適用于注聚稠油油田的FPSO換熱器選型研究

張鴻凱翟東唐勇Zhang Hongkai,Zhai Dong,Tang Yong（中海油能源發(fā)展采油服務公司天津300457）（CNOOC Energy Technology&Services-Oil Production Services CO.,Tianjin 300457,China）

適用于注聚稠油油田的FPSO換熱器選型研究

張鴻凱翟東唐勇
Zhang Hongkai,Zhai Dong,Tang Yong
（中海油能源發(fā)展采油服務公司天津300457）
（CNOOC Energy Technology&Services-Oil Production Services CO.,Tianjin 300457,China）

針對注聚稠油油田出現(xiàn)的FPSO換熱器臟堵現(xiàn)象，通過對換熱器臟堵物的形成機理及換熱器選型分析，對比弓形折流板管式換熱器、螺旋板換熱器、刮面式換熱器、管殼式螺旋折流板換熱器、連續(xù)螺旋折流板式換熱器之間的性能特點，確定連續(xù)螺旋折流板式換熱器的選型優(yōu)勢。通過對10°螺旋角的油-水模擬試驗研究，采用綜合性能參數(shù)，驗證其在高粘流體換熱方面的流速高、壓降低、傳熱系數(shù)大等諸多特點，對比分析單弓及螺旋折流板換熱器性能特點及優(yōu)勢。

注聚；稠油；換熱器；連續(xù)螺旋折流板

1 引言

聚合物驅三次采油技術其機理是把聚合物加到注水中以增大水的粘度，由于粘度加大以及使用某些聚合物所出現(xiàn)的水相滲透率減少，造成了流度比降低，而流度比的降低增大了體積波及系數(shù)，減少了波及帶的含油飽和度，從而提高水驅效率[1][2]。但含有高聚合物的采出原油也給FPSO原油處理系統(tǒng)的脫水及污水處理帶來了極其嚴重問題，通過對現(xiàn)場初步統(tǒng)計，渤海油田的注聚原油已造成多個油田換熱設備堵塞、電脫失靈、生產污水超標等一系列問題，已嚴重的影響了原油的品質、處理及輸送，對上下油生產造成了極大的危害。鑒于此，快速、有效、安全地解決原油處理系統(tǒng)中的換熱器臟堵問題，是保證原油生產系統(tǒng)安全運行的當務之急。

本文通過對現(xiàn)場換熱器的堵塞情況及選型進行分析，并用試驗進行驗證，得出適用于注聚稠油油田的FPSO換熱器選型結論。

2 換熱器堵塞物分析

針對換熱器臟堵情況比較嚴重的中海油渤海某油田，其原油為重質低硫環(huán)烷基油，具有密度大，臘含量、硫含量低，鹽含量、水含量低，瀝青質、膠質含量高等特點。原油本身流動性較差、乳化問題較為嚴重。

根據(jù)對換熱器堵塞物的化驗分析顯示，堵塞物主要是注聚采出液所攜帶的泥砂等雜質、腐蝕產物以及HPAM與Ca2+、Mg2+等高價離子形成的微晶沉淀等在換熱器表面的沉積所致。宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，堵塞物外觀呈黑色固體狀，具有一定的彈性，拉伸后有類似于纖維的網(wǎng)狀結構，臟堵物中的油不溶物成分見表1。

表1 堵塞物的油不溶物組成

對其臟堵物形成分析得出，聚合物通過對水的稠化，增加了水的粘度和通過在孔隙介質中的滯留，減小孔隙介質對水的滲透率，加之油品自身粘度較高，其對泥砂混和液中固體雜質具有很強的吸附性，使得采出液中泥砂攜帶量大，污水粘度高，污水中含油量和油中含水率都較高，且隨著注聚濃度的增加含量有增大的趨勢。一定濃度的HPAM可能會與Ca2+、Mg2+等高價離子形成沉淀，該沉淀微晶就作為Ca1.11Mg0.89(CO3) 2，Mg3Si2O5(OH)4等晶體的晶核，加速堵塞物的生成。

