油田板式換熱器常見問題分析

□ 李 巖

勝利石油管理局有限公司 新能源開發(fā)中心 山東東營(yíng) 257000

1 板式換熱器概述

勝利油田具有豐富的采出水余熱資源,近年來,采出水余熱利用在勝利油田集輸站庫(kù)得到廣泛應(yīng)用。通過板式換熱器加熱泵機(jī)組的工藝,利用板式換熱器提取余熱水熱量進(jìn)入熱泵,通過熱泵制取高品位熱量,高品位熱量再通過板式換熱器對(duì)集輸站庫(kù)內(nèi)的來液、外輸液等進(jìn)行加熱,以此來代替站內(nèi)加熱爐。油田余熱利用項(xiàng)目可以有效減少天然氣消耗,實(shí)現(xiàn)綠色低碳生產(chǎn),改進(jìn)節(jié)能減排,具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

板式換熱器在油田采出水余熱利用項(xiàng)目中是關(guān)鍵設(shè)備,起到至關(guān)重要的作用。在實(shí)際應(yīng)用中,板式換熱器一次側(cè)為軟化水,不會(huì)發(fā)生堵塞結(jié)垢等問題,運(yùn)行較為平穩(wěn)。但板式換熱器二次側(cè)受油田采出水和油水混合液礦化度高、鈣鎂離子含量高、含雜質(zhì)多等影響,存在易結(jié)垢、易腐蝕、易堵塞、易泄漏、易氣阻等問題,換熱效果及運(yùn)行穩(wěn)定性受到嚴(yán)重影響。另一方面,由于頻繁清洗、拆裝,使板式換熱器壽命縮短,維修費(fèi)用增加,工人勞動(dòng)強(qiáng)度加大,浪費(fèi)了熱源,增加了運(yùn)行成本。筆者主要對(duì)板式換熱器在油田集輸站庫(kù)采出水余熱利用項(xiàng)目中出現(xiàn)的常見問題進(jìn)行分析,板式換熱器應(yīng)用原理如圖1所示。

圖1 板式換熱器應(yīng)用原理

2 換熱器選型

換熱器在油田采出水余熱利用項(xiàng)目中應(yīng)用,選型需考慮幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題。

第一,油田采出水及含水原油中氯離子含量均接近甚至達(dá)到1%,對(duì)換熱器材料耐腐蝕能力的要求極高。

第二,在需求負(fù)荷不變的情況下,余熱回收產(chǎn)生的高溫?zé)崴臏囟仍降?回收的經(jīng)濟(jì)性越高,這意味著熱源高溫水的溫度應(yīng)當(dāng)與被加熱含水原油要求達(dá)到的工藝溫度相接近,即小溫差換熱。

第三,含水原油的黏度較高,對(duì)換熱器的阻力降有較嚴(yán)格的要求,即含水原油側(cè)的阻力降不能大于1.0 MPa,否則會(huì)影響正常生產(chǎn)。

第四,所處理的含水原油及含油采出水在溫度變化過程中會(huì)存在結(jié)蠟現(xiàn)象和嚴(yán)重的結(jié)垢情況,換熱器有堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。

第五,被加熱的來液成分復(fù)雜,包含油、氣、水、雜質(zhì)等,造成換熱器使用工況復(fù)雜,影響換熱器的換熱效果與使用壽命。

第六,由于是改造項(xiàng)目,空間有限,因此換熱器的尺寸也是重要考慮因素。

目前國(guó)內(nèi)各石油化工行業(yè)常用的換熱器有管殼式換熱器、螺旋板式換熱器、板式換熱器三種,三種換熱器的參數(shù)與特點(diǎn)見表1。

表1 換熱器參數(shù)與特點(diǎn)

油田采出水余熱利用項(xiàng)目換熱器主要用于含水原油加熱,被加熱介質(zhì)所含成分復(fù)雜,易結(jié)垢,黏度高,應(yīng)選擇不易結(jié)垢且結(jié)垢后易于清除的換熱器。以下對(duì)三種換熱器進(jìn)行對(duì)比。

管殼式換熱器相比螺旋板式換熱器,總傳熱系數(shù)低,壓損大,體積大,占地面積大,平面布置受限,所以不推薦選用管殼式換熱器。

經(jīng)過對(duì)油田現(xiàn)有換熱器運(yùn)行情況調(diào)研,螺旋板式換熱器被加熱介質(zhì)通道尺寸較寬,壓損較小,耐堵性較好,但材料因成本因素一般選用碳鋼,抗腐蝕能力較弱,使用壽命在6 a以內(nèi),后期維護(hù)成本較高。

