地下储气库管壳式换热器出现偏流冻堵现象解析

何 鑫，刘增哲，李 艺

（北京油气调控中心，北京 100007）

地下储气库管壳式换热器出现偏流冻堵现象解析

何 鑫，刘增哲，李 艺

（北京油气调控中心，北京 100007）

管壳式换热器是地下储气库正常运行的关键设备之一，分析管壳式换热器在不同采气输量情况下出现偏流、冻堵的原因并找出缓解措施，对确保储气库正常运行十分重要。文章结合工程实际，从管壳式换热器产生偏流冻堵的现象、管壳式换热器前管道积存水和液烃的原因、管壳式换热器偏流冻堵的解析、控制偏流及处理冻堵的方法等方面对其进行了论述。

地下储气库；管壳式换热器；偏流冻堵；解析；处理

0 引言

自1999年起，中石油相继在天津市大港建设了板中北、板中南等6座地下储气库。这些地下储气库的建设不仅满足了京津地区的季节调峰用气，并在一定程度上解决了陕京天然气管道系统发生事故时的应急安全供气，使京津地区的供气状况得到了改善，供气安全得到了有力保障，同时也对华北地区城市的大气环境治理起到了积极作用，具有良好的社会效益和经济效益。

由于在冬季不同的采气输量情况下，管壳式换热器在实际运行中容易发生偏流、冻堵等现象，在生产运行中掌握管壳式换热器偏流、冻堵的原因和相关理论数据，对缓解管壳式换热器冻堵现象的发生、确保生产正常运行是十分重要的。

1 在生产运行中管壳式换热器发生偏流、冻堵现象

板中北和板中南采输系统由三套天然气采输露点控制装置组成，装置A建于2003年，最大采气量为300万m3/d；装置B建于2004年，最大采气量为600万m3/d；装置C建于2005年，最大采气量为600万m3/d。三套装置联合运行时最大采气量为 1 500万 m3/d。

板中北储气库露点装置有A、B两个管壳式换热器 （见图1），每个换热器处理量300万m3/d，天然气经过生产分离器分离后，通过预冷器旁路，到达管道过滤器，由管道过滤器出口进入埋地管壳换热器入口汇管，分别出地面沿管壳式换热器入口的管道垂直方向由下向上进入A、B换热器热边，管壳式换热器热边列管管路中的天然气与壳层冷气流换热，热边列管管路中的天然气在换热器中降温，分离出液烃及少量饱和水、游离水、凝析水。在2004年采气运行中，采气量低于600万m3/d时，出现严重偏流、冻堵现象；采气量低于450万m3/d时，管壳式换热器压差达到0.7 MPa，A路换热器热边冻堵。在生产过程中相关数据显示，当天然气采气量小于450万m3/d时，管壳式换热器容易发生偏流、冻堵等现象。

2 进入管壳式换热器前管道中析出水和液烃解析

2.1 进入管壳式换热器前管道中水、液烃的来源

（1）在生产运行中天然气经过计量、生产分离器后携带的部分水、液烃等。在采气初期或气量调节时，因气量波动大，天然气从计量分离器、生产分离器中携带出部分水、液烃等，这部分水、液烃数量较小，而且只有在气量波动时才出现。

（2）在计量、生产分离器后加入甲醇、乙二醇，从天然气中凝析出的部分水、液烃等。为了防止天然气在J-T阀节流后冻堵，在生产分离器后面，加入甲醇或乙二醇等溶液，这些溶液和天然气中水、液烃等结合，降低了水、液烃等的凝固点，板中北储气库每100万m3天然气加入40 L甲醇，这部分水、液烃数量较小。

（3）计量、生产分离器至管壳式换热器的管道由于温度的降低凝析出部分水、液烃等。从计量、生产分离器至管壳式换热器的管道长50 m，直径400 mm，这些管道裸露在室外，在大气量采气时，管道内天然气的温度为30~33℃，而管道外的温度为-10~-13℃，天然气在这段管路中行进，温度一般降低2~3℃。在压力不变的情况下，随着温度的降低，含饱和水的气体逐步进入两相区 （见图2），从而凝析出水、液烃等。

（4）天然气从计量、生产分离器流至管壳式换热器时，由于压力的降低凝析出天然气中的部分水、液烃等。从计量、生产分离器至管壳式换热器的管道长50 m，且存在10个直角弯，每个直角弯压力降低0.05%，则从计量、生产分离器至管壳式换热器的管道压力降低值为0.05 MPa，压力的降低会使天然气析出水、液烃等。

