海上平臺生產水入艙溫度偏高問題的分析及處理

張笑龍，張俊杰

(中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司 天津300452)

0 引 言

某試采平臺是集試采、修井、油氣處理、原油儲存于一體的移動式試采平臺，可滿足渤海灣75%的不同油田工況作業。自平臺投產以來，先后歷經多個油田試采作業任務。隨著歷次作業環境的不同，逐漸發現生產水下艙溫度偏高問題。

該平臺采出原油經高效分離器進行油、氣、水三相分離后，生產水經生產水冷卻器冷卻后入艙儲存。但是在運營過程中發現，生產水冷卻器入口溫度在94 ℃附近微弱起伏，生產水冷卻器出口溫度(即為生產水入艙溫度)偏高，峰值時生產水基本未得到冷卻，偶發性偏高達到引起三級關斷的設定值，影響正常生產，而且下艙溫度偏高直接影響船體結構強度和漆面的防腐效果，同時導致污油水艙高速透氣閥頻繁起跳，使用年限大幅度減少，不能滿足正常的生產作業要求。因此，平臺生產操作人員針對此問題，展開了分析研究并采取了多項舉措。

1 現狀調查

1.1 生產水冷卻器工作原理

該平臺生產水冷卻器是管殼式換熱器的一種，是油氣處理過程中產生的含油污水入艙儲存前進行冷卻降溫的換熱設備，冷卻介質為海水。它是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器。這種換熱器結構簡單、造價低、流通截面較寬、易于清洗水垢；可用各種結構材料(主要是金屬材料)制造，能在高溫、高壓下使用，是目前應用最廣的類型。其工作運行示意圖見圖1。

圖1 生產水冷卻器工作示意圖Fig.1 Operation diagram of production water cooler

1.2 現場使用情況

2018 年4 月平臺在渤海某油田試采作業期間，生產水冷卻器入口溫度在94 ℃附近微弱起伏，生產水冷卻器出口溫度(即為生產水入艙溫度)偏高，長期在60 ℃以上運行，且波動頻繁，進出口溫差在23 ℃左右，生產水出口溫度峰值達到94 ℃，而設計給定的操作溫度為60 ℃，峰值時生產水基本未得到冷卻，偶發性偏高達到引起三級關斷的設定值，不滿足正常的作業要求，調取中控PCS 趨勢見圖2。

圖2 生產水進出口溫度趨勢圖Fig.2 Trend chart of inlet and outlet temperature of produced water

2 問題分析及處理措施

2.1 換熱器選型與換熱量

根據本平臺油、氣、水設計處理量及工藝參數，生產水冷卻器設計功率900 kW，按照給定進出口溫降，可滿足生產水日處理量為500 m3，而實際生產過程所需生產水日處理量在100 m3左右，選型滿足工藝需求，排除此項因素。

2.2 介質溫度變化

分析認為，生產水冷卻器入口溫度的變化可能也會造成生產水入艙溫度的變化。但是通過流程控制，快速降低高效分離器溫度(即生產水冷卻器入口溫度)，經觀察生產水入艙溫度無明顯變化，見圖3。因此，認為這套工藝流程能夠克服溫度變化而帶來的影響，可以繼續排除此項因素影響。

圖3 進出口溫度對比圖Fig.3 Comparison of inlet and outlet temperature

2.3 來液量變化

分析認為，當來液量改變時，可能也會造成生產水入艙溫度的變化。但是通過手動控制，改變流量控制閥門的開度，生產水入艙溫度仍然沒有較明顯的變化，見圖4。因此，來液量的變化可以被系統克服，繼續排除此項因素影響。

圖4 流量控制閥與入艙溫度對比Fig.4 Flow control valve vs. tank temperature

2.4 換熱器內部結垢

分析認為，換熱器結垢，將會對換熱器的換熱效果產生很大的影響，造成換熱系數降低，換熱效率大大降低，導致生產水得不到有效冷卻。針對該原因，本平臺對生產水冷卻器進行拆解，計劃清洗內部殘留物。拆除封頭后發現，換熱器內部較為清潔，并沒有殘留物、結垢現象，見圖5。因此，也可排除結垢因素的影響。

