含聚合物原油螺旋板換熱器堵塞原因分析及改進*

劉孝根 吳曉紅 倪利剛 張中清 張宏凱

(1. 合肥通用機械研究院；2.中海油能源發展采油服務分公司)

含聚合物原油螺旋板換熱器堵塞原因分析及改進*

劉孝根**1吳曉紅1倪利剛1張中清1張宏凱2

(1. 合肥通用機械研究院；2.中海油能源發展采油服務分公司)

針對某原油處理廠含聚合物原油的可拆式堵死型螺旋板換熱器在運行中出現嚴重堵塞問題進行了分析。發現堵塞原因較復雜，主要是由于原油在換熱器中流速較低，原油中攜帶的Ca2+、Mg2+等離子形成的微晶以及采出液中攜帶的泥沙等雜質在重力作用下沉淀在換熱器換熱壁面所致。根據分析結果提出了換熱器改進方案，并對改進的換熱器樣機進行了現場試驗，取得了預期的效果。

螺旋板換熱器 聚合物驅油 堵塞 高粘度原油

聚合物驅油是目前化學驅油中發展最快也是很有潛力的一種增產措施，在各種化學驅油方法中，聚合物驅油是唯一一種經過一定規模的工業性實驗而獲得較好效果的方法[1～3]。目前我國已經成為世界上使用聚合物驅技術規模最大、增產效果最好的國家[4]。聚合物驅油在保證我國原油穩定生產中發揮著不可替代的作用。隨著聚合物采油技術的推廣應用，開采面積及產量不斷增加，注聚采出液中聚合物含量也不斷提高。

目前，對注聚采出液的處理存在較大困難。一方面，聚合物的加入使原油粘度增大，油水分離速度減慢，油水沉降分離困難。表現出在常規分離溫度和沉降時間下，油水沉降分離后污水含油量和油中含水率都超標，且隨注聚濃度的增加而增高。另一方面，由于注聚物對泥沙混和液中固體雜質有很強的吸附性，使采出液中泥沙攜帶量增大，換熱器結垢和堵塞嚴重，造成電脫平臺不能正常運行。注聚采出液造成換熱器堵塞、換熱效率下降[5,6]，脫水困難、電脫系統運行不穩定，生產污水嚴重超標，影響原油的處理和輸送，對整個原油生產工藝流程都造成不利影響。

這些問題嚴重影響油田正常生產任務的完成，必須對其提出有效的解決方案。筆者針對綏中某原油處理廠含聚合物原油的換熱設備在運行中出現嚴重堵塞原因進行分析，并提出相應改進方案。

1 原油換熱器運行情況

綏中陸地原油處理廠采用通過性較好的可拆式堵死型螺旋板換熱器。該種螺旋板換熱器的結構特點是螺旋通道兩端面交錯焊死，兩端面的密封采用端蓋加墊片的密封結構，原油和換熱介質在螺旋通道內逆流流動，螺旋通道內可由兩端分別進行清洗。然而，可拆式堵死型螺旋板換熱器存在嚴重的堵塞問題。換熱效率達不到要求，換熱器出口溫度為93℃，遠低于設計溫度120℃。換熱器結垢速度快，清洗耗時。清洗作業組常駐現場對7組換熱器(一組2個)進行循環清洗。清洗時需要拆卸頂端，平均1臺換熱器清洗時間為2天左右。

2 換熱器堵塞問題分析

對電脫平臺加熱器開蓋檢查發現，換熱器內部有大量柱狀固體物堆積，直徑約15mm，長約20～100mm。

2.1堵塞物組成和結構分析

對含聚合物原油進行脫油抽提處理后分析抽余物的組成和結構。經分析，堵塞物由油和不溶物組成，兩者分別占53%和47%。不溶物主要成分是方解石Ca1.11Mg0.89(CO3)2和纖維蛇紋石Mg3Si2O5(OH)4，兩者約占不溶物的86%。定量分析結果見表1。

表1 不溶物的組成和含量 %

2.2換熱器堵塞影響因素

經分析，堵塞物的形成與流體本身的性質、組成(尤其是聚丙烯酰胺(HPAM)含量)、流速、流速與重力場的相對方位、流道的結構、溫度、雜質含量、傳熱元件表面狀況以及系統壓力等諸因素有關[7,8]，其形成是一個復雜的過程。

2.2.1注聚物的影響

采油過程中加入聚合物HPAM使原油粘度增大，原油在換熱器中流速降低。低流速促進了原油中微晶的沉積。同時，原油粘度的提高增加了采油過程中攜帶泥沙等雜質的量，促進了堵塞物的形成。

2.2.2流速

高流速可將結垢減少到最低程度。但高流速要求泵具有較高的抽吸功率，介質具有較低的粘度。經測定，含聚合物原油溫度在40～110℃時對應的粘度為相同溫度下為水的4×106倍[6]。原油較高的粘度決定其在換熱器內流速要比水等常見介質小得多。對螺旋板換熱器而言，螺旋通道中水或相似水溶液的參考速度范圍為0.7～2.5m/s[10], 雷諾數Re>2300，流動一般處于湍流狀態。對于含聚合物原油，在換熱器中流速較低，雷諾數Re<2300，流動均處于層流狀態。

由此可見，因采出液中含有聚合物，使液體粘度增大，流速減小，流動緩慢，流動處于層流狀態，原油中結垢微晶容易沉積，加速了堵塞物(垢)的形成。

2.2.3流速與重力場的相對方位

含聚合物原油在換熱器中流速很低，處于層流狀態。在流通通道截面上，流速在壁面處為零，往中心方向逐漸增大，至中心達到最大值。靠近壁面附近流速很低，流動緩慢。筆者以原油在圓管中層流流動為例分析重力場方位對結垢的影響(圖1)。

