海洋石油平臺閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)工藝設計

張 斌，陳文峰，曾樹兵，潘大新，刁兆斌

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

1 前言

海洋石油平臺開采出的天然氣或者伴生氣通常需要經(jīng)壓縮機增壓后作為燃料使用或者外輸至中心平臺或陸上終端進一步處理，天然氣在經(jīng)壓縮機增壓后，天然氣溫度會大幅升高，需要再利用冷卻器進行冷卻，冷卻器包括管殼式換熱器或印刷電路板式換熱器，冷卻介質(zhì)包括海水或淡水。管殼式換熱器傳熱面積較大、傳熱效果較好、適應性較強、操作彈性較大[1]；印刷電路板式換熱器是一種細微通道緊湊型板式換熱器，具有耐高溫、耐高壓、高緊促度、體積小等優(yōu)點。海洋石油平臺使用面積比較緊張，對平臺尺寸和重量限制要求十分嚴苛，尤其是對于高壓氣田，天然氣壓縮機組占地面積較大，為了節(jié)省空間，天然氣壓縮機出口冷卻器類型建議選用印刷電路板式換熱器，而印刷電路板式換熱器對水質(zhì)要求較高，海水的水質(zhì)指標不能滿足此要求，而需要使用更為潔凈的淡水作為各用水單元換熱器的冷卻介質(zhì)，因此設置循環(huán)冷卻水系統(tǒng)對于海洋石油平臺優(yōu)化設計意義重大。

2 工藝系統(tǒng)介紹

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)分為閉式系統(tǒng)和敞開式系統(tǒng)。閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)相較于敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，閉式冷卻水是在密閉的回路中循環(huán)實現(xiàn)熱交換，避免了與大氣直接接觸，且不會溶解氧，水質(zhì)波動相對較小，使得換熱器不易腐蝕，傳熱效率較高，因此閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)換熱效果優(yōu)于敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。因而海洋石油平臺優(yōu)先選用閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)主要由冷卻水—海水換熱器、冷卻水膨脹罐、濾器、冷卻水循環(huán)泵、管道及其他相關設施組成。

海洋石油平臺閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)以海水作為冷卻介質(zhì)，通過冷卻水—海水換熱器將循環(huán)淡水進行冷卻，然后將冷卻的循環(huán)淡水供給各用水單元換熱器將工藝介質(zhì)(天然氣或凝析油)冷卻；循環(huán)淡水經(jīng)各用水單元換熱器換熱后，循環(huán)淡水溫度會升高，再返回冷卻水—海水換熱器與冷海水換熱后再次被冷卻，然后由冷卻水循環(huán)泵增壓后繼續(xù)供應給各用水單元換熱器使用，進入下一個循環(huán)，是一種循環(huán)使用的給水系統(tǒng)。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的最高位置處設有冷卻水膨脹罐，用于排出管路中的氣體和容納因溫度變化而導致的循環(huán)淡水體積變化，并且通過冷卻水膨脹罐還可實現(xiàn)向循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補充淡水。此外，為了避免閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)各設備設施結垢，還應定期注入適量防垢劑。

3 閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)應用實例

文章以某海洋石油平臺氣田為例，分析閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設計原則和注意事項。

3.1 海水利用

在海洋石油平臺的閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，海水有兩個作用，一方面海水作為冷卻介質(zhì)，海水溫度在夏季最高可達23 ℃，海水經(jīng)海水濾器過濾處理后進入冷卻水—海水換熱器，與循環(huán)淡水進行熱交換，海水吸收熱量后其溫度由23 ℃升高至38 ℃進入排海管匯。循環(huán)淡水在與各用水單元換熱器內(nèi)凝析油或天然氣進行換熱后，循環(huán)淡水升高到45 ℃返回冷卻水—海水換熱器，與海水進行換熱降溫到25 ℃，作為循環(huán)冷卻給水進入下一個循環(huán)流程。

另一方面，海水作為取之不盡用之不竭的天然資源，可用作循環(huán)冷卻水的補水水源，海水經(jīng)海水濾器過濾處理后進入海水淡化裝置制取淡水作為循環(huán)冷卻水使用，循環(huán)冷卻水的水質(zhì)指標可參考GB/T 50050-2017《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設計規(guī)范》。

