海洋石油平台闭式循环冷却水系统工艺设计

张 斌，陈文峰，曾树兵，潘大新，刁兆斌

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

1 前言

海洋石油平台开采出的天然气或者伴生气通常需要经压缩机增压后作为燃料使用或者外输至中心平台或陆上终端进一步处理，天然气在经压缩机增压后，天然气温度会大幅升高，需要再利用冷却器进行冷却，冷却器包括管壳式换热器或印刷电路板式换热器，冷却介质包括海水或淡水。管壳式换热器传热面积较大、传热效果较好、适应性较强、操作弹性较大[1]；印刷电路板式换热器是一种细微通道紧凑型板式换热器，具有耐高温、耐高压、高紧促度、体积小等优点。海洋石油平台使用面积比较紧张，对平台尺寸和重量限制要求十分严苛，尤其是对于高压气田，天然气压缩机组占地面积较大，为了节省空间，天然气压缩机出口冷却器类型建议选用印刷电路板式换热器，而印刷电路板式换热器对水质要求较高，海水的水质指标不能满足此要求，而需要使用更为洁净的淡水作为各用水单元换热器的冷却介质，因此设置循环冷却水系统对于海洋石油平台优化设计意义重大。

2 工艺系统介绍

循环冷却水系统分为闭式系统和敞开式系统。闭式循环冷却水系统相较于敞开式循环冷却水系统，闭式冷却水是在密闭的回路中循环实现热交换，避免了与大气直接接触，且不会溶解氧，水质波动相对较小，使得换热器不易腐蚀，传热效率较高，因此闭式循环冷却水系统换热效果优于敞开式循环冷却水系统。因而海洋石油平台优先选用闭式循环冷却水系统，闭式循环冷却水系统主要由冷却水—海水换热器、冷却水膨胀罐、滤器、冷却水循环泵、管道及其他相关设施组成。

海洋石油平台闭式循环冷却水系统以海水作为冷却介质，通过冷却水—海水换热器将循环淡水进行冷却，然后将冷却的循环淡水供给各用水单元换热器将工艺介质(天然气或凝析油)冷却；循环淡水经各用水单元换热器换热后，循环淡水温度会升高，再返回冷却水—海水换热器与冷海水换热后再次被冷却，然后由冷却水循环泵增压后继续供应给各用水单元换热器使用，进入下一个循环，是一种循环使用的给水系统。循环冷却水系统的最高位置处设有冷却水膨胀罐，用于排出管路中的气体和容纳因温度变化而导致的循环淡水体积变化，并且通过冷却水膨胀罐还可实现向循环冷却水系统补充淡水。此外，为了避免闭式循环冷却水系统各设备设施结垢，还应定期注入适量防垢剂。

3 闭式循环冷却水系统应用实例

文章以某海洋石油平台气田为例，分析闭式循环冷却水系统设计原则和注意事项。

3.1 海水利用

在海洋石油平台的闭式循环冷却水系统中，海水有两个作用，一方面海水作为冷却介质，海水温度在夏季最高可达23 ℃，海水经海水滤器过滤处理后进入冷却水—海水换热器，与循环淡水进行热交换，海水吸收热量后其温度由23 ℃升高至38 ℃进入排海管汇。循环淡水在与各用水单元换热器内凝析油或天然气进行换热后，循环淡水升高到45 ℃返回冷却水—海水换热器，与海水进行换热降温到25 ℃，作为循环冷却给水进入下一个循环流程。

另一方面，海水作为取之不尽用之不竭的天然资源，可用作循环冷却水的补水水源，海水经海水滤器过滤处理后进入海水淡化装置制取淡水作为循环冷却水使用，循环冷却水的水质指标可参考GB/T 50050-2017《工业循环冷却水处理设计规范》。