板式換熱器傳熱系數(shù)最高,設(shè)備占地小,具備擴(kuò)容能力。通過采用合理的板片流道設(shè)計(jì),可以解決壓損較大、易堵塞的問題。因?yàn)閾Q熱效率較高,可以大大減小換熱面積,減小換熱端差。此外,采用鈦板材料價(jià)格適中,抗腐蝕性較強(qiáng)。由此,板式換熱器性價(jià)比最高。

綜合以上對(duì)比分析,油田采出水余熱利用項(xiàng)目選用板式換熱器作為油田采出水側(cè)和含水原油側(cè)的換熱設(shè)備,具有良好的實(shí)用性與經(jīng)濟(jì)性。

3 常見問題

3.1 堵塞

板式換熱器在油田采出水余熱利用項(xiàng)目中較為常見的一個(gè)問題是堵塞,發(fā)生堵塞的主要原因有四方面。第一,板式換熱器的通道間隙僅為3～8 mm,若直徑超過4 mm的顆粒雜物經(jīng)過,就有可能使板式換熱器通道發(fā)生阻塞。第二,油田采出液中所含雜質(zhì)較多,如雜草、有機(jī)絮狀物、棉紗等,雜質(zhì)顆粒半徑均較大,極易造成板式換熱器堵塞。第三,油田采出水中含有原油、泥沙、膠質(zhì)等,當(dāng)含油量大于200 mg/L時(shí),會(huì)出現(xiàn)膠質(zhì)和油泥掛壁、結(jié)蠟等,易造成板式換熱器堵塞。由于膠質(zhì)和油泥不溶于各種表面活性劑,采用藥劑加在線常規(guī)循環(huán)清洗的方式無法達(dá)到解堵目的,因此必須進(jìn)行板式換熱器拆解清洗,需要投入大量人力物力。 第四,油田采出液中含有大量鈣離子、鎂離子,經(jīng)過板式換熱器時(shí)會(huì)在板片表面結(jié)垢,產(chǎn)生碳酸鈣、碳酸鎂等沉淀物,使通道變窄堵塞。板式換熱器堵塞如圖2所示。

圖2 板式換熱器堵塞

3.2 泄漏

板式換熱器在油田采出水余熱利用項(xiàng)目中存在的泄漏問題主要包括外漏和內(nèi)漏。通常情況下,外漏產(chǎn)生的原因主要是工作人員在進(jìn)行夾緊時(shí)沒有夾到位,板式換熱器各個(gè)部位尺寸不均勻,實(shí)際偏差較大,使夾緊螺釘產(chǎn)生松動(dòng),在運(yùn)行過程中密封墊出現(xiàn)脫離密封槽的情況,加之密封墊沒有進(jìn)行定期清理,在密封墊內(nèi)部存在雜物,導(dǎo)致密封墊受到損壞或老化,由此板式換熱器發(fā)生外漏。

在油田采出水余熱利用項(xiàng)目中,板式換熱器的材料選擇鈦板,因此一般情況下腐蝕并不是內(nèi)漏的主要原因。引起內(nèi)漏的原因主要是板片在經(jīng)過冷沖壓成型之后內(nèi)部存在殘余應(yīng)力,裝配夾緊尺寸較小,殘余應(yīng)力得不到良好的釋放;在集輸聯(lián)合站,油田采出液液量經(jīng)過三相分離器分離處理后具有波動(dòng)性,并且分離后的液量不僅有油、水,還含有大量氣體;通過三相分離器的液量經(jīng)過板式換熱器加熱時(shí),氣體及液量的波動(dòng)性使板片振動(dòng)變形;持續(xù)的振動(dòng)變形與殘余應(yīng)力相互疊加,由此造成板片隱裂,從而發(fā)生內(nèi)漏。板片隱裂如圖3所示。

圖3 板片隱裂

3.3 氣阻

板式換熱器在油田采出水余熱利用項(xiàng)目中會(huì)產(chǎn)生氣阻問題,氣體主要來自于兩部分。一部分是三相分離器分離不徹底仍然存在于油水混合液中的伴生氣,另一部分是油氣水混合液經(jīng)過板式換熱器加熱后從中析出的伴生氣。氣阻不僅會(huì)增大板式換熱器的壓差,而且會(huì)大大降低加熱效果。如高青輸油站污水余熱資源利用項(xiàng)目2019年12月30日投運(yùn)時(shí),輸油站生產(chǎn)系統(tǒng)壓力升高,加溫效果勉強(qiáng)達(dá)到設(shè)計(jì)溫升指標(biāo)的一半。經(jīng)測(cè)量,板片上部溫度普遍高于下部溫度。經(jīng)多方論證分析,最終原因?yàn)樾陆ㄓ酂崂孟到y(tǒng)的余熱換熱器及原油換熱器加裝在預(yù)分水器之后、三相分離器之前,原油來液經(jīng)過換熱器加熱,分離出大量伴生氣,氣體滯留在板式換熱器通道內(nèi),產(chǎn)生氣阻,使系統(tǒng)運(yùn)行壓力升高,換熱效果降低。氣體滯留區(qū)如圖4所示。

