乙二醇水溶液在油氣集輸加熱工藝中的應(yīng)用研究

蘇海鵬

（華油惠博普科技股份有限公司，北京 100120）

油氣預(yù)處理加熱工藝廣泛應(yīng)用于油氣集輸系統(tǒng)中，將原油、天然氣及采出液加熱到工藝要求的溫度，以便進行輸送、沉降、分離、脫水和加工[1]。油氣田常用的工藝熱媒主要有水及水蒸汽、有機熱載體（以導(dǎo)熱油為主）以及醇類水溶液混合物，如乙二醇水溶液等。國外油田如加拿大、哈薩克斯坦、美國北部等地多個油田在20世紀70、80年代就有采用乙二醇水溶液作為熱媒的應(yīng)用實例，傳熱效果及經(jīng)濟效益均較好，冬季停產(chǎn)再投運尤其不受影響[2]。乙二醇水溶液作為天然氣處理過程脫水和化工物料純化過程中工藝原料，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用[3]。但是在國內(nèi)油氣集輸過程中作為工藝熱媒還沒有獲得廣泛應(yīng)用。本文簡要介紹了常用工藝熱媒的應(yīng)用特性，對乙二醇水溶液的防凍特性與腐蝕抑制、添加劑對乙二醇水溶液的池沸騰傳熱強化進行了分析。為乙二醇水溶液在油田的廣泛應(yīng)用，提供有效的技術(shù)支持。

1 工藝熱媒的應(yīng)用特性分析

1.1 物理化學(xué)穩(wěn)定性

1.1.1 水及水蒸氣 水及水蒸氣作為最容易獲得的工質(zhì)，具有適宜的熱力學(xué)性質(zhì)及不會污染環(huán)境。由于水及水蒸氣穩(wěn)定的物理化學(xué)性能，至今仍是熱力系統(tǒng)中主要工質(zhì)在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛的應(yīng)用[4]。

1.1.2 乙二醇及其水溶液 乙二醇又稱甘醇，是一種無色無臭、有甜味的液體有機化學(xué)物品，最早由法國化學(xué)家Charles-Adolphe研制成功[5-6]。乙二醇能與水、丙酮互溶，用作溶劑、防凍劑以及合成滌綸的原料[7]。由于乙二醇能很好地與水進行互溶，因而乙二醇水溶液具有良好的工藝性能[8]。

1.1.3 有機熱載體 有機熱載體是作為傳熱介質(zhì)使用的有機物質(zhì)的統(tǒng)稱，根據(jù)化學(xué)組成可分類為合成型有機熱載體和礦物油型有機熱載體，有機熱載在使用過程中會氧化、變質(zhì)、結(jié)焦[9]。因此，合理選擇工藝參數(shù)，就成為有機熱載體使用過程中的重要因素。表1為水及水蒸氣、有機熱載體、乙二醇水溶液各自的物理化學(xué)性能。

表1 油氣田常用工藝熱媒的物理化學(xué)穩(wěn)定性對比

1.2 傳熱及熱力學(xué)性能

油氣田以水為載熱介質(zhì)的加熱工藝系統(tǒng)壓力通常小于等于0.6 MPa。圖1和圖2為不同溫度飽和水對應(yīng)的黏度和導(dǎo)熱系數(shù)曲線。如圖所示，隨著飽和水壓力和溫度的升高，飽和水的黏度呈下降趨勢，而飽和水的導(dǎo)熱系數(shù)則保持在0.68 W/（m·K）左右。

圖3和圖4不同壓力下體積比為40%的乙二醇水溶液對應(yīng)的黏度和導(dǎo)熱系數(shù)。如圖所示，隨著飽和水壓力和溫度的升高，乙二醇水溶液黏度和導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高而呈現(xiàn)降低趨勢。

圖1 飽和水不同壓力下的黏度

圖2 飽和水不同壓力下的導(dǎo)熱系數(shù)

圖3 體積比為40%的乙二醇水溶液的黏度

圖4 體積比為40%的乙二醇水溶液的導(dǎo)熱系數(shù)