在管壳式换热器前从天然气析出的水、液烃进入管道，沉积在管道的下方，在一定的输气量下，不随管内天然气流动。

2.2 进入管壳式换热器前管道中水、液烃的组分

天然气从注采井至外输，经过油嘴、J-T阀、外输调节阀等设备，产生不同的压力变化。油嘴之前压力一般高于10 MPa，经油嘴调压后进入站内一般为7 MPa，外输调节阀一般设定为5 MPa，从计量、生产分离器至管壳式换热器管道在J-T阀前，压力在7.1 MPa左右，温度在30~33℃范围内。压力为7 MPa、温度为30℃时，C6及以上的烃类的冷凝率基本为0。在管壳式换热器的温度压力范围内，相当多的C6及其以上烃类的冷凝率较低，故气相中C6及其以上烃类的含量较高 （见图3），因此管壳式换热器前管道中的液体主要是凝析水和C6以下的液烃。

2.3 进入管壳式换热器前管道中水、液烃的数量（采气量400万m3/d）

2.3.1 加入甲醇、乙二醇产生的水、液烃量

在注采井采气过程中，凝液一般含有饱和水、游离水、液烃等；在生产分离器分离过程中分离出饱和水、重组分液烃等；在生产分离器之后，由于加入甲醇、乙二醇，天然气析出了游离水、液烃等。

板中北储气库每100万m3加入甲醇、乙二醇40 L/h，在生产分离器后面，加入甲醇或乙二醇等溶液，粗略估算将凝析出水90 L/h、液烃450 L/h等，这部分水、液烃数量较小。

2.3.2 由于温度的降低，凝析出水、液烃等

从生产分离器至管壳式换热器管道的内容积是6.28 m3，在这段管容内，天然气将停留1 s，由于温度的降低，粗略估算将凝析出水1 000 L/h、液烃5 000 L/h。

2.3.3 由于压力的降低，凝析出水、液烃等

在生产分离器至管壳式换热器这段管容内，由于压力的降低，将凝析出水3 000 L/h、液烃15 000 L/h。

其中从计量、生产分离器中携带出的水、液烃忽略不计。

2.4 进入管壳式换热器前管道中水、液烃的流动

方式 （采气量400万m3/d）

采气量稳定时，水、液烃沉积在管道底部，天然气在管道中上半部沿管道流动，随着水、液烃沉积量的增加，管内压力逐渐升高。

采气量不稳定时，气流推动管道内水、液烃形成波浪流，大量的液烃被冲进管壳式换热器中，这会对设备造成很大的危害。

3 管壳式换热器偏流的解析

3.1 管壳式换热器气相偏流的数量

（采气量400万m3/d）

以2009年1月8日为例 （见表1），管壳式换热器B路入口、出口压力均大于管壳式换热器A路，说明管壳式换热器出现流量的偏移，由于设计露点装置时增大了20%的系数，因此，当采气量为600万m3时，管壳式换热器就出现偏流现象，随着采气量的降低，偏流现象严重；当采气量为400万m3时，管壳式换热器实际通过A路的气量为总量的48%，通过B路的气量为总量的52%；当采气量为300万m3时，关闭一路换热器，换热器的压差随之降低，说明偏流现象消除。

表1 不同时间管壳式换热器A、B路入口、出口压力变化/MPa

在管壳式换热器冷边出现的现象与热边相同，以2009年1月8日为例 （见表2），由于管壳式换热器A、B路出现压力不同，说明偏流现象产生。当采气量为400万m3时，管壳式换热器实际通过A路的气量为总量的47%，通过B路的气量为总量的53%。

表2 不同时间管壳式换热器A、B路入口、出口压力变化/MPa

3.2 管壳式换热器气相偏流造成热量的变化（采气量400万m3/d）

由于管壳式换热器通气量不同，因此管壳式换热器B路所通的热量大于A路的热量，以此类推，管壳式换热器A路通过的冷量大于B路的冷量，当采气量为600万m3时就会出现A、B路出口温度不同的现象 （见表3）。

表3 不同时间管壳式换热器A、B路入口、出口温度变化/℃

随着采气量的降低，这种温度的变化越明显，表明管壳式换热器的热交换量不同，造成了管壳式换热器内部温度的不同，因而从A路分离出的水、液烃多于B路，而此时管壳式换热器内的温度、压力正处于水化物形成的临界点，因此A路形成水化物的时间早于B路。水化物呈霜状，附着在管壁上，阻碍气体的通过，当第一滴水化物在A路换热器形成并附着在热边管壁上时，它将限制A路热边入口的流量，加快了冻堵的速度。这些造成了A路换热器冻堵。

