海上稠油導熱油蒸汽發生器加熱技術

魯瑜 何江波

1中海石油（中國）有限公司天津分公司遼東作業公司

2中國石油集團海洋工程有限公司

目前，海洋平臺原油加熱多采用管殼式及板式換熱器，通過高溫熱介質油換熱實現原油加熱目的。熱介質油通過循環泵輸送至廢熱回收裝置，利用透平發電機高溫尾氣加熱至150～180℃左右，然后分配到各管殼式或螺旋板式換熱器。通過換熱，原油溫度提升，熱介質油溫度下降，通過不斷循環實現原油系統的持續加熱。在實際應用過程中，受原油黏度、驅油聚合物、熱油溫度過高等因素的影響，換熱器臟堵較嚴重，臟堵頻率較快，每季度需要隔離進行清洗，嚴重制約原油加熱效果，并影響原油脫水效果[1-2]。只能通過頻繁的物理清洗手段來維持加熱器的使用，浪費了大量的人力、物力。

1 蒸汽發生器原油加熱系統

1.1 蒸汽發生器的工作原理

經過水處理裝置處理后的合格鍋爐用水，經過供給泵輸送至蒸汽發生器預熱水室，同時燃氣透平出來的高溫煙氣為預熱水室和蒸汽水室進行加熱，使水變成蒸汽，高溫高壓蒸汽輸送至下游各用戶。蒸汽發生器流程結構見圖1。

圖1 蒸汽發生器流程結構Fig.1 Flow and structure of steam generator

1.2 蒸汽發生器原油加熱關鍵設備

蒸汽要加熱原油，需要借助原油摻熱裝置，該裝置包括摻熱套管和摻熱管，摻熱套管套裝在摻熱管上，在摻熱套管上有冷原油進口管和熱原油出口管，在摻熱套管內的摻熱管上有蒸汽噴頭。來自蒸汽管線的高溫水蒸氣經過摻汽篩管直接摻入流經主管的原油。水蒸氣經歷由高溫汽態變為較低溫度下液態的相變過程，釋放出大量的熱量，對原油進行加熱和摻水以達到升溫和降黏的目的［3-4］。原油摻熱裝置結構見圖2。方便，熱效率高，安全經濟，幾乎免維護，流場均勻，流量彈性大，抗干擾能力強；不僅給原油加熱，而且還可以對原油特別是稠油起到降黏作用[5]。同時，稠油在水蒸氣作用下，其組成中飽和烴、芳香烴含量增加，膠質瀝青質含量減少，黏度下降28%以上，有利于后續原油脫水處理。利用該相變原油摻蒸汽加熱裝置，可以從根本上解決原油加熱過程中設備的結焦、結垢、熱效率低、費用高等問題。

圖2 原油摻熱裝置結構Fig.2 Structure of crude oil heat transfer device

1.3 導熱油蒸汽發生器原油加熱工藝流程

導熱油蒸汽發生器裝置由熱介質油及蒸汽發生器兩部分組成。高溫熱介質油通過熱油循環泵或直接由熱載體加熱爐進入蒸汽發生器的管束內[6]，管內熱量以一定流量、溫度通過管壁將熱量傳遞給管外鍋爐水，將水加熱產生蒸汽，導熱油被降溫，重新回到加熱爐，使之循環使用。導熱油蒸汽發生器原油加熱工藝流程見圖3。

圖3 導熱油蒸汽發生器原油加熱工藝流程Fig.3 Crude oil heating process of heat transfer oil steam generator

2 導熱油蒸汽發生器應用的可行性

2.1 技術可行性分析

導熱油蒸汽發生器是否適合在海上平臺應用，需重點考慮鍋爐用水、導熱油流量、導熱油溫度、系統配置等方面因素[7]。

（1）鍋爐用水。蒸汽發生器進水需符合鍋爐用水指標要求，區別于陸地，因海上水源較為有限。依據平臺余熱循環利用項目經驗，水源采用生產污水較難處理至用水要求，蒸發器每小時數立方米的進水需求，使用淡水也無法穩定供應，考慮使用海水淡化或水源井水處理作為水源。但需要經過多級過濾、反滲透膜處理及加藥調整的工藝完成水質處理，方可達到用水要求，成橇體積較大，維護成本偏高。如果使用小型蒸汽發生器，可要求廠家精簡工藝，壓縮成橇。熱油蒸汽發生器目前產品供應蒸汽規格可在0.1～10 t/h選擇，蒸汽產量為供水量的80%左右。

（2）熱油流量。參考海上平臺的熱油系統配置，均有專門的熱油循環泵，可根據需求供應流量，必要情況可增加新泵。

（3）熱油溫度。從用戶需求考慮，蒸汽壓力應達到0.6 MPa，可廣泛用于換熱系統。根據飽和水蒸氣壓力與溫度的對應數據表，蒸汽溫度約159℃[8]。根據蒸汽發生器廠家提供的數據，熱油與蒸汽溫差需要達到80℃以上方可連續穩定地產生蒸汽，熱油操作溫度應達到250℃左右為宜。

2.2 系統配置

選擇設備的出發點是對蒸汽的壓力和流量要求，明確蒸汽壓力后溫度確定，進而確認熱油的操作溫度，明確蒸汽用量后，可確認水處理裝置的處理能力［9］。導熱油蒸汽發生器為非標設計，可根據用戶提出的壓力、流量需求進行設計訂制，根據安裝空間選擇立式或臥式（換熱效率不同）。

如上述分析，在海上平臺使用熱油蒸汽發生器，其系統基本配置如下：

（1）蒸汽發生器，根據蒸汽壓力和流量需求設計，壓力范圍為0.1～1MPa，可提供蒸汽量0.1～10 t/h[10]。

（2）熱介質爐，可選取有熱介質爐配置的平臺優先考慮，核實是否能提供需求流量和溫度的熱油。也可考慮新增小型配套燃氣熱介質爐（同步方便熱油更換），獨立于原熱油系統。

（3）水處理裝置，是項目比較核心的設備，建議根據水源特質和水量需求尋求專業廠家進行針對性設計核算。

（4）相變摻熱裝置，即蒸汽用戶，根據各平臺對蒸汽的使用需求選擇對應的設備即可[7]。

3 結束語

傳統的管殼式及板式換熱器在海上聚驅稠油油田應用中臟堵頻繁，換熱效果低，影響原油脫水效果，維護費用高。在海洋平臺現行的原油加熱系統中，蒸汽加熱在換熱效率、清洗頻率、節約成本等方面和傳統換熱器相比，具有無可比擬的優勢，但利用透平煙氣安裝的蒸汽發生器在空間和結構承載方面普遍存在限制。

在研究原有導熱油換熱器基礎上，設計了一套可應用于海洋平臺的導熱油蒸汽發生器系統。通過對關鍵因素的分析，如導熱油的溫度、流量、鍋爐用水的供給、系統配置的需求等，提供了海洋平臺換熱系統設計的相關數據和方案，為小型化、集約化的導熱油蒸汽發生器的設計、制作提供了可靠依據。