油田板式换热器常见问题分析

□ 李 岩

胜利石油管理局有限公司 新能源开发中心 山东东营 257000

1 板式换热器概述

胜利油田具有丰富的采出水余热资源,近年来,采出水余热利用在胜利油田集输站库得到广泛应用。通过板式换热器加热泵机组的工艺,利用板式换热器提取余热水热量进入热泵,通过热泵制取高品位热量,高品位热量再通过板式换热器对集输站库内的来液、外输液等进行加热,以此来代替站内加热炉。油田余热利用项目可以有效减少天然气消耗,实现绿色低碳生产,改进节能减排,具有良好的社会效益和经济效益。

板式换热器在油田采出水余热利用项目中是关键设备,起到至关重要的作用。在实际应用中,板式换热器一次侧为软化水,不会发生堵塞结垢等问题,运行较为平稳。但板式换热器二次侧受油田采出水和油水混合液矿化度高、钙镁离子含量高、含杂质多等影响,存在易结垢、易腐蚀、易堵塞、易泄漏、易气阻等问题,换热效果及运行稳定性受到严重影响。另一方面,由于频繁清洗、拆装,使板式换热器寿命缩短,维修费用增加,工人劳动强度加大,浪费了热源,增加了运行成本。笔者主要对板式换热器在油田集输站库采出水余热利用项目中出现的常见问题进行分析,板式换热器应用原理如图1所示。

图1 板式换热器应用原理

2 换热器选型

换热器在油田采出水余热利用项目中应用,选型需考虑几个关键技术问题。

第一,油田采出水及含水原油中氯离子含量均接近甚至达到1%,对换热器材料耐腐蚀能力的要求极高。

第二,在需求负荷不变的情况下,余热回收产生的高温热水的温度越低,回收的经济性越高,这意味着热源高温水的温度应当与被加热含水原油要求达到的工艺温度相接近,即小温差换热。

第三,含水原油的黏度较高,对换热器的阻力降有较严格的要求,即含水原油侧的阻力降不能大于1.0 MPa,否则会影响正常生产。

第四,所处理的含水原油及含油采出水在温度变化过程中会存在结蜡现象和严重的结垢情况,换热器有堵塞的风险。

第五,被加热的来液成分复杂,包含油、气、水、杂质等,造成换热器使用工况复杂,影响换热器的换热效果与使用寿命。

第六,由于是改造项目,空间有限,因此换热器的尺寸也是重要考虑因素。

目前国内各石油化工行业常用的换热器有管壳式换热器、螺旋板式换热器、板式换热器三种,三种换热器的参数与特点见表1。

表1 换热器参数与特点

油田采出水余热利用项目换热器主要用于含水原油加热,被加热介质所含成分复杂,易结垢,黏度高,应选择不易结垢且结垢后易于清除的换热器。以下对三种换热器进行对比。

管壳式换热器相比螺旋板式换热器,总传热系数低,压损大,体积大,占地面积大,平面布置受限,所以不推荐选用管壳式换热器。

经过对油田现有换热器运行情况调研,螺旋板式换热器被加热介质通道尺寸较宽,压损较小,耐堵性较好,但材料因成本因素一般选用碳钢,抗腐蚀能力较弱,使用寿命在6 a以内,后期维护成本较高。

板式换热器传热系数最高,设备占地小,具备扩容能力。通过采用合理的板片流道设计,可以解决压损较大、易堵塞的问题。因为换热效率较高,可以大大减小换热面积,减小换热端差。此外,采用钛板材料价格适中,抗腐蚀性较强。由此,板式换热器性价比最高。

综合以上对比分析,油田采出水余热利用项目选用板式换热器作为油田采出水侧和含水原油侧的换热设备,具有良好的实用性与经济性。

3 常见问题

3.1 堵塞

板式换热器在油田采出水余热利用项目中较为常见的一个问题是堵塞,发生堵塞的主要原因有四方面。第一,板式换热器的通道间隙仅为3～8 mm,若直径超过4 mm的颗粒杂物经过,就有可能使板式换热器通道发生阻塞。第二,油田采出液中所含杂质较多,如杂草、有机絮状物、棉纱等,杂质颗粒半径均较大,极易造成板式换热器堵塞。第三,油田采出水中含有原油、泥沙、胶质等,当含油量大于200 mg/L时,会出现胶质和油泥挂壁、结蜡等,易造成板式换热器堵塞。由于胶质和油泥不溶于各种表面活性剂,采用药剂加在线常规循环清洗的方式无法达到解堵目的,因此必须进行板式换热器拆解清洗,需要投入大量人力物力。 第四,油田采出液中含有大量钙离子、镁离子,经过板式换热器时会在板片表面结垢,产生碳酸钙、碳酸镁等沉淀物,使通道变窄堵塞。板式换热器堵塞如图2所示。

