脱水脱烃装置换热器堵塞治理及效果分析

王万有(中国石油化工股份有限公司华北油气分公司，河南 郑州 450000)

0 引言

2015年中国石油化工股份有限公司华北油气分公司在大牛地气田实施了天然气净化处理工艺，建成了天然气处理规模50×108m3/a的脱水脱烃装置。该装置通过低温分离兼冷油吸收工艺脱离出原料气中的水和重烃组分，以满足外输天然气水露点和烃露点的要求，分离出的凝液通过分馏工艺得到液化石油气和稳定轻烃两种副产品具有较高的商业价值。装置设置了三列板翅式换热器，主要功能是对原料气、塔顶气、塔底液三股流体进行热量交换，单列处理量为500×104m3/d[1]。

1 板翅式换热器运行情况

1.1 板翅式换热器结构原理

板翅式换热器是低温分离工艺的主要热量交换装置，功能是对原料气、塔顶气、塔底液在板翅内进行热量交换。结构主要由外板、隔板、封条以及翅片构成，传热翅片过流通道1.1 mm×6.5 mm，单台换热器原料气过流翅片有82层，塔顶气68层，塔低液16层，冷热通道按1∶1排列。该设备是脱水脱烃工艺的最前端装置，具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占地面积小等特点，但对天然气固体杂质较敏感。板翅式换热器内部结构示意图如图1所示。

图1 板翅式换热器内部结构示意图

1.2 板翅式换热器堵塞情况

大牛地气田脱水脱烃装置自2015年投运以来，板翅式换热器的运行情况经历了稳定运行、频繁堵塞和堵塞加重三个阶段。第一阶段为稳定运行期，2015年11月—2018年3月，换热器运行压差较为平稳，平均压差33 kPa。第二阶段为频繁堵塞期，2018年4月开始板翅换热器频繁出现堵塞现象，压差频繁上涨到400 kPa，现场需进行爆破吹扫等方式维持运行，并在2019年12月，板翅换热器实施了第一次堵塞治理，治理内容包括增设重力分离器等，用于改善进口原料气气质条件，本次治理虽取得一定成效，但堵塞问题未达到根本治理。第三阶段为堵塞加重期，2021年7月开始板翅换热器压差达到500 kPa且持续增长，并且通过爆破吹扫未能有效降低压差。板翅换热器自投产以来，现场采用停产爆破吹扫解堵49次，平均23天一次，严重制约了气田集输系统的平稳高效运行。板翅换热器压差变化曲线如图2所示。

图2 板翅换热器压差变化曲线

1.3 板翅式换热器堵塞造成的影响

板翅式换热器堵塞造成压差上涨对生产主要造成三个方面影响：一是导致气田上游气井外输回压上升，部分气井产能无法释放，影响气田天然气井正常生产和产量任务的完成；二是频繁通过爆破吹扫的方式治理换热器堵塞不仅增加了经济支出影响了经济效益也为安全生产带来较高的风险；三是频繁解堵作业需脱水脱烃装置停车，停车期间影响液化气和稳定轻烃两种副产品的回收量，并且也会造成外输天然气水露点不达标，给气田带来不利的影响。

1.4 堵塞原因分析

通过对板翅式换热器堵塞的固体杂质化验，结果显示FeS、FeCO3成分占比86%，判断原因为气田含硫气井开发后天然气组分中硫化氢和CO2含量升高，管道在输送过程中存在CO2和H2S腐蚀，产生的腐蚀物颗粒较大堵塞了板翅换热器流道。板翅换热器内部杂质成分化验结果如表1所示。

表1 板翅换热器内部杂质成分化验结果

2 堵塞治理措施

2.1 已采取治理措施

针对换热器堵塞现场主要尝试采取了化学和物理的方式进行治理，化学方面在2019年采取两次化学药剂清洗，主要是在板翅式换热器内部加注化学药剂(螯合剂)，与翅片内的附着杂质进行化学反应；物理方面，除了开展日常爆破吹扫外，在2019年12月，实施了第一次堵塞治理，治理内容包括增设重力分离器等，用于改善进口原料气气质条件，本次治理虽取得一定成效，但换热器堵塞问题未达到根本治理。

