川中某气田产出水降温技术研究

＊沈武冬包旭任偲李培蓉蒋志余雨桐

（1.中国石油西南油气田分公司川中油气矿 四川 629000 2.中国石油西南油气田分公司 四川 610066）

近年来，换热器在石油化工、电力冶金、船舶工业、机械工业和供暖领域应用十分广泛，其中石油、化工仍是换热器最主要的应用领域，电力冶金、船舶工业次之[1-2]。目前常用的换热器主要有空冷式换热器和水冷式换热器。空冷式换热器以空气作为冷却介质进行热量交换，风机强制空气横掠翅片管外，使管内高温流体冷却的换热设备[3-4]。水冷式是用水作为循环冷却剂，从系统中吸收热量排放至大气中，以降低水温的装置[5-7]。

川中某气田开展排水采气工程后排水量约600m3/d，气田水温100℃。在环境温度40℃的情况下，经空冷式换热器降温后气田水温度降至58℃。该气田所采用的气田水外输管线为常温型柔性复合管，设计温度为55℃。因此，空冷式换热器的冷却效果无法满足气田水温不超55℃的要求。为解决上述问题，在空冷式换热器下游安装了水冷式换热器对气田水进行二次降温，水温可以降低至45℃。在实际生产中，夏季高温时空冷式换热器两台风机同时运行时不足以满足降温的需求，需要同时开启水冷式换热器进行降温；冬季低温情况下空冷式换热器两台风机的降温效果又有冗余。空冷式换热器的一台风机运行时的能耗为35kW/h，而水冷式换热器运行时的能耗为8kW/h，耗水量为0.32m3/h。由于空冷式换热器的风机运行时耗电量巨大，运行成本非常高，而水冷式换热器的运行成本较低。因此针对不同的环境温度对空冷式换热器和水冷式换热器进行合理配置可以有效地降低成本。

本文旨在研究空冷式换热器与水冷式换热器在将气田水降低到目标温度时的能耗差异，优化能耗分配，合理搭配使用空冷式换热器与水冷式换热器，在保证将川中某气田产出水温度控制在安全运行范围的前提下，降本增效。

1.环境温度与空冷式换热器出口温度的关系

为研究环境温度对空冷式换热器出口温度的影响程度，引入相关性系数：

相关性系数是来描述两组数据关联度强弱的关系，相关性系数越接近于1或-1，相关度越强；相关性系数越接近于0，相关度越弱[7]。

选取空冷式换热器运行240h内空冷式换热器出口温度数据与环境温度数据进行对比，得到空冷式换热器出口温度和环境温度随时间变化的关系，如图1所示。从图1中，在同一时刻，空冷式换热器出口温度随环境温度改变而同步变化，当环境温度上升时，空冷装置出口温度随之上升；当环境温度下降时，空冷式换热器出口温度随之下降。

图1 空冷装置出口温度与环境温度随时间变化的关系

通过计算得到空冷式换热器出口温度与环境温度的相关性系数为0.69，为强相关性系数，由此可知，空冷式换热器出口温度主要受环境温度影响，空冷式换热器的出口温度随环境温度波动而波动。

对4月至7月单独使用空冷式换热器后的最高出口温度与最高环境温度进行匹配，绘制出空冷式换热器出口温度与环境温度的散点图，运用多项式拟合空冷式换热器出口温度随环境温度的变化关系，如式（2）所示。

y=0.0001579x4-0.01674x3+0.6451x2-9.7840x+86.7540 （2）

其中，12℃≤x≤38℃。

当历史气温数据在15℃至38℃之间时，用该历史气温数据进行预测的函数在该区间内拟合度较高。经验证，该函数符合实际的统计数据，具有普适性。当空冷式换热器出口的管道温度低于55℃时不必开启水冷式换热器，并且环境温度越低时，空冷式换热器的降温效果越好。由式（2）计算可得，环境温度在35.9℃时，空冷式换热器出口温度为55.02℃，因此当环境温度为35℃时就需要开启水冷式换热器。

2.空冷式换热器与水冷式换热器优化配置研究

为了在夏季高温时弥补空冷机两台风机降温能力的不足，需要运行水冷式换热器，以达到降温的目的。但当冬季环境温度气温过低时，用上述方式降温或者单独启用空冷式换热器两台风机进行降温的效果完全有冗余。为实现降本增效，合理配置现场降温装置，可以采用关闭空冷式换热器一台风机，同时启用水冷式换热器的降温方式。