3.2 各用水单元换热器负荷

此海洋石油平台的各用水单元换热器主要包括凝析油冷却器、天然气压缩机入口冷却器、天然气压缩机出口冷却器，其中各换热器负荷通过HYSYS模拟软件计算，为了求得各用水单元换热器的最大总负荷，选取了5个典型工况进行分析统计，分别为压缩机初始投运年、压缩机设计工况、全平台最大气量年、全平台最大油量年、全平台最大水量年，最终求得各用水单元换热器总负荷最大值为20 700 kW。

3.3 冷却水循环泵

冷却水循环泵通常选用离心泵，循环泵排量根据冷却水循环量确定，并需设置一台备用泵。

冷却水循环量计算公式如下：

Qt=Wt×3 600/(ρ×Cm×ΔT)

式中：Qt——冷却水循环量，m3/h；ρ——冷却水密度，kg/m3；Wt——各用水单元换热器总负荷；Cm——冷却水质量热容，kJ/kg·K；ΔT——冷却水回水与给水温差，K。

各用水单元换热器总负荷为20 700 kW，将ρ取值993.95 kg/m3，Cm取值4.17 kJ/(kg·K)，△T取值20 K，经计算可得冷却水循环量Qt=900 m3/h，因此单台循环泵排量可确定为900 m3/h。

冷却水循环泵扬程H考虑冷却水—海水换热器阻力损失、各用水单元换热器阻力损失，以及管路阻力损失，合计约为35 m。

3.4 冷却水膨胀罐

冷却水膨胀罐用于吸纳循环淡水在被各用水单元换热器加热后的体积膨胀量，当管网内循环淡水遇冷收缩时，膨胀罐还可向系统补充淡水；冷却水膨胀罐还起到稳定循环冷却水回路内压力的作用。

海洋石油平台通常会设置造氮机，制造的氮气可作为冷却水膨胀罐的密封气源，一方面能有效防止空气进入闭式循环冷却水系统，另一方面能够维持膨胀罐压力。膨胀罐内设置压力变送器，压力变送器与氮气进气管线控制阀和膨胀罐出口排气管线控制阀设置联锁信号。当膨胀罐内压力降至氮气进气管线控制阀的设定值时，此进气控制阀打开补充氮气；当膨胀罐内压力升高至排气管线控制阀的设定值时，此出气控制阀打开，将气体排放至安全地点；另外，膨胀罐还设有PSV安全泄放阀，以满足膨胀罐超压泄放需求。如果平台无造氮机系统，也可采用氮气瓶实现密封、维压功能。

膨胀罐一般选型为卧式罐，在确定膨胀罐尺寸时，要求罐内低液位至高液位之间体积不小于膨胀罐净容积。冷却水膨胀罐的净容积计算公式如下：

Vnet=(β+1)×(θ+1)×(ρL/ρH-1)×V0

式中：Vnet——膨胀罐净容积，m3/h；β——膨胀罐气水容积比，0.75～1.0；θ——安全余量，15%；ρL——平台最低环境温度下水的密度，kg/m3；ρH——平台最高环境温度下水的密度，kg/m3；V0——循环冷却水系统内淡水总容积，m3。

闭式循环冷却水系统内淡水总容积包括工艺设备内水容积、冷却水泵、各用户单元换热器、冷却水管道容积[2]。经估算，V0=240 m3。此外，将β取值1.0，ρH取值971.8 kg/m3，ρL取值998.2 kg/m3，经计算可得Vnet=15 m3。

4 结论

海洋石油平台闭式循环冷却水系统在整体上可以优化海洋石油平台空间，并且可以充分利用丰富的海水资源，一方面通过海水淡化装置获取循环淡水，另一方面利用海水作为闭式循环冷却水系统的冷却介质。文章介绍了闭式循环冷却水系统工艺流程，同时结合海洋石油平台生产实例，给出了闭式循环冷却水系统设计原则和能力计算方法，对后续设计人员更好地设计海洋石油平台闭式循环冷却水系统具有一定的指导意义。