分析圖1和圖2、圖3和圖4的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，相同壓力下乙二醇水溶液的黏度在數(shù)值上是飽和水黏度的近3倍。而飽和水的導(dǎo)熱系數(shù)幾乎是乙二醇水溶液的1.5倍。

圖5和圖6為不同溫度下T55導(dǎo)熱油對應(yīng)的黏度和導(dǎo)熱系數(shù)曲線。如圖所示，導(dǎo)熱油的黏度和導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高而呈現(xiàn)降低趨勢。

圖5 Thermal 55不同溫度下的黏度

圖6 Thermal 55不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)

典型的合成導(dǎo)熱油使用溫度可達-100~400℃，礦物油使用溫度可以在-20~300℃[10]。凡是需要均勻、穩(wěn)定，且不允許火焰直接接觸的加熱，工藝加熱溫度在400℃以下的各種生產(chǎn)場合，都可以采用有機熱載體作為加熱工藝用熱媒[9]。工業(yè)應(yīng)用中，有機熱作載體系統(tǒng)一般工作壓力不高于1.0 MPa，可以獲得較高的溫度，且與被加熱介質(zhì)有較高的溫差，因而具有良好的傳熱與熱力學(xué)性能。

1.3 腐蝕性能

嚴格的來說，純水及水蒸氣對金屬沒有腐蝕，但是在實際應(yīng)用中，通常需要考慮，水中溶解物與周圍環(huán)境共同作用對金屬的腐蝕作用。

油氣田以水為介質(zhì)的加熱工藝溫度通常不高于100℃。高溫下，乙二醇和溶解氧作用易生成各種酸性腐蝕性物質(zhì)，如：乙醇酸、乙醛酸、乙二酸等，金屬材料將發(fā)生均勻腐蝕、沖刷腐蝕、電偶腐蝕、點蝕、孔蝕等，會加速金屬的腐蝕[11-12]。

雖然導(dǎo)熱油具有良好的性能，但是針對不同類型的導(dǎo)熱油，如果超過其使用溫度，或長時間的加熱，會導(dǎo)致導(dǎo)熱油的老化，在金屬管壁上結(jié)焦，造成局部溫度過高，從而影響設(shè)備的安全使用。

通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，這三種工藝介質(zhì)中，水及水蒸氣對設(shè)備的腐蝕性最小，安全性能也最為優(yōu)越，乙二醇水溶液對設(shè)備腐蝕最強，特別是對金屬焊縫的腐蝕值得注意[13]。而有機熱載體由于較高的工作溫度，其對設(shè)備的安全性能影響也最大。

1.4 工藝用熱媒的確定

油氣田加熱工藝因其特殊性，不可能某一種載熱介質(zhì)都能全部滿足其工藝需求，實際應(yīng)用中需要根據(jù)不同的工藝、環(huán)境、經(jīng)濟性能等多方面因素進行考量。通常工藝熱媒的選用需要考慮以下幾種情況：

（1）加熱工藝要求的使用溫度。油氣田加熱工藝根據(jù)不同的要求，需要將傳輸介質(zhì)加熱到不同的溫度，對于溫度要求較高的通常在90℃以上的選擇有機熱載體較多，或者采用直接加熱工藝。而溫度較低的情況則多選用水或乙二醇水溶液。

（2）載熱介質(zhì)的物理化學(xué)穩(wěn)定性和傳熱及熱力學(xué)特性、水力學(xué)特性。加熱工藝用在熱介質(zhì)要求在使用過程中，具有較小的能量消耗。因此，確定工藝熱媒的類型時，選用物理化學(xué)性能穩(wěn)定、傳熱及熱力學(xué)和水力學(xué)特性能優(yōu)良的工藝介質(zhì)。

（3）安全性能。工藝熱媒的選擇，應(yīng)考慮對操作人員、設(shè)備的安全因素，將對人體、設(shè)備的傷害降到最低。

（4）油氣田所處的自然環(huán)境和經(jīng)濟性能。一般油氣田自然環(huán)境條件比較惡劣，如水資源缺乏、交通不便、氣候條件低等。對于水資源缺乏的情況，采用有機熱載體是一種較好的選擇；同時對于氣候條件較差的地區(qū)，選擇乙二醇水溶液或有機熱載體需要視工藝要求來進行確定，綜合考慮工藝熱媒的綜合經(jīng)濟性能。