图2 板式换热器堵塞

3.2 泄漏

板式换热器在油田采出水余热利用项目中存在的泄漏问题主要包括外漏和内漏。通常情况下,外漏产生的原因主要是工作人员在进行夹紧时没有夹到位,板式换热器各个部位尺寸不均匀,实际偏差较大,使夹紧螺钉产生松动,在运行过程中密封垫出现脱离密封槽的情况,加之密封垫没有进行定期清理,在密封垫内部存在杂物,导致密封垫受到损坏或老化,由此板式换热器发生外漏。

在油田采出水余热利用项目中,板式换热器的材料选择钛板,因此一般情况下腐蚀并不是内漏的主要原因。引起内漏的原因主要是板片在经过冷冲压成型之后内部存在残余应力,装配夹紧尺寸较小,残余应力得不到良好的释放;在集输联合站,油田采出液液量经过三相分离器分离处理后具有波动性,并且分离后的液量不仅有油、水,还含有大量气体;通过三相分离器的液量经过板式换热器加热时,气体及液量的波动性使板片振动变形;持续的振动变形与残余应力相互叠加,由此造成板片隐裂,从而发生内漏。板片隐裂如图3所示。

图3 板片隐裂

3.3 气阻

板式换热器在油田采出水余热利用项目中会产生气阻问题,气体主要来自于两部分。一部分是三相分离器分离不彻底仍然存在于油水混合液中的伴生气,另一部分是油气水混合液经过板式换热器加热后从中析出的伴生气。气阻不仅会增大板式换热器的压差,而且会大大降低加热效果。如高青输油站污水余热资源利用项目2019年12月30日投运时,输油站生产系统压力升高,加温效果勉强达到设计温升指标的一半。经测量,板片上部温度普遍高于下部温度。经多方论证分析,最终原因为新建余热利用系统的余热换热器及原油换热器加装在预分水器之后、三相分离器之前,原油来液经过换热器加热,分离出大量伴生气,气体滞留在板式换热器通道内,产生气阻,使系统运行压力升高,换热效果降低。气体滞留区如图4所示。

图4 气体滞留区

4 解决方法

4.1 堵塞

(1) 选择取水点。为解决油田采出水余热利用项目中因胶质和油泥挂壁造成的板式换热器堵塞问题,需要合理选择取水点。一般在保证取水温度的前提下,对经过系统处理后的水进行取水,这样可以大大减少板式换热器堵塞问题。以滨南稠油首站为例,因为未经过处理,采出水中含油及悬浮物较多。经过金刚砂过滤器后,出水水质指标含油量不高于5.3 mg/L,悬浮固体含量不高于4.7 mg/L,硫酸盐还原菌不多于25个/mL,平均腐蚀速率不高于0.055 mm/a,悬浮物颗粒直径中值不大于2.8 μm,均满足注水的标准限值要求,水质较好。

(2) 安装反冲洗过滤器。为了尽可能减少油田采出液中各种杂质进入板式换热器,降低板式换热器清洗频次,可以在板式换热器前端安装过滤器。传统应用于板式换热器管道上的过滤器,主要有Y型、篮式,采用人工清洗的方式,清洗过程中不仅费时费力,而且极易造成内部介质外泄,污染土壤和环境,造成后续杂质处理等问题,以及人工费用支出。对此,安装反冲洗过滤器,能够降低过滤器拆解清洗时造成的介质外泄污染环境风险,同时解决流体中各种杂质堵塞板式换热器通道问题。当进出口出现压差时,反冲洗过滤器实现自动冲洗,降低人工劳动强度。

(3) 拆解清洗。拆解清洗的常规做法为拆开板片后不取下,将其悬挂于导杆上来进行清洗。但是,板式换热器应用于油田采出水余热利用项目时,板片表面沾满油泥及各种杂质,悬挂于导杆上很难达到清洗效果。对此,需要将板片从导杆上取下,使用清洗剂和软毛刷清洗。在冬季,在室外将板片拆下,清洁前需要进行标记,做到轻拿轻放,防止人工损坏板片。此外,禁止使用刚丝绒刷或钢锯来清洁板片,这样可以避免损坏板片表面,不使结垢物残留,不对板片产生腐蚀。

