适用于注聚稠油油田的FPSO换热器选型研究

张鸿凯翟东唐勇Zhang Hongkai,Zhai Dong,Tang Yong（中海油能源发展采油服务公司天津300457）（CNOOC Energy Technology&Services-Oil Production Services CO.,Tianjin 300457,China）

适用于注聚稠油油田的FPSO换热器选型研究

张鸿凯翟东唐勇
Zhang Hongkai,Zhai Dong,Tang Yong
（中海油能源发展采油服务公司天津300457）
（CNOOC Energy Technology&Services-Oil Production Services CO.,Tianjin 300457,China）

针对注聚稠油油田出现的FPSO换热器脏堵现象，通过对换热器脏堵物的形成机理及换热器选型分析，对比弓形折流板管式换热器、螺旋板换热器、刮面式换热器、管壳式螺旋折流板换热器、连续螺旋折流板式换热器之间的性能特点，确定连续螺旋折流板式换热器的选型优势。通过对10°螺旋角的油-水模拟试验研究，采用综合性能参数，验证其在高粘流体换热方面的流速高、压降低、传热系数大等诸多特点，对比分析单弓及螺旋折流板换热器性能特点及优势。

注聚；稠油；换热器；连续螺旋折流板

1 引言

聚合物驱三次采油技术其机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现的水相渗透率减少，造成了流度比降低，而流度比的降低增大了体积波及系数，减少了波及带的含油饱和度，从而提高水驱效率[1][2]。但含有高聚合物的采出原油也给FPSO原油处理系统的脱水及污水处理带来了极其严重问题，通过对现场初步统计，渤海油田的注聚原油已造成多个油田换热设备堵塞、电脱失灵、生产污水超标等一系列问题，已严重的影响了原油的品质、处理及输送，对上下油生产造成了极大的危害。鉴于此，快速、有效、安全地解决原油处理系统中的换热器脏堵问题，是保证原油生产系统安全运行的当务之急。

本文通过对现场换热器的堵塞情况及选型进行分析，并用试验进行验证，得出适用于注聚稠油油田的FPSO换热器选型结论。

2 换热器堵塞物分析

针对换热器脏堵情况比较严重的中海油渤海某油田，其原油为重质低硫环烷基油，具有密度大，腊含量、硫含量低，盐含量、水含量低，沥青质、胶质含量高等特点。原油本身流动性较差、乳化问题较为严重。

根据对换热器堵塞物的化验分析显示，堵塞物主要是注聚采出液所携带的泥砂等杂质、腐蚀产物以及HPAM与Ca2+、Mg2+等高价离子形成的微晶沉淀等在换热器表面的沉积所致。宏观检查发现，堵塞物外观呈黑色固体状，具有一定的弹性，拉伸后有类似于纤维的网状结构，脏堵物中的油不溶物成分见表1。

表1 堵塞物的油不溶物组成

对其脏堵物形成分析得出，聚合物通过对水的稠化，增加了水的粘度和通过在孔隙介质中的滞留，减小孔隙介质对水的渗透率，加之油品自身粘度较高，其对泥砂混和液中固体杂质具有很强的吸附性，使得采出液中泥砂携带量大，污水粘度高，污水中含油量和油中含水率都较高，且随着注聚浓度的增加含量有增大的趋势。一定浓度的HPAM可能会与Ca2+、Mg2+等高价离子形成沉淀，该沉淀微晶就作为Ca1.11Mg0.89(CO3) 2，Mg3Si2O5(OH)4等晶体的晶核，加速堵塞物的生成。

3 换热器选型分析

目前，FPSO生产系统中的高粘原油换热设备主要采用传统的弓形折流板管壳式换热器和螺旋板换热器两种型式的换热装置，其中弓形折流板管壳式换热器的比例约占95%以上。鉴于国内外换热设备研究及使用状况，针对注聚原油的具体特点，目前，适合于该油品的换热器类型，主要有刮面式换热器、管壳式螺旋折流板换热器、连续螺旋折流板管壳式换热器。

3.1 弓形折流板管式换热器

传统的弓形折流板管壳式换热器以其技术成熟、承压能力高、处理量大、弹性好等诸多特点，在石化行业获得了广泛应用。[3]但换热器会出现壳侧流体流动性差，压力损失大，传热效率低等问题。

3.2 螺旋板换热器

对于具有双螺旋流流道、单螺旋流-轴向流流道、单螺旋流-轴向流+螺旋流流道三种型式螺旋板换热器来讲，容易形成堵塞现象，另外，高粘原油采用螺旋通道，局部阻力较大，流动性也较差。

3.3 刮面式换热器

刮面式换热器是通过将刮片自由固定在旋转轴上，由于旋转的离心力和液体阻力使其与传热面紧密接触，连续地刮掉与传热面接触的流体覆盖膜，露出清洁的传热面，刮掉的部分沿刮片卷向旋转轴附近，而轴附近的液体被吸入到叶片后业已露出的传热面，这种机械地连续地刮掉传热面附近的物质，使传热系数得到明显提高[4]。