2.2 本次堵塞治理措施

通过多方调研和对比分析，缠绕管式换热器是在芯筒与外筒之间的空间内将传热管按螺旋线形状交替缠绕而成，相邻两层螺旋状传热管的螺旋方向相反，并采用一定形状的定距件使之保持一定的间距。缠绕管式换热器可分别通过几种不同的介质，而每种介质所通过的传热管均汇集在各自的管板上，构成多通道型缠绕管式换热器。缠绕管式换热器相对于普通的列管式换热器具有适的温度范围广，适应热冲击，能够自身消除热应力，紧凑度高的特点，由于自身具有特殊的构造，使得其流场充分发展，不存在流动死区，通过设置多股管程(壳程单股)，能够在一台设备内满足多股流体的同时换热。相比于板翅式换热器，缠绕管式换热器具有孔道大，通过性好，不容易被机械杂质堵塞的特点，并且原料气(热物流)走壳程，掠过的管束间距为3～5 mm。经过严谨论证后，制定将第一列板翅式换热器更换为缠绕管式换热器方案[2]。

3 堵塞治理效果

2021年8月初完成板翅式换热器堵塞治理改造施工，投产后三列换热器整体运行平稳，分别从换热器压差、天然气处理效果和换热器效率三个方面进行分析堵塞治理效果。

3.1 换热器运行压差

三列换热器运行差压均较改造前有了大幅的下降，第一列缠绕管式换热器压差85 kPa，较改造前板翅式换热器下降422 kPa，第二三列原板翅式换热器压差分别为199 kPa和188 kPa，较改造前下降340 kPa和327 kPa。改造有效解决了第一列换热器杂质堵塞问题，缓解了二、三列换热器运行差压过高、压差上涨速率较快问题，为脱水脱烃单元稳定运行和上游产能释放提供了有利条件。换热器压差变化如图3所示。

图3 换热器压差变化

3.2 天然气处理效果

从天然气制冷温度来看，板翅换热器作为脱水脱烃装置天然气处理初冷设备，其运行效率将直接影响到天然气脱水脱烃效果。改造后，第一列低温分离装置天然气制冷温度达到-17.46 ℃，与停产前相同；二、三列天然气制冷温度分别为-17.3 ℃、-18.95 ℃，分别较停产前上涨0.13 ℃、0.61 ℃，制冷温度达到改造前水平。

从副产品产量来看，改造后液化气日产66 t，与停产前持平，稳定轻烃日产53 t，较停产前提升2 t。改造后天然气重烃组分回收程度达到了改造前运行水平。

从外输天然气水露点来看，改造后水露点降至-12.1 ℃，符合交接要求，达到停产前水平。

3.3 新建换热器换热效率

改造前第一列换热器换热效率80%，改造后换热效率82%，在处理气量增加的前提下换热效率提升，新更换的绕管式换热器换热效果优于堵塞状态下的原板翅式换热器。

4 结语

中国石油化工股份有限公司华北油气分公司在大牛地气田实施了天然气脱水脱烃净化处理工艺后外输天然气水露点大幅下降，达到国标要求，生产的液化气和稳定轻烃两种副产品也取得较好的经济效益，但在运行的过程中暴露出来板翅换热器堵塞的问题，通过对第一列板翅式换热器更换为缠绕管式换热器后压差大幅下降，由507 kPa下降至85 kPa，并且可以持续维持此压差运行。丙烷制冷温度、副产品产量、外输天然气水露点、换热器换热效率等评价指标均达到或者优于治理前水平，治理总体效果良好，有效降低输气管网回压，为气田上游气井产能释放和集输系统平稳安全运行提供保障，达到了预期效果。