海上稠油导热油蒸汽发生器加热技术

鲁瑜 何江波

1中海石油（中国）有限公司天津分公司辽东作业公司

2中国石油集团海洋工程有限公司

目前，海洋平台原油加热多采用管壳式及板式换热器，通过高温热介质油换热实现原油加热目的。热介质油通过循环泵输送至废热回收装置，利用透平发电机高温尾气加热至150～180℃左右，然后分配到各管壳式或螺旋板式换热器。通过换热，原油温度提升，热介质油温度下降，通过不断循环实现原油系统的持续加热。在实际应用过程中，受原油黏度、驱油聚合物、热油温度过高等因素的影响，换热器脏堵较严重，脏堵频率较快，每季度需要隔离进行清洗，严重制约原油加热效果，并影响原油脱水效果[1-2]。只能通过频繁的物理清洗手段来维持加热器的使用，浪费了大量的人力、物力。

1 蒸汽发生器原油加热系统

1.1 蒸汽发生器的工作原理

经过水处理装置处理后的合格锅炉用水，经过供给泵输送至蒸汽发生器预热水室，同时燃气透平出来的高温烟气为预热水室和蒸汽水室进行加热，使水变成蒸汽，高温高压蒸汽输送至下游各用户。蒸汽发生器流程结构见图1。

图1 蒸汽发生器流程结构Fig.1 Flow and structure of steam generator

1.2 蒸汽发生器原油加热关键设备

蒸汽要加热原油，需要借助原油掺热装置，该装置包括掺热套管和掺热管，掺热套管套装在掺热管上，在掺热套管上有冷原油进口管和热原油出口管，在掺热套管内的掺热管上有蒸汽喷头。来自蒸汽管线的高温水蒸气经过掺汽筛管直接掺入流经主管的原油。水蒸气经历由高温汽态变为较低温度下液态的相变过程，释放出大量的热量，对原油进行加热和掺水以达到升温和降黏的目的［3-4］。原油掺热装置结构见图2。方便，热效率高，安全经济，几乎免维护，流场均匀，流量弹性大，抗干扰能力强；不仅给原油加热，而且还可以对原油特别是稠油起到降黏作用[5]。同时，稠油在水蒸气作用下，其组成中饱和烃、芳香烃含量增加，胶质沥青质含量减少，黏度下降28%以上，有利于后续原油脱水处理。利用该相变原油掺蒸汽加热装置，可以从根本上解决原油加热过程中设备的结焦、结垢、热效率低、费用高等问题。

图2 原油掺热装置结构Fig.2 Structure of crude oil heat transfer device

1.3 导热油蒸汽发生器原油加热工艺流程

导热油蒸汽发生器装置由热介质油及蒸汽发生器两部分组成。高温热介质油通过热油循环泵或直接由热载体加热炉进入蒸汽发生器的管束内[6]，管内热量以一定流量、温度通过管壁将热量传递给管外锅炉水，将水加热产生蒸汽，导热油被降温，重新回到加热炉，使之循环使用。导热油蒸汽发生器原油加热工艺流程见图3。

图3 导热油蒸汽发生器原油加热工艺流程Fig.3 Crude oil heating process of heat transfer oil steam generator

2 导热油蒸汽发生器应用的可行性

2.1 技术可行性分析

导热油蒸汽发生器是否适合在海上平台应用，需重点考虑锅炉用水、导热油流量、导热油温度、系统配置等方面因素[7]。

（1）锅炉用水。蒸汽发生器进水需符合锅炉用水指标要求，区别于陆地，因海上水源较为有限。依据平台余热循环利用项目经验，水源采用生产污水较难处理至用水要求，蒸发器每小时数立方米的进水需求，使用淡水也无法稳定供应，考虑使用海水淡化或水源井水处理作为水源。但需要经过多级过滤、反渗透膜处理及加药调整的工艺完成水质处理，方可达到用水要求，成橇体积较大，维护成本偏高。如果使用小型蒸汽发生器，可要求厂家精简工艺，压缩成橇。热油蒸汽发生器目前产品供应蒸汽规格可在0.1～10 t/h选择，蒸汽产量为供水量的80%左右。

（2）热油流量。参考海上平台的热油系统配置，均有专门的热油循环泵，可根据需求供应流量，必要情况可增加新泵。

（3）热油温度。从用户需求考虑，蒸汽压力应达到0.6 MPa，可广泛用于换热系统。根据饱和水蒸气压力与温度的对应数据表，蒸汽温度约159℃[8]。根据蒸汽发生器厂家提供的数据，热油与蒸汽温差需要达到80℃以上方可连续稳定地产生蒸汽，热油操作温度应达到250℃左右为宜。

2.2 系统配置

选择设备的出发点是对蒸汽的压力和流量要求，明确蒸汽压力后温度确定，进而确认热油的操作温度，明确蒸汽用量后，可确认水处理装置的处理能力［9］。导热油蒸汽发生器为非标设计，可根据用户提出的压力、流量需求进行设计订制，根据安装空间选择立式或卧式（换热效率不同）。

如上述分析，在海上平台使用热油蒸汽发生器，其系统基本配置如下：

（1）蒸汽发生器，根据蒸汽压力和流量需求设计，压力范围为0.1～1MPa，可提供蒸汽量0.1～10 t/h[10]。

（2）热介质炉，可选取有热介质炉配置的平台优先考虑，核实是否能提供需求流量和温度的热油。也可考虑新增小型配套燃气热介质炉（同步方便热油更换），独立于原热油系统。

（3）水处理装置，是项目比较核心的设备，建议根据水源特质和水量需求寻求专业厂家进行针对性设计核算。

（4）相变掺热装置，即蒸汽用户，根据各平台对蒸汽的使用需求选择对应的设备即可[7]。

3 结束语

传统的管壳式及板式换热器在海上聚驱稠油油田应用中脏堵频繁，换热效果低，影响原油脱水效果，维护费用高。在海洋平台现行的原油加热系统中，蒸汽加热在换热效率、清洗频率、节约成本等方面和传统换热器相比，具有无可比拟的优势，但利用透平烟气安装的蒸汽发生器在空间和结构承载方面普遍存在限制。

在研究原有导热油换热器基础上，设计了一套可应用于海洋平台的导热油蒸汽发生器系统。通过对关键因素的分析，如导热油的温度、流量、锅炉用水的供给、系统配置的需求等，提供了海洋平台换热系统设计的相关数据和方案，为小型化、集约化的导热油蒸汽发生器的设计、制作提供了可靠依据。