3.2 各用水單元換熱器負荷

此海洋石油平臺的各用水單元換熱器主要包括凝析油冷卻器、天然氣壓縮機入口冷卻器、天然氣壓縮機出口冷卻器，其中各換熱器負荷通過HYSYS模擬軟件計算，為了求得各用水單元換熱器的最大總負荷，選取了5個典型工況進行分析統(tǒng)計，分別為壓縮機初始投運年、壓縮機設計工況、全平臺最大氣量年、全平臺最大油量年、全平臺最大水量年，最終求得各用水單元換熱器總負荷最大值為20 700 kW。

3.3 冷卻水循環(huán)泵

冷卻水循環(huán)泵通常選用離心泵，循環(huán)泵排量根據(jù)冷卻水循環(huán)量確定，并需設置一臺備用泵。

冷卻水循環(huán)量計算公式如下：

Qt=Wt×3 600/(ρ×Cm×ΔT)

式中：Qt——冷卻水循環(huán)量，m3/h；ρ——冷卻水密度，kg/m3；Wt——各用水單元換熱器總負荷；Cm——冷卻水質(zhì)量熱容，kJ/kg·K；ΔT——冷卻水回水與給水溫差，K。

各用水單元換熱器總負荷為20 700 kW，將ρ取值993.95 kg/m3，Cm取值4.17 kJ/(kg·K)，△T取值20 K，經(jīng)計算可得冷卻水循環(huán)量Qt=900 m3/h，因此單臺循環(huán)泵排量可確定為900 m3/h。

冷卻水循環(huán)泵揚程H考慮冷卻水—海水換熱器阻力損失、各用水單元換熱器阻力損失，以及管路阻力損失，合計約為35 m。

3.4 冷卻水膨脹罐

冷卻水膨脹罐用于吸納循環(huán)淡水在被各用水單元換熱器加熱后的體積膨脹量，當管網(wǎng)內(nèi)循環(huán)淡水遇冷收縮時，膨脹罐還可向系統(tǒng)補充淡水；冷卻水膨脹罐還起到穩(wěn)定循環(huán)冷卻水回路內(nèi)壓力的作用。

海洋石油平臺通常會設置造氮機，制造的氮氣可作為冷卻水膨脹罐的密封氣源，一方面能有效防止空氣進入閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，另一方面能夠維持膨脹罐壓力。膨脹罐內(nèi)設置壓力變送器，壓力變送器與氮氣進氣管線控制閥和膨脹罐出口排氣管線控制閥設置聯(lián)鎖信號。當膨脹罐內(nèi)壓力降至氮氣進氣管線控制閥的設定值時，此進氣控制閥打開補充氮氣；當膨脹罐內(nèi)壓力升高至排氣管線控制閥的設定值時，此出氣控制閥打開，將氣體排放至安全地點；另外，膨脹罐還設有PSV安全泄放閥，以滿足膨脹罐超壓泄放需求。如果平臺無造氮機系統(tǒng)，也可采用氮氣瓶實現(xiàn)密封、維壓功能。

膨脹罐一般選型為臥式罐，在確定膨脹罐尺寸時，要求罐內(nèi)低液位至高液位之間體積不小于膨脹罐凈容積。冷卻水膨脹罐的凈容積計算公式如下：

Vnet=(β+1)×(θ+1)×(ρL/ρH-1)×V0

式中：Vnet——膨脹罐凈容積，m3/h；β——膨脹罐氣水容積比，0.75～1.0；θ——安全余量，15%；ρL——平臺最低環(huán)境溫度下水的密度，kg/m3；ρH——平臺最高環(huán)境溫度下水的密度，kg/m3；V0——循環(huán)冷卻水系統(tǒng)內(nèi)淡水總容積，m3。

閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)內(nèi)淡水總容積包括工藝設備內(nèi)水容積、冷卻水泵、各用戶單元換熱器、冷卻水管道容積[2]。經(jīng)估算，V0=240 m3。此外，將β取值1.0，ρH取值971.8 kg/m3，ρL取值998.2 kg/m3，經(jīng)計算可得Vnet=15 m3。

4 結論

海洋石油平臺閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)在整體上可以優(yōu)化海洋石油平臺空間，并且可以充分利用豐富的海水資源，一方面通過海水淡化裝置獲取循環(huán)淡水，另一方面利用海水作為閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)。文章介紹了閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)工藝流程，同時結合海洋石油平臺生產(chǎn)實例，給出了閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設計原則和能力計算方法，對后續(xù)設計人員更好地設計海洋石油平臺閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)具有一定的指導意義。