3 換熱器選型分析

目前，F(xiàn)PSO生產系統(tǒng)中的高粘原油換熱設備主要采用傳統(tǒng)的弓形折流板管殼式換熱器和螺旋板換熱器兩種型式的換熱裝置，其中弓形折流板管殼式換熱器的比例約占95%以上。鑒于國內外換熱設備研究及使用狀況，針對注聚原油的具體特點，目前，適合于該油品的換熱器類型，主要有刮面式換熱器、管殼式螺旋折流板換熱器、連續(xù)螺旋折流板管殼式換熱器。

3.1 弓形折流板管式換熱器

傳統(tǒng)的弓形折流板管殼式換熱器以其技術成熟、承壓能力高、處理量大、彈性好等諸多特點，在石化行業(yè)獲得了廣泛應用。[3]但換熱器會出現(xiàn)殼側流體流動性差，壓力損失大，傳熱效率低等問題。

3.2 螺旋板換熱器

對于具有雙螺旋流流道、單螺旋流-軸向流流道、單螺旋流-軸向流+螺旋流流道三種型式螺旋板換熱器來講，容易形成堵塞現(xiàn)象，另外，高粘原油采用螺旋通道，局部阻力較大，流動性也較差。

3.3 刮面式換熱器

刮面式換熱器是通過將刮片自由固定在旋轉軸上，由于旋轉的離心力和液體阻力使其與傳熱面緊密接觸，連續(xù)地刮掉與傳熱面接觸的流體覆蓋膜，露出清潔的傳熱面，刮掉的部分沿刮片卷向旋轉軸附近，而軸附近的液體被吸入到葉片后業(yè)已露出的傳熱面，這種機械地連續(xù)地刮掉傳熱面附近的物質，使傳熱系數(shù)得到明顯提高[4]。

3.4 管殼式螺旋折流板換熱器

管殼式螺旋折流板換熱器是20世紀90年代初期基于弓形折流板換熱器的結構，從改變折流板布置方式的角度提出的強化傳熱技術[5]。該型換熱器具有強化傳熱、殼側壓降小、管束不易結垢及抗振性好等諸多特點。

3.5 連續(xù)螺旋折流板管殼式換熱器

連續(xù)螺旋折流板管殼式換熱器是將折流板制造成一個整體螺旋結構，同弓形折流板換熱器相比，殼側介質的流動方式由“Z”字形折返式流動變成連續(xù)的螺旋式流動，由原來的主流體橫向沖刷換熱管變成螺旋式沖刷，這種流動方式增強了流體的湍動，強化了傳熱。

4 試驗驗證

為驗證連續(xù)螺旋折流板管殼式換熱器的選型初步結論，模擬實際生產中的換熱器管外原油流動狀況及換熱過程，本文開展了10°螺旋角的連續(xù)螺旋折流板的油-水模擬試驗研究。油-水試驗的油品來自渤海某終端處理廠的注聚原油，該油品的體積含水率小于1%，油品物性數(shù)據(jù)通過HYSYS切割油品得到。原油粘溫數(shù)據(jù)見表2。

表2 渤海某終端處理廠原油粘度

4.1 驗證方法

大量研究結果表明，螺旋折流板換熱器在高粘流體換熱方面具有流速高、壓降低、傳熱系數(shù)大等諸多特點，為準確評價螺旋折流板換熱器的性能，更好的指導實際生產的使用，本文分別采用綜合性能參數(shù)ho/ΔP，即單位壓降下的管外對流傳熱系數(shù)，以及管外壓降與其傳熱系數(shù)關系，對比分析單弓及螺旋折流板換熱器性能特點及優(yōu)勢。

4.2 驗證結果

圖1 油-水試驗管外傳熱系數(shù)與管外流量和壓降的關系

圖1（a）為10°螺旋角的螺旋折流板換熱器和單弓型折流板換熱器以油-水為介質時的管外單位壓降下的對流換熱系數(shù)隨流量的變化規(guī)律。從圖中可以看出：（1）兩種類型換熱器單位壓降下的管外流體傳熱系數(shù)隨著管外流體流量的增大而減小，螺旋折流板換熱器單位壓降下的傳熱系數(shù)總體上高于單弓型折流板換熱器。其變化規(guī)律是：在小流量范圍內，兩者傳熱系數(shù)相差較大，單位壓降下的管外傳熱系數(shù)下降均較快。隨著流量的繼續(xù)增加，兩者傳熱系數(shù)變化趨緩，且有逐漸接近的趨勢。