2 乙二醇水溶液的防凍特性與腐蝕抑制

2.1 乙二醇溶液的防凍特性

因乙二醇水混合溶液冰點溫度比純水冰點溫度較低的原因，乙二醇溶液被作為防凍液而廣泛使用。圖7為常壓條件下不同濃度乙二醇水溶液的冰點曲線。圖中橫軸為乙二醇水溶液的質(zhì)量百分比，縱坐標為對應(yīng)的冰點溫度。從圖中可以看出，65%以下濃度的乙二醇水溶液的冰點溫度降低的幅度相對較大，而濃度大于65%以上，其冰點溫度則呈升高趨勢，在65%濃度處達到最低冰點。

圖7 乙二醇水溶液冰點曲線

2.2 乙二醇溶液的腐蝕抑制

盧敦華[12]等人就乙二醇水溶液中加入復(fù)合緩蝕劑對金屬腐蝕作用進行了研究。結(jié)果顯示采用BTA/NaCO3/NaSiO3、C6H5COONa復(fù)合緩蝕劑，既能防止化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生機械作用破壞，又能防止電化學(xué)腐蝕破壞；且各種成分有協(xié)同效應(yīng)，形成復(fù)合保護膜，既有鈍化膜又有吸附膜，達到了多層保護目的。劉彥鋒[14]等人對由WI-I-8緩釋劑、鉬酸鈉、消泡劑SA、有機硅氧烷穩(wěn)定劑等組成的混合型乙二醇水溶液腐蝕抑制劑的緩蝕的性能進行了研究，結(jié)果顯示，腐蝕抑制劑對焊錫、鋁、黃銅、紫銅、鋼、鐵都可以起到優(yōu)異的腐蝕抑制作用，達到乙二醇型冷卻液標準SH 0521-1999的要求[15]。

3 乙二醇水溶液的沸騰傳熱強化

侯玲[16-17]等人對乙二醇水溶液加入不同類型和濃度添加劑的沸騰傳熱進行了研究，結(jié)果顯示，沸騰傳熱膜系數(shù)被大幅度提升，添加劑中的表面活性物質(zhì)主要通過降低溶液表面張力，降低固液界面的潤濕性，增加固液接觸面，增加汽化核心數(shù)等來強化上述混合物的沸騰傳熱。據(jù)此，在油氣田以水為加熱工藝熱媒的水套爐中加一定比例的入乙二醇和添加劑，對沸騰換熱設(shè)備的傳熱強化將會提起到很好的促進作用。

4 結(jié)語

通過上述對油氣田工藝用熱媒的分析，我們發(fā)現(xiàn)，與水和水蒸氣相比，乙二醇水溶液在熱力學(xué)和水力學(xué)性能上有一定的劣勢。但是這些不足可以通過系統(tǒng)其它參數(shù)給予彌補，特別是乙二醇水溶液的低溫和防凍特性，是其他介質(zhì)無法比擬的。得出以下結(jié)論。

（1）乙二醇水溶液良好的化學(xué)穩(wěn)定性、傳熱及熱力學(xué)特性，尤其是良好的防凍和低溫特性，使乙二醇水溶液作為熱媒的加熱設(shè)備具有更大的地域范圍和溫度范圍，比傳統(tǒng)的以水及蒸汽為熱媒的設(shè)備應(yīng)用更為廣泛。

（2）乙二醇水溶液在高溫下的腐蝕，通過在溶液中添加腐蝕抑制劑，解決了由此帶來的設(shè)備腐蝕問題和低溫條件下設(shè)備使用的技術(shù)隱患。

（3）添加劑對沸騰換熱的傳熱強化，對提高設(shè)備的熱效率及技術(shù)升級都有著很好的促進作用。但是針對不同的添加劑配置技術(shù)要求會更高，否則反而會弱化沸騰傳熱的效果。

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