乙二醇水溶液在油气集输加热工艺中的应用研究

2013-05-10苏海鹏

石油化工应用 2013年4期

苏海鹏

（华油惠博普科技股份有限公司，北京 100120）

油气预处理加热工艺广泛应用于油气集输系统中，将原油、天然气及采出液加热到工艺要求的温度，以便进行输送、沉降、分离、脱水和加工[1]。油气田常用的工艺热媒主要有水及水蒸汽、有机热载体（以导热油为主）以及醇类水溶液混合物，如乙二醇水溶液等。国外油田如加拿大、哈萨克斯坦、美国北部等地多个油田在20世纪70、80年代就有采用乙二醇水溶液作为热媒的应用实例，传热效果及经济效益均较好，冬季停产再投运尤其不受影响[2]。乙二醇水溶液作为天然气处理过程脱水和化工物料纯化过程中工艺原料，已经被广泛应用[3]。但是在国内油气集输过程中作为工艺热媒还没有获得广泛应用。本文简要介绍了常用工艺热媒的应用特性，对乙二醇水溶液的防冻特性与腐蚀抑制、添加剂对乙二醇水溶液的池沸腾传热强化进行了分析。为乙二醇水溶液在油田的广泛应用，提供有效的技术支持。

1 工艺热媒的应用特性分析

1.1 物理化学稳定性

1.1.1 水及水蒸气水及水蒸气作为最容易获得的工质，具有适宜的热力学性质及不会污染环境。由于水及水蒸气稳定的物理化学性能，至今仍是热力系统中主要工质在工业生产中被广泛的应用[4]。

1.1.2 乙二醇及其水溶液乙二醇又称甘醇，是一种无色无臭、有甜味的液体有机化学物品，最早由法国化学家Charles-Adolphe研制成功[5-6]。乙二醇能与水、丙酮互溶，用作溶剂、防冻剂以及合成涤纶的原料[7]。由于乙二醇能很好地与水进行互溶，因而乙二醇水溶液具有良好的工艺性能[8]。

1.1.3 有机热载体有机热载体是作为传热介质使用的有机物质的统称，根据化学组成可分类为合成型有机热载体和矿物油型有机热载体，有机热载在使用过程中会氧化、变质、结焦[9]。因此，合理选择工艺参数，就成为有机热载体使用过程中的重要因素。表1为水及水蒸气、有机热载体、乙二醇水溶液各自的物理化学性能。

表1 油气田常用工艺热媒的物理化学稳定性对比

1.2 传热及热力学性能

油气田以水为载热介质的加热工艺系统压力通常小于等于0.6 MPa。图1和图2为不同温度饱和水对应的黏度和导热系数曲线。如图所示，随着饱和水压力和温度的升高，饱和水的黏度呈下降趋势，而饱和水的导热系数则保持在0.68 W/（m·K）左右。

图3和图4不同压力下体积比为40%的乙二醇水溶液对应的黏度和导热系数。如图所示，随着饱和水压力和温度的升高，乙二醇水溶液黏度和导热系数随着温度的升高而呈现降低趋势。

图1 饱和水不同压力下的黏度

图2 饱和水不同压力下的导热系数

图3 体积比为40%的乙二醇水溶液的黏度

图4 体积比为40%的乙二醇水溶液的导热系数

分析图1和图2、图3和图4的数据可以发现，相同压力下乙二醇水溶液的黏度在数值上是饱和水黏度的近3倍。而饱和水的导热系数几乎是乙二醇水溶液的1.5倍。

图5和图6为不同温度下T55导热油对应的黏度和导热系数曲线。如图所示，导热油的黏度和导热系数随着温度的升高而呈现降低趋势。

图5 Thermal 55不同温度下的黏度

图6 Thermal 55不同温度下的导热系数

典型的合成导热油使用温度可达-100~400℃，矿物油使用温度可以在-20~300℃[10]。凡是需要均匀、稳定，且不允许火焰直接接触的加热，工艺加热温度在400℃以下的各种生产场合，都可以采用有机热载体作为加热工艺用热媒[9]。工业应用中，有机热作载体系统一般工作压力不高于1.0 MPa，可以获得较高的温度，且与被加热介质有较高的温差，因而具有良好的传热与热力学性能。