圖4 氣體滯留區(qū)

4 解決方法

4.1 堵塞

(1) 選擇取水點(diǎn)。為解決油田采出水余熱利用項(xiàng)目中因膠質(zhì)和油泥掛壁造成的板式換熱器堵塞問題,需要合理選擇取水點(diǎn)。一般在保證取水溫度的前提下,對(duì)經(jīng)過系統(tǒng)處理后的水進(jìn)行取水,這樣可以大大減少板式換熱器堵塞問題。以濱南稠油首站為例,因?yàn)槲唇?jīng)過處理,采出水中含油及懸浮物較多。經(jīng)過金剛砂過濾器后,出水水質(zhì)指標(biāo)含油量不高于5.3 mg/L,懸浮固體含量不高于4.7 mg/L,硫酸鹽還原菌不多于25個(gè)/mL,平均腐蝕速率不高于0.055 mm/a,懸浮物顆粒直徑中值不大于2.8 μm,均滿足注水的標(biāo)準(zhǔn)限值要求,水質(zhì)較好。

(2) 安裝反沖洗過濾器。為了盡可能減少油田采出液中各種雜質(zhì)進(jìn)入板式換熱器,降低板式換熱器清洗頻次,可以在板式換熱器前端安裝過濾器。傳統(tǒng)應(yīng)用于板式換熱器管道上的過濾器,主要有Y型、籃式,采用人工清洗的方式,清洗過程中不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力,而且極易造成內(nèi)部介質(zhì)外泄,污染土壤和環(huán)境,造成后續(xù)雜質(zhì)處理等問題,以及人工費(fèi)用支出。對(duì)此,安裝反沖洗過濾器,能夠降低過濾器拆解清洗時(shí)造成的介質(zhì)外泄污染環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)解決流體中各種雜質(zhì)堵塞板式換熱器通道問題。當(dāng)進(jìn)出口出現(xiàn)壓差時(shí),反沖洗過濾器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)沖洗,降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度。

(3) 拆解清洗。拆解清洗的常規(guī)做法為拆開板片后不取下,將其懸掛于導(dǎo)桿上來進(jìn)行清洗。但是,板式換熱器應(yīng)用于油田采出水余熱利用項(xiàng)目時(shí),板片表面沾滿油泥及各種雜質(zhì),懸掛于導(dǎo)桿上很難達(dá)到清洗效果。對(duì)此,需要將板片從導(dǎo)桿上取下,使用清洗劑和軟毛刷清洗。在冬季,在室外將板片拆下,清潔前需要進(jìn)行標(biāo)記,做到輕拿輕放,防止人工損壞板片。此外,禁止使用剛絲絨刷或鋼鋸來清潔板片,這樣可以避免損壞板片表面,不使結(jié)垢物殘留,不對(duì)板片產(chǎn)生腐蝕。

(4) 增加反沖洗流程。為及時(shí)保證板式換熱器通道暢通,提高換熱效果,減小壓降,在板式換熱器進(jìn)出口流程增加反沖洗流程。導(dǎo)入反沖洗流程后,板式換熱器的進(jìn)口變?yōu)槌隹?出口變?yōu)檫M(jìn)口,用液量反走實(shí)現(xiàn)清洗的目的。要求運(yùn)維人員每周進(jìn)行至少兩次反沖洗,每次不短于1 h。以義和聯(lián)合站余熱利用項(xiàng)目為例,每次反沖洗之后,平均原油加熱溫度提升2 K,壓降減小0.01 MPa,有效保證了系統(tǒng)正常運(yùn)行。反沖洗流程現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。

圖5 反沖洗流程現(xiàn)場(chǎng)

(5) 進(jìn)行在線清洗。針對(duì)油田采出水余熱利用項(xiàng)目板式換熱器應(yīng)用特性,研究板式換熱器在線清洗技術(shù)。在板式換熱器進(jìn)出口安裝管線處,用清洗小車和循環(huán)清洗劑對(duì)板式換熱器通道中的臟物或結(jié)垢進(jìn)行在線清除。在對(duì)臟物和結(jié)垢進(jìn)行清除之前,要對(duì)板式換熱器中的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行充分了解和分析,在此基礎(chǔ)上合理利用相應(yīng)的物質(zhì)作為清洗液,對(duì)于特殊化學(xué)物質(zhì),還要進(jìn)行溫度控制。在進(jìn)行酸洗除垢時(shí),工作人員將配好的清洗液注入板式換熱器,浸泡一段時(shí)間后進(jìn)行循環(huán),最后使用清水對(duì)殘留的酸液進(jìn)行清除。進(jìn)行油泥解堵時(shí),在清洗小車上安裝變頻器,在進(jìn)出口管道上安裝壓力表,清洗時(shí)根據(jù)壓力情況及時(shí)調(diào)整排量,避免因壓力過大引起板式換熱器泄漏。同時(shí)對(duì)清洗液的流速進(jìn)行嚴(yán)格控制,排量太小,會(huì)達(dá)不到清洗效果,排量太大,則易損傷板片。清洗小車如圖6所示。