3.4 管壳式螺旋折流板换热器

管壳式螺旋折流板换热器是20世纪90年代初期基于弓形折流板换热器的结构，从改变折流板布置方式的角度提出的强化传热技术[5]。该型换热器具有强化传热、壳侧压降小、管束不易结垢及抗振性好等诸多特点。

3.5 连续螺旋折流板管壳式换热器

连续螺旋折流板管壳式换热器是将折流板制造成一个整体螺旋结构，同弓形折流板换热器相比，壳侧介质的流动方式由“Z”字形折返式流动变成连续的螺旋式流动，由原来的主流体横向冲刷换热管变成螺旋式冲刷，这种流动方式增强了流体的湍动，强化了传热。

4 试验验证

为验证连续螺旋折流板管壳式换热器的选型初步结论，模拟实际生产中的换热器管外原油流动状况及换热过程，本文开展了10°螺旋角的连续螺旋折流板的油-水模拟试验研究。油-水试验的油品来自渤海某终端处理厂的注聚原油，该油品的体积含水率小于1%，油品物性数据通过HYSYS切割油品得到。原油粘温数据见表2。

表2 渤海某终端处理厂原油粘度

4.1 验证方法

大量研究结果表明，螺旋折流板换热器在高粘流体换热方面具有流速高、压降低、传热系数大等诸多特点，为准确评价螺旋折流板换热器的性能，更好的指导实际生产的使用，本文分别采用综合性能参数ho/ΔP，即单位压降下的管外对流传热系数，以及管外压降与其传热系数关系，对比分析单弓及螺旋折流板换热器性能特点及优势。

4.2 验证结果

图1 油-水试验管外传热系数与管外流量和压降的关系

图1（a）为10°螺旋角的螺旋折流板换热器和单弓型折流板换热器以油-水为介质时的管外单位压降下的对流换热系数随流量的变化规律。从图中可以看出：（1）两种类型换热器单位压降下的管外流体传热系数随着管外流体流量的增大而减小，螺旋折流板换热器单位压降下的传热系数总体上高于单弓型折流板换热器。其变化规律是：在小流量范围内，两者传热系数相差较大，单位压降下的管外传热系数下降均较快。随着流量的继续增加，两者传热系数变化趋缓，且有逐渐接近的趋势。

（2）在相同的管外流量下，螺旋折流板换热器单位压降下的管外换热系数是单弓型折流板的1.8～2倍。说明螺旋折流板换热器综合性能优良，特别在管外许用压降小、介质粘度高、处理量大的流体换热方面具有显著优势。

（3）相对于单弓型换热器来说，螺旋折流板换热器单位压降下的管外换热系数随流量变化的曲线在小流量范围内更为陡峭。说明螺旋折流板换热器在小流量范围内综合性能更好。

（4）同水-水换热相比，相同条件下，螺旋折流板换热器在油-水介质中的单位压降下的管外换热系数低约80倍。说明油品的粘度及导热性能对换热能力的影响很大。

图1（b）为10°螺旋角的螺旋折流板换热器和单弓型折流板换热器以油-水为介质时的管外单位压降下的对流换热系数随流量的变化规律。从图中可以看出：

（1）两种类型换热器的管外传热系数随着管外流体压降的增大而增大。

（2）从总体上来看，螺旋折流板换热器管外流体的换热系数远小于单弓型换热器。

（3）螺旋折流板换热器管外传热系数随压降的增加较快。单弓型换热器随压降增加的较为平缓。

（4）油-水换热时，相同条件下，单弓型换热器的管外换热系数是螺旋折流板换热器约2倍，压降为3倍。

（5）同水-水换热相比，相同条件下，对于螺旋折流板换热器来讲，在油-水介质中的管外换热系数比水-水换热低近10倍。对于单弓型换热器来讲，在油-水介质中的管外换热系数比水-水换热低近8倍。进一步说明油品的粘度及导热性能对换热能力的影响极大。

结论

同螺旋板换热器结构紧凑，传热强度高，不易污塞。但受制造工艺所限，容量受限，承压能力受限，制造复杂、检修很困难，只能进行化学清洗。连续螺旋折流板换热器具有处理量大，维修方便等特点。所以，采用连续螺旋折流板管壳式换热器能显著改善壳侧流场，有效的消除流动死区，利于高粘原油的顺畅流动，提高其换热效率，特别是其流速高和压降低的特性，能有效缓解垢物形成，延长注聚原油换热器的清洗周期。

[1]李林，何跃辉，李江北.聚合物驱油工艺现状及其发展[J].石油石化节能，1996，10：1-9.

[2]汤明光，裴海华，张贵才，蒋平，刘清华.普通稠油化学驱油技术现状及发展趋势[J].断块油气田，2012，s1：44-48.

[3]董其伍，刘敏珊，苏立建.管壳式换热器研究进展[J].内蒙古石油化工，2006，32(1)：1-4.

[4]徐文达，张超，周颖越.刮板式换热器的研究[J].食品与机械，1994，1：27-29.

[5]王秋旺，螺旋折流板管壳式换热器壳程传热强化研究进展[J].西安交通大学学报，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