脈沖和高速水氣流，脈沖隨水氣流向下延伸傳播，使管內(nèi)形成高速水氣湍流，使流道內(nèi)產(chǎn)生沖刷和噴沙效應(yīng)，促使附著在翅片上的污垢破碎脫離，并隨著水氣流從未端排污排除。依次對(duì)2 臺(tái)冷箱的4 個(gè)主流道進(jìn)行反向脈沖水清洗，最后使用高壓空氣配合脈沖發(fā)生器，對(duì)流道進(jìn)行吹掃，完成流道干燥，滿足運(yùn)行時(shí)冷箱內(nèi)-60 ℃的露點(diǎn)要求。冷箱流道及分流區(qū)域清洗前后的對(duì)比見(jiàn)圖3 和圖4。

圖3 PI0404 至PI0405 流道清洗前后對(duì)比

圖4 PI0406 至PI0407 流道清洗前后對(duì)比

清洗后，裝置重新投入運(yùn)行，冷箱各流道壓差大幅減低，通過(guò)對(duì)分子篩再生氣工藝的優(yōu)化調(diào)整，冷箱流道壓差高的問(wèn)題得以解決（表5）。

表5 清洗前后冷箱各流道壓差對(duì)比

對(duì)輕烴裝置冷箱完成氣爆脈沖清洗后，冷箱換熱效率升高，冷量利用合理，輕烴收率顯著升高，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益，具體數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表6。此外，由7000 kW 高壓電機(jī)拖動(dòng)的原料氣壓縮機(jī)出口壓力下降，壓縮機(jī)壓縮比減低，綜合能耗明顯減低。

表6 冷箱流道氣爆清洗前后裝置主要參數(shù)對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

氣爆脈沖清洗技術(shù)的應(yīng)用綠色、安全且環(huán)保，不使用任何化學(xué)藥劑，對(duì)管線無(wú)腐蝕，對(duì)水質(zhì)無(wú)污染。同時(shí)實(shí)用性較強(qiáng)，不堵塞，可適用各種復(fù)雜流程，高效快速、省時(shí)省力，可以在不開(kāi)挖、不拆卸管線結(jié)構(gòu)、不停產(chǎn)的條件下進(jìn)行，降低人力、物力成本，提高管線、流道堵塞搶修、大修效率，較傳統(tǒng)的管線流道清洗方法，提高效率5～20 倍。