圖6 清洗小車

4.2 泄漏

(1) 外漏。在板式換熱器沒有受到壓力的情況下,相關(guān)制造廠家要對(duì)夾緊裝配進(jìn)行充分分析,在此基礎(chǔ)上對(duì)夾緊尺寸進(jìn)行控制。應(yīng)用板式換熱器時(shí),工作人員需要確保夾緊尺寸的偏差不能超過規(guī)定數(shù)值,兩側(cè)壓緊板之間的平行度要始終保持在規(guī)定范圍內(nèi)。在外漏現(xiàn)象發(fā)生時(shí),需要對(duì)發(fā)生部位進(jìn)行標(biāo)記,再對(duì)板式換熱器進(jìn)行解體排查,根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分析。在板式換熱器解體過程中,對(duì)板片的變形部位進(jìn)行及時(shí)維修和更換。如果沒有備用板片,那么應(yīng)該對(duì)變形的板片進(jìn)行拆除或重新進(jìn)行組裝,這樣板式換熱器才能正常工作。

(2) 內(nèi)漏。在板式換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)制作時(shí),要充分考慮油田采出液采出水聯(lián)合站生產(chǎn)場(chǎng)景的特殊性,特別是要充分考慮進(jìn)入板式換熱器液量波動(dòng)及氣體引起的板式換熱器持續(xù)振動(dòng)影響,充分釋放板式換熱器內(nèi)部殘余應(yīng)力,提高板片邊緣易斷裂處的強(qiáng)度。要建立板式換熱器軟化水側(cè)水質(zhì)定期化驗(yàn)跟蹤機(jī)制,通過軟化水指標(biāo)來判斷板式換熱器是否存在內(nèi)漏問題。一旦發(fā)現(xiàn)內(nèi)漏情況發(fā)生,必須立即停運(yùn)板式換熱器,對(duì)板式換熱器進(jìn)行拆解檢查?？梢岳猛腹夥ɑ蛟噭└櫡▽?duì)板片的裂紋進(jìn)行確認(rèn),對(duì)隱裂的板片進(jìn)行更換。在對(duì)板式換熱器進(jìn)行維修組裝時(shí),要嚴(yán)格控制夾緊尺寸,保證達(dá)到規(guī)定的數(shù)值。需要注意,夾緊尺寸并不是在所有情況下都是越小越好。需要對(duì)板式換熱器不同的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析,及時(shí)對(duì)進(jìn)入板式換熱器液量的參數(shù)和指標(biāo)進(jìn)行合理調(diào)整。對(duì)于由于氣體進(jìn)入板式換熱器帶來振動(dòng)而引發(fā)內(nèi)漏的問題,可以在板式換熱器來液進(jìn)出口處增加板式換熱器保護(hù)裝置,主要原理為將氣體從保護(hù)裝置上端排氣管道引入來液輸出管道,從而減少進(jìn)入板式換熱器的氣體。板式換熱器保護(hù)裝置如圖7所示。

圖7 板式換熱器保護(hù)裝置

4.3 氣阻

解決氣阻問題的最佳方法為增加引氣流程,盡可能減少進(jìn)入板式換熱器的氣體。例如,高青輸油站污水余熱資源利用項(xiàng)目為解決板式換熱器氣阻問題,增加引氣流程,將板式換熱器分離出的氣體引出,排至加熱爐出口。增加引氣流程后,徹底解決了板片上部溫度普遍高于下部溫度的問題,板式換熱器進(jìn)出口匯管的壓力下降0.08 MPa,預(yù)分水器的運(yùn)行壓力明顯下降,由增加引氣流程前的0.47 MPa降至增加引氣流程后的0.39 MPa,由此保障了系統(tǒng)的正常。增加引氣流程如圖8所示。

圖8 增加引氣流程

5 結(jié)束語

板式換熱器在油田采出水余熱利用項(xiàng)目中是關(guān)鍵設(shè)備,筆者主要對(duì)板式換熱器在油田集輸站庫(kù)采出水余熱利用項(xiàng)目中出現(xiàn)的堵塞、泄漏、氣阻常見問題進(jìn)行分析,并提出解決方法,以供業(yè)內(nèi)參考。