1.3 腐蚀性能

严格的来说，纯水及水蒸气对金属没有腐蚀，但是在实际应用中，通常需要考虑，水中溶解物与周围环境共同作用对金属的腐蚀作用。

油气田以水为介质的加热工艺温度通常不高于100℃。高温下，乙二醇和溶解氧作用易生成各种酸性腐蚀性物质，如：乙醇酸、乙醛酸、乙二酸等，金属材料将发生均匀腐蚀、冲刷腐蚀、电偶腐蚀、点蚀、孔蚀等，会加速金属的腐蚀[11-12]。

虽然导热油具有良好的性能，但是针对不同类型的导热油，如果超过其使用温度，或长时间的加热，会导致导热油的老化，在金属管壁上结焦，造成局部温度过高，从而影响设备的安全使用。

通过以上分析可以发现，这三种工艺介质中，水及水蒸气对设备的腐蚀性最小，安全性能也最为优越，乙二醇水溶液对设备腐蚀最强，特别是对金属焊缝的腐蚀值得注意[13]。而有机热载体由于较高的工作温度，其对设备的安全性能影响也最大。

1.4 工艺用热媒的确定

油气田加热工艺因其特殊性，不可能某一种载热介质都能全部满足其工艺需求，实际应用中需要根据不同的工艺、环境、经济性能等多方面因素进行考量。通常工艺热媒的选用需要考虑以下几种情况：

（1）加热工艺要求的使用温度。油气田加热工艺根据不同的要求，需要将传输介质加热到不同的温度，对于温度要求较高的通常在90℃以上的选择有机热载体较多，或者采用直接加热工艺。而温度较低的情况则多选用水或乙二醇水溶液。

（2）载热介质的物理化学稳定性和传热及热力学特性、水力学特性。加热工艺用在热介质要求在使用过程中，具有较小的能量消耗。因此，确定工艺热媒的类型时，选用物理化学性能稳定、传热及热力学和水力学特性能优良的工艺介质。

（3）安全性能。工艺热媒的选择，应考虑对操作人员、设备的安全因素，将对人体、设备的伤害降到最低。

（4）油气田所处的自然环境和经济性能。一般油气田自然环境条件比较恶劣，如水资源缺乏、交通不便、气候条件低等。对于水资源缺乏的情况，采用有机热载体是一种较好的选择；同时对于气候条件较差的地区，选择乙二醇水溶液或有机热载体需要视工艺要求来进行确定，综合考虑工艺热媒的综合经济性能。

2 乙二醇水溶液的防冻特性与腐蚀抑制

2.1 乙二醇溶液的防冻特性

因乙二醇水混合溶液冰点温度比纯水冰点温度较低的原因，乙二醇溶液被作为防冻液而广泛使用。图7为常压条件下不同浓度乙二醇水溶液的冰点曲线。图中横轴为乙二醇水溶液的质量百分比，纵坐标为对应的冰点温度。从图中可以看出，65%以下浓度的乙二醇水溶液的冰点温度降低的幅度相对较大，而浓度大于65%以上，其冰点温度则呈升高趋势，在65%浓度处达到最低冰点。

图7 乙二醇水溶液冰点曲线

2.2 乙二醇溶液的腐蚀抑制

卢敦华[12]等人就乙二醇水溶液中加入复合缓蚀剂对金属腐蚀作用进行了研究。结果显示采用BTA/NaCO3/NaSiO3、C6H5COONa复合缓蚀剂，既能防止化学反应产生机械作用破坏，又能防止电化学腐蚀破坏；且各种成分有协同效应，形成复合保护膜，既有钝化膜又有吸附膜，达到了多层保护目的。刘彦锋[14]等人对由WI-I-8缓释剂、钼酸钠、消泡剂SA、有机硅氧烷稳定剂等组成的混合型乙二醇水溶液腐蚀抑制剂的缓蚀的性能进行了研究，结果显示，腐蚀抑制剂对焊锡、铝、黄铜、紫铜、钢、铁都可以起到优异的腐蚀抑制作用，达到乙二醇型冷却液标准SH 0521-1999的要求[15]。

3 乙二醇水溶液的沸腾传热强化

侯玲[16-17]等人对乙二醇水溶液加入不同类型和浓度添加剂的沸腾传热进行了研究，结果显示，沸腾传热膜系数被大幅度提升，添加剂中的表面活性物质主要通过降低溶液表面张力，降低固液界面的润湿性，增加固液接触面，增加汽化核心数等来强化上述混合物的沸腾传热。据此，在油气田以水为加热工艺热媒的水套炉中加一定比例的入乙二醇和添加剂，对沸腾换热设备的传热强化将会提起到很好的促进作用。