（2）在相同的管外流量下，螺旋折流板換熱器單位壓降下的管外換熱系數(shù)是單弓型折流板的1.8～2倍。說明螺旋折流板換熱器綜合性能優(yōu)良，特別在管外許用壓降小、介質粘度高、處理量大的流體換熱方面具有顯著優(yōu)勢。

（3）相對于單弓型換熱器來說，螺旋折流板換熱器單位壓降下的管外換熱系數(shù)隨流量變化的曲線在小流量范圍內更為陡峭。說明螺旋折流板換熱器在小流量范圍內綜合性能更好。

（4）同水-水換熱相比，相同條件下，螺旋折流板換熱器在油-水介質中的單位壓降下的管外換熱系數(shù)低約80倍。說明油品的粘度及導熱性能對換熱能力的影響很大。

圖1（b）為10°螺旋角的螺旋折流板換熱器和單弓型折流板換熱器以油-水為介質時的管外單位壓降下的對流換熱系數(shù)隨流量的變化規(guī)律。從圖中可以看出：

（1）兩種類型換熱器的管外傳熱系數(shù)隨著管外流體壓降的增大而增大。

（2）從總體上來看，螺旋折流板換熱器管外流體的換熱系數(shù)遠小于單弓型換熱器。

（3）螺旋折流板換熱器管外傳熱系數(shù)隨壓降的增加較快。單弓型換熱器隨壓降增加的較為平緩。

（4）油-水換熱時，相同條件下，單弓型換熱器的管外換熱系數(shù)是螺旋折流板換熱器約2倍，壓降為3倍。

（5）同水-水換熱相比，相同條件下，對于螺旋折流板換熱器來講，在油-水介質中的管外換熱系數(shù)比水-水換熱低近10倍。對于單弓型換熱器來講，在油-水介質中的管外換熱系數(shù)比水-水換熱低近8倍。進一步說明油品的粘度及導熱性能對換熱能力的影響極大。

結論

同螺旋板換熱器結構緊湊，傳熱強度高，不易污塞。但受制造工藝所限，容量受限，承壓能力受限，制造復雜、檢修很困難，只能進行化學清洗。連續(xù)螺旋折流板換熱器具有處理量大，維修方便等特點。所以，采用連續(xù)螺旋折流板管殼式換熱器能顯著改善殼側流場，有效的消除流動死區(qū)，利于高粘原油的順暢流動，提高其換熱效率，特別是其流速高和壓降低的特性，能有效緩解垢物形成，延長注聚原油換熱器的清洗周期。

[1]李林，何躍輝，李江北.聚合物驅油工藝現(xiàn)狀及其發(fā)展[J].石油石化節(jié)能，1996，10：1-9.

[2]湯明光，裴海華，張貴才，蔣平，劉清華.普通稠油化學驅油技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].斷塊油氣田，2012，s1：44-48.

[3]董其伍，劉敏珊，蘇立建.管殼式換熱器研究進展[J].內蒙古石油化工，2006，32(1)：1-4.

[4]徐文達，張超，周穎越.刮板式換熱器的研究[J].食品與機械，1994，1：27-29.

[5]王秋旺，螺旋折流板管殼式換熱器殼程傳熱強化研究進展[J].西安交通大學學報，2004，38(9)：881-886.

Study on the selection of FPSO heat exchanger suitable for polymer?injection and?heavy?oil field

Aimingattheblockingofheatexchangerin polymer injection and heavy oil field, through theanalysis of type selection for different heat exchangertype, such as segmental baffle tubular heat exchanger,Spiral plate heat exchanger, scraped surface heat exchanger,helical baffles tubular heat exchanger andcontinues helical baffles tubular heat exchanger, theadvantagesoftheheat exchangers with continuous helicalbaffles is determined. Through the oil-water simulationtestforhelicalbaffleof10-degreespiralangle,thecharacteristics of continuous helical baffles heat exchangerare proved in high viscosity fluid heat transfer,suchashighflowrate,lowpressureandlargeheattransfercoefficient.The performance characteristics of heatexchanger with helical baffles and segmental?bafflesarecomparativeanalyzed.

polymer injection;heavy oil;heat exchanger;continuous helical baffles