(4) 增加反冲洗流程。为及时保证板式换热器通道畅通,提高换热效果,减小压降,在板式换热器进出口流程增加反冲洗流程。导入反冲洗流程后,板式换热器的进口变为出口,出口变为进口,用液量反走实现清洗的目的。要求运维人员每周进行至少两次反冲洗,每次不短于1 h。以义和联合站余热利用项目为例,每次反冲洗之后,平均原油加热温度提升2 K,压降减小0.01 MPa,有效保证了系统正常运行。反冲洗流程现场如图5所示。

图5 反冲洗流程现场

(5) 进行在线清洗。针对油田采出水余热利用项目板式换热器应用特性,研究板式换热器在线清洗技术。在板式换热器进出口安装管线处,用清洗小车和循环清洗剂对板式换热器通道中的脏物或结垢进行在线清除。在对脏物和结垢进行清除之前,要对板式换热器中的化学物质进行充分了解和分析,在此基础上合理利用相应的物质作为清洗液,对于特殊化学物质,还要进行温度控制。在进行酸洗除垢时,工作人员将配好的清洗液注入板式换热器,浸泡一段时间后进行循环,最后使用清水对残留的酸液进行清除。进行油泥解堵时,在清洗小车上安装变频器,在进出口管道上安装压力表,清洗时根据压力情况及时调整排量,避免因压力过大引起板式换热器泄漏。同时对清洗液的流速进行严格控制,排量太小,会达不到清洗效果,排量太大,则易损伤板片。清洗小车如图6所示。

图6 清洗小车

4.2 泄漏

(1) 外漏。在板式换热器没有受到压力的情况下,相关制造厂家要对夹紧装配进行充分分析,在此基础上对夹紧尺寸进行控制。应用板式换热器时,工作人员需要确保夹紧尺寸的偏差不能超过规定数值,两侧压紧板之间的平行度要始终保持在规定范围内。在外漏现象发生时,需要对发生部位进行标记,再对板式换热器进行解体排查,根据实际情况进行分析。在板式换热器解体过程中,对板片的变形部位进行及时维修和更换。如果没有备用板片,那么应该对变形的板片进行拆除或重新进行组装,这样板式换热器才能正常工作。

(2) 内漏。在板式换热器进行设计制作时,要充分考虑油田采出液采出水联合站生产场景的特殊性,特别是要充分考虑进入板式换热器液量波动及气体引起的板式换热器持续振动影响,充分释放板式换热器内部残余应力,提高板片边缘易断裂处的强度。要建立板式换热器软化水侧水质定期化验跟踪机制,通过软化水指标来判断板式换热器是否存在内漏问题。一旦发现内漏情况发生,必须立即停运板式换热器,对板式换热器进行拆解检查。可以利用透光法或试剂跟踪法对板片的裂纹进行确认,对隐裂的板片进行更换。在对板式换热器进行维修组装时,要严格控制夹紧尺寸,保证达到规定的数值。需要注意,夹紧尺寸并不是在所有情况下都是越小越好。需要对板式换热器不同的应用场景进行分析,及时对进入板式换热器液量的参数和指标进行合理调整。对于由于气体进入板式换热器带来振动而引发内漏的问题,可以在板式换热器来液进出口处增加板式换热器保护装置,主要原理为将气体从保护装置上端排气管道引入来液输出管道,从而减少进入板式换热器的气体。板式换热器保护装置如图7所示。

图7 板式换热器保护装置

4.3 气阻

解决气阻问题的最佳方法为增加引气流程,尽可能减少进入板式换热器的气体。例如,高青输油站污水余热资源利用项目为解决板式换热器气阻问题,增加引气流程,将板式换热器分离出的气体引出,排至加热炉出口。增加引气流程后,彻底解决了板片上部温度普遍高于下部温度的问题,板式换热器进出口汇管的压力下降0.08 MPa,预分水器的运行压力明显下降,由增加引气流程前的0.47 MPa降至增加引气流程后的0.39 MPa,由此保障了系统的正常。增加引气流程如图8所示。

图8 增加引气流程

5 结束语

板式换热器在油田采出水余热利用项目中是关键设备,笔者主要对板式换热器在油田集输站库采出水余热利用项目中出现的堵塞、泄漏、气阻常见问题进行分析,并提出解决方法,以供业内参考。