圖1 圓柱形流體上的受力

圖1表示流體通過一均勻直管作定態流動。在圓管內，以管軸為中心，任取一半徑為r，長度為l的流動圓柱，對該圓柱體進行受力分析。

兩端面上的壓力：

F1=πr2p1

(1)

F2=πr2p2

(2)

外表面上的剪切力：

(3)

圓柱體的重力：

Fg=πr2lρg

(4)

式中p1、p2——兩端面中心處的壓強，Pa；

τ——圓柱體外表面上所受的剪應力，Pa；

ρ——流體密度，kg/m3。

因流體在均勻直管內作勻速運動，各外力之和必為零，即：

F1-F2+Fgsinα-F=0

(5)

代入整理得：

(6)

即：

(7)

可積分為：

(8)

式中Δp=p1-p2為兩截面的壓力降，因而產

生朝向流體流動方向的推力πr2(p1-p2)=πr2Δp，以平衡粘性阻力和重力。因緊貼在管壁上的運動速度為零：r=rw，u=0。代入式(8)可求得積分常數：

(9)

再代回積分式中，得到：

(10)

當α=-90°，即垂直向上流動時，sinα=-1：

(11)

當α=0°，即水平流動時，sinα=0：

(12)

當α=90°，即垂直向下流動時，sinα=1：

(13)

圖2 圓管內原油層流流動流速分布

流速隨半徑變化的拋物線開口大小對靠近管壁流速產生影響，進而對結垢產生影響。眾所周知，較高的流速可將結垢減少到最低程度，甚至會防止垢的形成。從前文分析可知α=90°時靠近管壁的流速最大。較大流速使得污垢不易在管壁沉積。同時，較大流速對已經形成的污垢也起到沖刷作用。

2.2.4流道結構

合理的換熱器流道結構使流體在流動中均勻、順暢且無死區，有助于防止離子形成的微晶沉積結垢和阻力降的增加。

可拆式堵死型螺旋板換熱器兩側通道均為螺旋通道，冷熱側可實現純逆流換熱。因此，換熱效率較高。但是原油走螺旋通道，流動緩慢，流速方向與重力場方向垂直，靠近管壁流速較低，容易造成微晶在換熱器壁面沉積。

2.2.5溫度

流體溫度是影響結垢程度的關鍵參數。研究表明溫度是影響碳酸鈣、碳酸鎂在水中溶解度的一個重要因素。絕大部分鹽類在水中的溶解度都隨溫度升高而增大，但碳酸鹽、硫酸鹽在溫度升高時溶解度反而下降[12]。原油中含有較多Ca2+、Mg2+及CO32-等離子，溫度升高，溶解度下降，結垢加劇。

3 改進措施

螺旋板換熱器由兩塊長條形的金屬板圍繞軸心卷制而成，形成兩個螺旋式通道。螺旋板換熱器按結構形式可分為不可拆式和可拆式。可拆式螺旋板換熱器又分為兩種：一種結構特點是螺旋通道兩端面交錯焊死，端面的密封采用端蓋加墊片的密封結構，螺旋通道內可由兩端分別進行清洗，稱為可拆式堵死型螺旋板換熱器；另一種螺旋板換熱器結構特點是一個通道兩端焊死，另一個通道兩端全部敞開，敞開端面采用封頭端蓋結構，稱為可拆式貫通型螺旋板換熱器。其一側流體呈螺旋流動，另一側流體穿越螺旋體呈軸向流動。軸流側流道寬且為兩端全部敞開結構，可方便采用機械清洗。

可拆式貫通型螺旋板換熱器流道結構特點使流體在流動時均勻、順暢、無死區[13]，有助于防止離子形成的微晶沉積結垢。與可拆式堵死型螺旋板換熱器相比，原油可采取自上而下流動，流動方向與重力場方向一致，靠近流道壁流速較大，不易發生沉積結垢。

可拆式貫通型螺旋板軸向通道流通面積比螺旋通道一側大，流程較短，傳熱效果沒有全螺旋型效果好。但其直通道流動阻力小，可通過多個換熱器軸流側串聯解決傳熱問題。

為驗證可拆式貫通型螺旋板換熱器對含聚合物原油防堵塞的適應性，設計制作了貫通型螺旋板換熱器樣機，并進行了現場試驗。試驗中含聚合物原油流經換熱器軸向流道，至上而下流動。換熱器運行一個月以來未出現堵塞情況。說明貫通型螺旋板換熱器可有效解決原油側的堵塞問題。

4 結束語

可拆式堵死型螺旋板換熱器出現嚴重堵塞問題是由于含聚合物原油在換熱器中流速較低，原油中攜帶的Ca2+、Mg2+等離子形成的微晶以及注聚采出液中攜帶的泥沙等雜質在重力作用下沉淀在換熱器換熱壁面所致。直管層流定態流動分析結果表明：管內流速u隨半徑r按拋物線關系變化。二次項系數在α區間[-90°,90°]內，隨α增大而增大。隨增大拋物線開口增大，曲線形狀由“尖銳”變“飽滿”，靠近管壁流速增大。α較大時，靠近管壁流速較大，微晶不容易在換熱器壁面沉積。同時，較大流速對已經形成的污垢具有清潔作用。通過樣機的現場試驗說明可拆式貫通型螺旋板換熱器可有效解決含聚合物原油的堵塞問題。

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*合肥通用機械研究院2012年度青年科技基金資助項目(2012011082)。

**劉孝根，男，1982年9月生，工程師。安徽省合肥市，230088。

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