低纬度海上平台天然气冷却系统的研究

陈柱 何杰 雷亚飞

摘 要：本文介绍了低纬度海上平台乐东22-1气田天然气冷却系统的目前现状，通过讨论分析，提出优化海水提升泵设计方案，从而达到降低海水温度、提高天然气冷却效率，保证现场生产稳定的目的。

关键词：低纬度;换热效率;海水提升泵

中图分类号：TE644 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）22-0187-02

乐东22-1气田位于南海西部海域莺歌海盆地，所处海区属低纬度热带气候，气候、海况均受台风和季节影响，最高气温36.1℃，最大风力12级，浪高一般0.2～1m，最大达8m以上。潮汐属不规则日潮，最大潮差3m，海域内水深93.5m，是一座集生产、计量、油气处理和输送、生活、动力为一体的8腿12裙装导管架结构的综合平台。

1 乐东22-1气田冷却系统简介

乐东22-1气田的冷却系统主要用于冷却压缩机压缩后的天然气。冷却系统由四台海水提升泵（离心泵500m3/h）、海水过滤器、后冷却器组成。四台海水提升泵的吸入口安装在海平面-11米左右，提升泵入口安装有防海生物装置，防止海生物进入冷却系统对设备造成磨损。

2 乐东22-1气田冷却系统目前现状

2.1 季节变化导致天然气冷却效率不稳定

气田处于低纬度区域，海水表面温度主要获于太阳辐射热量。由于海洋表层受太阳辐射影响大，而海洋深处受太阳辐射和表层热量的传导影响小。海水温度的垂直分布随深度的增加而递减。暖流流经海水温度较高，寒流流经海水温度较低。

因为海水温度变化导致压缩机出口的天然气的冷却效率影响较大，严重影响天然气的最终脱水效果。

2.2 海生物造成冷却系统设备损坏

乐东22-1气田生产十年以来，多次对海水提升泵提泵检修，发现泵入口海生物主要为牡蛎。根据相关资料查明，我国牡蛎主要分为五种，热带、亚热带、温带和亚寒带都有它们的踪迹，几乎遍及全世界。牡蛎的分布根据海水深度不同而不同，大部分牡蛎都分布在海洋10m深度左右。如表1所示。

多次发现海水后冷却器换热盘管穿孔，盘管内部存在很多牡蛎壳，如图1所示，严重影响气田正常生产计划。

2.3 防海生物装置维护成本高

乐东22-1气田共有4台海水提升泵，每台泵配备的防海生物装置主要由铜、铝电极组成，每台泵配3根铜棒，如图2所示，3根铝棒，铜、铝阳极为消耗件，设计寿命为12个月。每年都要更换新的电极，消耗量较大，每年维护成本高达十万元左右。

2.4 洋流导致海水温度不稳定

乐东22-1气田位于南海西部莺歌海盆地，所处海区属低纬度热带气候，夏季盛行西南风，冬季盛行东北风。南海表面环流在风的作用下，具有季风漂流的特性，西南季风期间，南海为东北流，东北季风期间，则大部分区域为西南流。当暖流流经该海域时，海水温度较高，寒流流经时，海水温度较低。因此泵入口海水温度会随着季节、流向的变化而变化。

3 优化方案及可行性分析

调研发现大多数低纬度区域的生产平台的海水提升泵的泵体吸水口都位于海平面-11米左右。

为了提高天然气换热效率、减少生产维护成本，提高生产稳定性，同时为以后新建平台提供参考，提出：将目前海水提升泵泵外的隔水套管向海底延长，而泵体下潜深度不变，优化方案如图3所示。

3.1 导管架满足施工条件

乐东22-1气田生产平台属于桩基式平台，打到海底。由钢质桩、导管架和平台组成。安装之初，导管架运到安装地点就位后，靠打桩将导管架固定在海底，桩主要承受横向载荷和垂直载荷。导管架的桩腿还可以作为打桩定位和导向作用，也可常用来系靠船舶。导管架由大直径、厚壁的低合金钢管焊接而成。安装在海底93米处，导管架共分为6层，因此新增隔水套管可以固定在导管架上。

3.2 海水提升泵的性能不受影响

根据伯努利方程可知，方案优化前后，泵入口压强满足：

P1+ρg（H-H1）+ρV201=P2+ρg（H-H1）+ρV202

P1：目前，泵吸入口的压强;

P2：优化后，泵吸入口的压强;

H1：目前，泵吸入口距离海平面高度;

H2：优化后，泵吸入口距离海平面高度;

V01：目前，泵吸入口海水流速;

V02：优化后，泵吸入口海水流速;

H：海平面距离海底高度;

因为优化后，泵体下潜深度H1不变：

故P1=P2=ρgH1

所以V01=V02

因此优化后，不影响泵吸入口海水流速和泵的当前设计排量，并可以减少海生物对冷却系统设备的影响和维护费用。

由于泵的隔水套管延长后，所受最大压强P=ρgH2所以，只需满足管线材质承受的压力等级≥P即可。

3.3 節约海水泵的选型成本和耗电费用

以乐东22-1气田为例，当前生产情况下，天然气换热后温度38℃，天然气换热前温度120℃，海水换热前温度28℃，海水换热后温度32℃。

假如海水泵优化后，海水进口温度将常年稳定在26℃，在保证海水出口温度不变及天然气换热后的温度不变的情况下，所需的海水量必然降低，即优化前后海水吸收的热量相同。根据热量计算公式Q=C*m*Δt可知：

优化前海水吸收热量Q1;

Q1=C1ρ1V1ΔT1=C1ρ1V1*（32-28）=4C1ρ1V1（卡/小时）

优化后海水吸收热量Q2;

Q2=C2ρ2V2ΔT2=C2ρ2V2*（32-26）=6C2ρ2V2（卡/小时）

Q1：优化前，海水换热后吸收的热量;

Q2：优化后，海水换热后吸收的热量;

V1：优化前，海水流量;

V2：优化后，海水流量;

优化前后，海水流量比：

=0.667*100%=66.7%

由此可见，优化后泵的排量只需是目前的0.667倍。对于特定的泵其功率与泵的排量呈正相关，即优化后泵的功率只需优化前的66.7%，耗电量将减少33.3%。当前每台泵的功率200KW，平均开机率83%，年运行6960小时，每台泵每年可节约电能384734KWh。节电效果明显，大大降低了泵的运行成本。

4 结语

通过以上分析，增加泵的隔水套管的下入深度是可行的，优化后，海水提升泵的选型范围更大、电能消耗明显降低，大大节约了泵的运行成本，能有效提升提高天然气冷却效果。

参考文献

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