圖5 生產水冷卻器內部圖Fig.5 Inside of production water cooler

2.5 冷卻海水的影響

分析認為，冷卻海水管路堵塞也是引起生產水入艙溫度高的原因。生產水冷卻器海水管路堵塞會使流經生產水冷卻器循環水量減少，造成生產水冷卻器冷卻水路出水與進水溫差大、壓差大，出水溫度高。但在實際運行中，生產水冷卻器海水進出口壓差為0.03 MPa 左右，廠家提供管程阻力為0.04 MPa，從運行狀況分析來看，水路堵塞的可能性不大。在對生產水冷卻器拆解檢查中對各管路進行檢查，也沒有發現堵塞現象。

冷卻海水本身特性的變化，也會是生產水入艙溫度高的原因。現場調查分析，在海水系統中，冷卻水由3 臺海水提升泵和一臺應急海水提升泵提供，排量分別為204、400 m3/h，在試采作業中，4 臺海水提升泵完全滿足平臺冷卻用水，且系統運行期間，冷卻海水的溫度、壓力平穩，無明顯變化，如圖6 所示，因此排除此項因素的影響。

圖6 冷卻海水溫度、壓力曲線Fig.6 Temperature and pressure curve of cooling seawater

2.6 設備本身缺陷

生產水冷卻器殼程介質為生產水，上進下出，出口未設限流裝置，這一設計缺陷無法保證滿罐運行，且上游高效分離器操作壓力為50 kPa，下游污油水艙壓力為10 kPa 左右，高效分離器與生產水冷卻器落差5 m，在壓力、重力雙重作用下，由高效分離器底部排出的生產水很快流經生產水冷卻器下艙，停留時間過短，且生產水冷卻器殼程未被完全充注，未充分發揮生產水冷卻器的冷卻功能，甚至出口管線都未完全充滿，給溫度測量帶來很大誤差，導致入艙溫度波動頻繁?，F場人員對殼程頂部排氣時，持續有氣體逸出，且未見連續液體。初步判斷生產水冷卻器不滿罐操作是導致換熱效果差、使生產水入艙溫度偏高的癥結所在。

圖7 生產水冷卻器出口改造前后圖Fig.7 Schematic diagram of production water cooler outlet before and after transformation

針對發現問題制定對策，根據現場調研，決定對流程進行優化改造。找出最優的改造方案為對生產水冷卻器出口進行流程改造，拆除出口 3 in(76.20 mm)管線短節，加裝3 in(76.20 mm)倒U 型彎，確保生產水冷卻器滿罐操作，見圖7。

3 效果評價

在增加生產水冷卻器出口管線倒U 型彎之后，通過投產實際數據采集與對比，發現生產水冷卻器進出口介質溫差由之前的23 ℃提高到33 ℃，且溫度變化波動較小，出口溫度穩定維持在60 ℃左右(圖8)，保障了設備的良好運行，改善了現場污油水艙高速透氣閥頻繁起跳的問題，由之前每天7 次降低至每天1 次，延長了設備使用壽命且滿足正常生產需求。

圖8 改造后生產水冷卻器進出口溫度曲線Fig.8 Temperature curve of inlet and outlet of production water cooler after transformation

4 結 語

通過以上分析我們得出，設備缺陷導致生產水冷卻器不滿罐操作是影響該試采平臺生產水入艙溫度偏高的主要原因。由于在實際生產中，影響生產水入艙溫度的因素有很多種，在實際生產運營管理中，我們需要逐一去排除掉非要因，層層剝離，才能最終找出問題的癥結所在，并采取相應措施去解決。通過本文也能得出，工藝流程不一定都是完美無缺的，要通過不斷的摸索挖潛，優化改造，才能確保設備的安全、穩定、高效運行。