地下儲氣庫管殼式換熱器出現偏流凍堵現象解析

何 鑫，劉增哲，李 藝

（北京油氣調控中心，北京 100007）

地下儲氣庫管殼式換熱器出現偏流凍堵現象解析

何 鑫，劉增哲，李 藝

（北京油氣調控中心，北京 100007）

管殼式換熱器是地下儲氣庫正常運行的關鍵設備之一，分析管殼式換熱器在不同采氣輸量情況下出現偏流、凍堵的原因并找出緩解措施，對確保儲氣庫正常運行十分重要。文章結合工程實際，從管殼式換熱器產生偏流凍堵的現象、管殼式換熱器前管道積存水和液烴的原因、管殼式換熱器偏流凍堵的解析、控制偏流及處理凍堵的方法等方面對其進行了論述。

地下儲氣庫；管殼式換熱器；偏流凍堵；解析；處理

0 引言

自1999年起，中石油相繼在天津市大港建設了板中北、板中南等6座地下儲氣庫。這些地下儲氣庫的建設不僅滿足了京津地區的季節調峰用氣，并在一定程度上解決了陜京天然氣管道系統發生事故時的應急安全供氣，使京津地區的供氣狀況得到了改善，供氣安全得到了有力保障，同時也對華北地區城市的大氣環境治理起到了積極作用，具有良好的社會效益和經濟效益。

由于在冬季不同的采氣輸量情況下，管殼式換熱器在實際運行中容易發生偏流、凍堵等現象，在生產運行中掌握管殼式換熱器偏流、凍堵的原因和相關理論數據，對緩解管殼式換熱器凍堵現象的發生、確保生產正常運行是十分重要的。

1 在生產運行中管殼式換熱器發生偏流、凍堵現象

板中北和板中南采輸系統由三套天然氣采輸露點控制裝置組成，裝置A建于2003年，最大采氣量為300萬m3/d；裝置B建于2004年，最大采氣量為600萬m3/d；裝置C建于2005年，最大采氣量為600萬m3/d。三套裝置聯合運行時最大采氣量為 1 500萬 m3/d。

板中北儲氣庫露點裝置有A、B兩個管殼式換熱器 （見圖1），每個換熱器處理量300萬m3/d，天然氣經過生產分離器分離后，通過預冷器旁路，到達管道過濾器，由管道過濾器出口進入埋地管殼換熱器入口匯管，分別出地面沿管殼式換熱器入口的管道垂直方向由下向上進入A、B換熱器熱邊，管殼式換熱器熱邊列管管路中的天然氣與殼層冷氣流換熱，熱邊列管管路中的天然氣在換熱器中降溫，分離出液烴及少量飽和水、游離水、凝析水。在2004年采氣運行中，采氣量低于600萬m3/d時，出現嚴重偏流、凍堵現象；采氣量低于450萬m3/d時，管殼式換熱器壓差達到0.7 MPa，A路換熱器熱邊凍堵。在生產過程中相關數據顯示，當天然氣采氣量小于450萬m3/d時，管殼式換熱器容易發生偏流、凍堵等現象。

2 進入管殼式換熱器前管道中析出水和液烴解析

2.1 進入管殼式換熱器前管道中水、液烴的來源

（1）在生產運行中天然氣經過計量、生產分離器后攜帶的部分水、液烴等。在采氣初期或氣量調節時，因氣量波動大，天然氣從計量分離器、生產分離器中攜帶出部分水、液烴等，這部分水、液烴數量較小，而且只有在氣量波動時才出現。

（2）在計量、生產分離器后加入甲醇、乙二醇，從天然氣中凝析出的部分水、液烴等。為了防止天然氣在J-T閥節流后凍堵，在生產分離器后面，加入甲醇或乙二醇等溶液，這些溶液和天然氣中水、液烴等結合，降低了水、液烴等的凝固點，板中北儲氣庫每100萬m3天然氣加入40 L甲醇，這部分水、液烴數量較小。

（3）計量、生產分離器至管殼式換熱器的管道由于溫度的降低凝析出部分水、液烴等。從計量、生產分離器至管殼式換熱器的管道長50 m，直徑400 mm，這些管道裸露在室外，在大氣量采氣時，管道內天然氣的溫度為30~33℃，而管道外的溫度為-10~-13℃，天然氣在這段管路中行進，溫度一般降低2~3℃。在壓力不變的情況下，隨著溫度的降低，含飽和水的氣體逐步進入兩相區 （見圖2），從而凝析出水、液烴等。

（4）天然氣從計量、生產分離器流至管殼式換熱器時，由于壓力的降低凝析出天然氣中的部分水、液烴等。從計量、生產分離器至管殼式換熱器的管道長50 m，且存在10個直角彎，每個直角彎壓力降低0.05%，則從計量、生產分離器至管殼式換熱器的管道壓力降低值為0.05 MPa，壓力的降低會使天然氣析出水、液烴等。