3.3 管壳式换热器气相偏流的原因

天然气在两个管壳式换热器之间偏流，入口天然气在管道中的行进是一种矢量运动，管内气体及水化物在管内流动时含有较大的动量，其方向是沿管路的径向，管壳式换热器热边为90°圆弧过渡，只在B路换热器矢量改变最小，因此在B路换热器热边达到满负荷后，剩余天然气走A路换热器；反之管壳式换热器冷边在A路矢量变化最小，因此在A路换热器冷边达到满负荷后，剩余天然气走B路换热器，这导致A路换热器冷边冷量过多，B路热边热量过多，其结果是管壳式换热器发生偏流。

4 管壳式换热器冻堵的解析

管壳式换热器偏流是冻堵发生的充分条件，当管壳式换热器在热边入口的热量高于冻堵的热量时，冻堵不会发生；当管壳式换热器内形成冰柱时，若偏流不能供给足够的热量，偏流将造成冻堵。

4.1 冰柱冻堵

在管壳式换热器正常工作时，若积储在管壳式换热器前端管道底部的水、液烃积累到一定程度，气体流动受限，管道内压力升高。由于气量的波动，一定量的水、液烃以水柱的形式随天然气流动，在A换热器内，热量少，冷量多，出口温度为负值，因而在A换热器出口出现结冻，而且不断加剧，最终形成冰块或大的冰柱。

4.2 水合物冻堵

管壳式换热器可以看作一个分离器，因为天然气在管壳式换热器中体积增大14倍，停留时间为2 s，温度降低32℃左右，它将分离出水、液烃等；一般情况下管壳式换热器的工作压力是7.0 MPa，管壳式换热器冷边入口温度在 -12℃左右，在这种压力、温度下，天然气极易形成水合物。

4.3 游离水冻堵

管壳式换热器前端的管道在没有气量波动时，天然气会携带部分游离水到管壳式换热器中，由于这部分水在管壳式换热器中温度过低，因而会凝结成冰状物吸附在管壁上，阻碍了气体的流动。

4.4 管壳式换热器A路冻堵而B路不冻堵的原因

由于管壳式换热器A、B路发生偏流，致使A路通过的热量小于B路，A路通过的冷量大于B路。当管壳式换热器的A路列管内第一份水化物或冰形成时，减少了A路的热量，所以管壳式换热器A路冻堵而B路不冻堵。

5 管壳式换热器运行时控制偏流和处理冻堵的方法

5.1 控制偏流的运行方式

随着采气量的减少，管壳式换热器出现偏流现象。当天然气处理量小于450万m3/d时，将B路管壳式换热器热边入口球阀关闭25%~50%；当天然气处理量小于300万m3/d时，将B路管壳式换热器热边入口球阀关闭。

5.2 发现冻堵时采取的措施

（1）启动甲醇泵，向管壳式换热器A路热边入口的注醇口注甲醇，这样可以使管壳式换热器尽快化冻。

（2）关闭B路热边入口阀，关闭A路冷边入口阀。

（3）打开换热器冷旁路控制阀，直接外输部分冷边天然气。

[1]杨世铭.传热学[M].北京：高等教育出版社，1980.

[2]袁恩熙.工程流体力学[M].北京：石油工业出版社，1986.

[3]陈家琅.石油气液两相管流[M].北京：石油工业出版社，1989.

[4]童景山.流体热物理性质的计算[M].北京：清华大学出版社，1981.

Analysis on Phenomena of Bias Flow and Frozen Blockage in Shell and Tube Heat Exchanger of Underground Gas Reservoir

HE Xin（Beijing Oil and Gas Regulation Center,Beijing 100007,China）,LIU Zhen-ze,LI Yi

The shell and tube heat exchanger is one of key equipment to ensure normal operation of underground gas reservoir.It is very important to analyze reasons of bias flow and frozen blockage in a shell and tube heat exchanger running in different gas outputs and find out mitigatory measures.This paper describes those phenomena,analyzes reasons of water and liquified hydrocarbon accumulation in the front tube of the heat exchanger,and discusses methods of controlling bias flow and frozen blockage.

underground gas reservoir;shell and tube heat exchanger;bias flow and frozen blockage;analysis;treatment

TE972.2

B

1001－2206（2011）04－0006－04

何 鑫 （1981-），男，辽宁铁岭人，2003年毕业于西安石油大学自动化专业，现主要从事油气储运方面的工作。

2010-07-30