(1)水冷式换热器出口温度的影响因素

水冷式换热器位于空冷式换热器下游，影响水冷式换热器出口温度的外部因素为空冷式换热器的出口温度和环境温度。

①空冷式换热器出口温度的影响。水冷式换热器和空冷式换热器同时运行时，水冷式换热器出口温度和空冷式换热器出口温度随时间变化的关系，如图2所示。从图2可以看出，水冷式换热器出口温度和空冷式换热器出口温度随时间的变化趋势非常一致，并且在同一时刻水冷式换热器的出口温度几乎都低于空冷式换热器的出口温度。通过计算得到了两者的相关性系数为0.903，为极强相关。由于水冷式换热器在空冷式换热器下游，因此，说明水冷式换热器的出口温度受空冷式换热器出口温度的影响很大。

图2 水冷式换热器出口温度与空冷式换热器出口温度随时间变化的关系

②环境温度的影响。水冷式换热器投产后其出口温度和环境温度随时间变化的关系，如图3所示。从图3可以看出，水冷式换热器出口温度和环境温度随时间的变化趋势比较一致，并且在同一时刻水冷式换热器的出口温度都高于环境温度。通过计算得到了两者的相关性系数为0.64，为强相关，因此可以说明水冷式换热器的出口温度受环境温度的影响较大。

图3 水冷式换热器出口温度和环境温度随时间变化的关系

对比图2和图3可知，空冷式换热器出口温度和环境温度都对水冷式换热器的出口温度有显著的影响，但是空冷式换热器出口温度的影响更大。

(2)设计实验

在明确了水冷装置出口温度变化的主要影响因素是空冷装置出口温度后，进行相应的实验设计。首先探究水冷式换热器降温效率与环境温度的关系。水冷式换热器的降温效率为稳定后的水冷式换热器出口温度与空冷式换热器出口温度的差值与空冷式换热器出口温度的百分比。

取8月3日至8月11日的相关数据进行分析。经过计算，在空冷式换热器平均出口温度为52℃时，水冷式换热器的平均冷却效率为13.11%，此时环境温度的平均值为32.2℃。

计算得到环境温度与降温效率的相关性系数为0.21，为弱相关，并且降温效率还受到其他多种因素的影响，如蒸发量、湿度等，因此不能使用降温效率与环境温度的关系来确定开启空冷式换热器一台风机和水冷式换热器的具体温度。

上述多种影响因素的共同作用可以通过分析空冷式换热器出口温度与环境温度的温差和降温效率的关系来进行研究，如图4所示，通过多项式拟合得到温差与降温效率的关系式：

图4 温差与降温效率的关系

从图4可以看出，当温差在10℃到30℃之间时，平均降温效率在13.11%左右。现场实际数据表明，当空冷式换热器入口温度为102.51℃时，开启空冷式换热器一台风机后，其出口温度为71.1℃；当开启空冷式换热器两台风机后其出口温度降为55℃，因此计算得到空冷式换热器一台风机的降温效率为30.64%，两台风机的降温效率为46.35%。水冷式换热器按照平均降温效率13.11%来进行计算，当其出口温度为55℃时，空冷式换热器两台风机开启后的出口温度应为62.2℃。

根据以往现场的数据，4月至7月的平均环境温度与平均降温效率，如表1所示。

表1 4月至7月平均环境温度与平均降温效率数据表

通过多项式拟合得到平均环境温度与平均降温效率的关系式：

8月1日至8月11日平均温度为34.06℃，可以通过关系式（4）计算得出8月份的平均降温效率为46.2%，结合现场实际情况得到的平均降温效率为46.35%，偏差率为0.3%，证明空冷式换热器平均降温效率与环境温度的函数关系式能很好地拟合实际情况。

由上文可知，空冷式换热器出口温度主要随环境温度变化，当开启空冷式换热器一台风机时，降温效率从46.35%降低到30.64%，空冷式换热器的降温效率降低33.89%，因此为得到空冷式换热器只开启一台风机时其出口温度随环境温度的变化关系，需要对式（2）进行修改，修改后的函数关系式如式（5）。

其中，12℃≤x≤38℃。

通过式（5）可以计算得到空冷式换热器单独开启一台风机的情况下，水冷式换热器出口温度为55℃时的气温为20.3℃，所以在20℃时就应该启用此方案。

3.结论

通过对空冷式换热器和水冷式换热器进行降温效率计算和分析后，得到不同环境温度范围的使用建议如下。

（1）当外界环境温度高于35℃时，开启空冷式换热器的两台风机，同时开启水冷式换热器，此时能耗最高，为78.5kW/h，耗水量为0.32m3/h。（2）在外界环境温度为低于35℃且高于20℃时，开启空冷式换热器的两台风机，不开启水冷式换热器，此时能耗为70kW/h。（3）在外界环境温度低于20℃时，可以关闭空冷式换热器的一台风机，开启水冷式换热器，此时能耗最低，为43.5kW/h，耗水量为0.32m3/h。