在管殼式換熱器前從天然氣析出的水、液烴進入管道，沉積在管道的下方，在一定的輸氣量下，不隨管內天然氣流動。

2.2 進入管殼式換熱器前管道中水、液烴的組分

天然氣從注采井至外輸，經過油嘴、J-T閥、外輸調節閥等設備，產生不同的壓力變化。油嘴之前壓力一般高于10 MPa，經油嘴調壓后進入站內一般為7 MPa，外輸調節閥一般設定為5 MPa，從計量、生產分離器至管殼式換熱器管道在J-T閥前，壓力在7.1 MPa左右，溫度在30~33℃范圍內。壓力為7 MPa、溫度為30℃時，C6及以上的烴類的冷凝率基本為0。在管殼式換熱器的溫度壓力范圍內，相當多的C6及其以上烴類的冷凝率較低，故氣相中C6及其以上烴類的含量較高 （見圖3），因此管殼式換熱器前管道中的液體主要是凝析水和C6以下的液烴。

2.3 進入管殼式換熱器前管道中水、液烴的數量（采氣量400萬m3/d）

2.3.1 加入甲醇、乙二醇產生的水、液烴量

在注采井采氣過程中，凝液一般含有飽和水、游離水、液烴等；在生產分離器分離過程中分離出飽和水、重組分液烴等；在生產分離器之后，由于加入甲醇、乙二醇，天然氣析出了游離水、液烴等。

板中北儲氣庫每100萬m3加入甲醇、乙二醇40 L/h，在生產分離器后面，加入甲醇或乙二醇等溶液，粗略估算將凝析出水90 L/h、液烴450 L/h等，這部分水、液烴數量較小。

2.3.2 由于溫度的降低，凝析出水、液烴等

從生產分離器至管殼式換熱器管道的內容積是6.28 m3，在這段管容內，天然氣將停留1 s，由于溫度的降低，粗略估算將凝析出水1 000 L/h、液烴5 000 L/h。

2.3.3 由于壓力的降低，凝析出水、液烴等

在生產分離器至管殼式換熱器這段管容內，由于壓力的降低，將凝析出水3 000 L/h、液烴15 000 L/h。

其中從計量、生產分離器中攜帶出的水、液烴忽略不計。

2.4 進入管殼式換熱器前管道中水、液烴的流動

方式 （采氣量400萬m3/d）

采氣量穩定時，水、液烴沉積在管道底部，天然氣在管道中上半部沿管道流動，隨著水、液烴沉積量的增加，管內壓力逐漸升高。

采氣量不穩定時，氣流推動管道內水、液烴形成波浪流，大量的液烴被沖進管殼式換熱器中，這會對設備造成很大的危害。

3 管殼式換熱器偏流的解析

3.1 管殼式換熱器氣相偏流的數量

（采氣量400萬m3/d）

以2009年1月8日為例 （見表1），管殼式換熱器B路入口、出口壓力均大于管殼式換熱器A路，說明管殼式換熱器出現流量的偏移，由于設計露點裝置時增大了20%的系數，因此，當采氣量為600萬m3時，管殼式換熱器就出現偏流現象，隨著采氣量的降低，偏流現象嚴重；當采氣量為400萬m3時，管殼式換熱器實際通過A路的氣量為總量的48%，通過B路的氣量為總量的52%；當采氣量為300萬m3時，關閉一路換熱器，換熱器的壓差隨之降低，說明偏流現象消除。

表1 不同時間管殼式換熱器A、B路入口、出口壓力變化/MPa

在管殼式換熱器冷邊出現的現象與熱邊相同，以2009年1月8日為例 （見表2），由于管殼式換熱器A、B路出現壓力不同，說明偏流現象產生。當采氣量為400萬m3時，管殼式換熱器實際通過A路的氣量為總量的47%，通過B路的氣量為總量的53%。

表2 不同時間管殼式換熱器A、B路入口、出口壓力變化/MPa

3.2 管殼式換熱器氣相偏流造成熱量的變化（采氣量400萬m3/d）

由于管殼式換熱器通氣量不同，因此管殼式換熱器B路所通的熱量大于A路的熱量，以此類推，管殼式換熱器A路通過的冷量大于B路的冷量，當采氣量為600萬m3時就會出現A、B路出口溫度不同的現象 （見表3）。

表3 不同時間管殼式換熱器A、B路入口、出口溫度變化/℃

隨著采氣量的降低，這種溫度的變化越明顯，表明管殼式換熱器的熱交換量不同，造成了管殼式換熱器內部溫度的不同，因而從A路分離出的水、液烴多于B路，而此時管殼式換熱器內的溫度、壓力正處于水化物形成的臨界點，因此A路形成水化物的時間早于B路。水化物呈霜狀，附著在管壁上，阻礙氣體的通過，當第一滴水化物在A路換熱器形成并附著在熱邊管壁上時，它將限制A路熱邊入口的流量，加快了凍堵的速度。這些造成了A路換熱器凍堵。

3.3 管殼式換熱器氣相偏流的原因

天然氣在兩個管殼式換熱器之間偏流，入口天然氣在管道中的行進是一種矢量運動，管內氣體及水化物在管內流動時含有較大的動量，其方向是沿管路的徑向，管殼式換熱器熱邊為90°圓弧過渡，只在B路換熱器矢量改變最小，因此在B路換熱器熱邊達到滿負荷后，剩余天然氣走A路換熱器；反之管殼式換熱器冷邊在A路矢量變化最小，因此在A路換熱器冷邊達到滿負荷后，剩余天然氣走B路換熱器，這導致A路換熱器冷邊冷量過多，B路熱邊熱量過多，其結果是管殼式換熱器發生偏流。

4 管殼式換熱器凍堵的解析

管殼式換熱器偏流是凍堵發生的充分條件，當管殼式換熱器在熱邊入口的熱量高于凍堵的熱量時，凍堵不會發生；當管殼式換熱器內形成冰柱時，若偏流不能供給足夠的熱量，偏流將造成凍堵。

4.1 冰柱凍堵

在管殼式換熱器正常工作時，若積儲在管殼式換熱器前端管道底部的水、液烴積累到一定程度，氣體流動受限，管道內壓力升高。由于氣量的波動，一定量的水、液烴以水柱的形式隨天然氣流動，在A換熱器內，熱量少，冷量多，出口溫度為負值，因而在A換熱器出口出現結凍，而且不斷加劇，最終形成冰塊或大的冰柱。

4.2 水合物凍堵

管殼式換熱器可以看作一個分離器，因為天然氣在管殼式換熱器中體積增大14倍，停留時間為2 s，溫度降低32℃左右，它將分離出水、液烴等；一般情況下管殼式換熱器的工作壓力是7.0 MPa，管殼式換熱器冷邊入口溫度在 -12℃左右，在這種壓力、溫度下，天然氣極易形成水合物。

4.3 游離水凍堵

管殼式換熱器前端的管道在沒有氣量波動時，天然氣會攜帶部分游離水到管殼式換熱器中，由于這部分水在管殼式換熱器中溫度過低，因而會凝結成冰狀物吸附在管壁上，阻礙了氣體的流動。

4.4 管殼式換熱器A路凍堵而B路不凍堵的原因

由于管殼式換熱器A、B路發生偏流，致使A路通過的熱量小于B路，A路通過的冷量大于B路。當管殼式換熱器的A路列管內第一份水化物或冰形成時，減少了A路的熱量，所以管殼式換熱器A路凍堵而B路不凍堵。

5 管殼式換熱器運行時控制偏流和處理凍堵的方法

5.1 控制偏流的運行方式

隨著采氣量的減少，管殼式換熱器出現偏流現象。當天然氣處理量小于450萬m3/d時，將B路管殼式換熱器熱邊入口球閥關閉25%~50%；當天然氣處理量小于300萬m3/d時，將B路管殼式換熱器熱邊入口球閥關閉。

5.2 發現凍堵時采取的措施

（1）啟動甲醇泵，向管殼式換熱器A路熱邊入口的注醇口注甲醇，這樣可以使管殼式換熱器盡快化凍。

（2）關閉B路熱邊入口閥，關閉A路冷邊入口閥。

（3）打開換熱器冷旁路控制閥，直接外輸部分冷邊天然氣。

[1]楊世銘.傳熱學[M].北京：高等教育出版社，1980.

[2]袁恩熙.工程流體力學[M].北京：石油工業出版社，1986.

[3]陳家瑯.石油氣液兩相管流[M].北京：石油工業出版社，1989.

[4]童景山.流體熱物理性質的計算[M].北京：清華大學出版社，1981.

Analysis on Phenomena of Bias Flow and Frozen Blockage in Shell and Tube Heat Exchanger of Underground Gas Reservoir

HE Xin（Beijing Oil and Gas Regulation Center,Beijing 100007,China）,LIU Zhen-ze,LI Yi

The shell and tube heat exchanger is one of key equipment to ensure normal operation of underground gas reservoir.It is very important to analyze reasons of bias flow and frozen blockage in a shell and tube heat exchanger running in different gas outputs and find out mitigatory measures.This paper describes those phenomena,analyzes reasons of water and liquified hydrocarbon accumulation in the front tube of the heat exchanger,and discusses methods of controlling bias flow and frozen blockage.

underground gas reservoir;shell and tube heat exchanger;bias flow and frozen blockage;analysis;treatment

TE972.2

B

1001－2206（2011）04－0006－04

何 鑫 （1981-），男，遼寧鐵嶺人，2003年畢業于西安石油大學自動化專業，現主要從事油氣儲運方面的工作。

2010-07-30