板翅式换热器工艺在大牛地气田的试验研究

何云 （长江大学石油工程学院，湖北 武汉430100；中石化华北分公司第一采气厂，河南 郑州450006）

吴伟然，徐嘉 （中石化华北分公司第一采气厂，河南 郑州450006）

大牛地气田采用节流降压低温分离脱水工艺，随着生产气井压力不断降低，造成水露点控制难度逐步增大。为保证外输天然气气质，前期开展了板翅式换热器工艺试验，该换热器具有结构紧凑、轻巧及传热效率高等特点［1］，在大牛地气田得到推广应用。为了提高换热器换热效率，近期开展了换热器制度优化试验工作，主要是选择多组工况不同的集气站，通过调节二级节流压差及换热器进口温度，找出在不同工况集气站条件下提高换热器换热效率的方法。

1 换热器优化试验站场基本情况及试验目的和对象

1.1 试验站基本生产情况

试验站基本生产情况如表1所示。

表1 4个试验集气站气井生产基本情况表

1.2 试验目的

1）选择相同换热面积、外输流量不同的2个集气站，分别调整热气进口温度和二级节流前后的压差进行相同制度的试验，同时监测露点变化，分析流量对外输天然气露点的影响规律。板翅式换热器的传热与流动阻力性能主要决定于翅片的表面特性，因此翅片的表面特性数据是准确设计板翅式换热器的基础［2］。

2）选择不同换热面积、外输流量相同（相近）的2个集气站，分别调整热气进口温度和二级节流前后的压差进行相同制度的试验，同时监测露点变化，分析换热面积对外输天然气露点的影响规律。

3）通过每天2次不同的时间段对露点监测，验证环境温度对外输天然气露点影响的规律。

4）分析同一个集气站相同换热面积、相同热气进口温度等条件不同二级节流压差时对换热器露点温度的影响。

1.3 试验对象

综合考虑影响换热器运行效果的各种因素及试验条件要求，选取4个站进行试验，其具体情况如表2所示。

表2 试验站换热器运行相关数据统计表

1）选取的2组试验站外输流量相近换热面积不同，通过在相同的换热压差下，总结换热面积对露点的影响。

2）为了横向对比，摸索集气站日均产气量、产液量与换热器运行效果的关系，选取的4个集气站，分别为17.1×104m3、16.4×104m3、9.3×104m3和9.7×104m3。

3）各站每天环境温度有所变化，分析当温度为变量时的露点影响。

4）不同二级节流压力差对天然气露点试验的影响分析。

2 试验结果

2.1 换热面积、外输流量对天然气露点影响分析

试验期间控制热气进口温度在10～15℃，研究相同换热面积、不同流量时，对换热器换热效率及外输露点的影响规律。

1）相同换热面积不同外输流量对换热效率的影响。相同换热面积不同外输流量对换热效率的影响如表3所示，从表3可以看出，4号站与10号站换热面积相同，4号站外输流量比10号站高3000m3，在相同二级节流压差条件下，4号站换热效率比10号站平均高2.19%。14号站与24号站具有相同的换热面积，但14号站外输流量比24号站低约3000m3，在相同二级节流压差条件下，14号站换热效率比24号站平均低1.95%。

表3 相同换热面积不同外输流量对换热效率影响表

在以上条件下可以得出，2组试验站（4号站与10号站，14号站与24号站）换热效率提高在2%左右，说明外输流量对换热效率影响不大。

2）相同换热面积不同外输流量对露点的影响。从表4可以看出，24号站与14号站具有相同的换热面积，但24号站外输流量较14号站大，在相同二级节流压差条件下，24号站外输露点较14号站低。4号站与10号站具有相同的规律。

可以得出随着外输流量的增大，外输露点在降低。但因其对换热效率影响较小，从而对外输露点影响不大。

3）相同外输流量不同换热面积对换热效率的影响。试验在4种二级节流压差制度下，分别对外输流量为7000m3／h左右的4号站和24号站，以及外输流量为4000m3／h左右的10号站和14号站的试验数据做出分析，得出其换热面积对换热效率的影响规律。

表4 相同换热面积不同外输流量工况露点数据表

表5 相同外输流量不同换热面积下换热效果数据

从表5可以看出，在相同二级节流压差情况下，4号站和24号站具有相同外输流量，平均换热效率4号站比24号站高7.46%。10号站和14号站也具有相同的分析规律，10号站换热效率比14号站换热效率高7.22%。

综上可以得出：①在二节压差一致，外输流量相同时，随着换热面积增大，换热效率增加。②在以上条件下，2组试验站（4号站与24号站，10号站与14号站）换热效率提高7.34%左右，故得出换热面积对换热效率影响较大。

4）相同外输流量不同换热面积对露点的影响。对2组试验站在相同换热制度（二节压差阶段范围相同），相同外输流量，不同换热面积情况下，分析换热面积对外输露点影响规律。

根据表5数据分析，10号站和14号站具有相同外输流量（4000m3／h），10号站换热面积910m2较14号站520m2大，外输露点10号站比14号站高2.22℃。4号站和24号站也具有相同的规律，4号站外输露点比24号站外输露点低2.26℃。

2组试验站在相同换热制度（二节压差阶段范围相同）、相同外输流量，不同换热面积试验情况下，随着换热面积增大，换热效率增大明显，从而有效降低外输露点。

2.2 环境温度对露点的影响

试验选择的4号站、10号站、14号站、24号站生产情况基本稳定，进站压力稳定，产量调整不频繁且流量相对较稳定，该试验期间的露点监测基本在同一时间，根据各站换热器运行期间的环境温度变化，分析环境温度对换热效率及外输天然气露点的影响规律。

1）环境温度对换热效率及露点的影响。4号站环境温度10.5℃时换热效率83.24%，外输天然气露点为21.32℃；而环境温度升至23.1℃时，换热效率降为80.62%，外输天然气露点升至23.23℃；其他试验站也具有相同规律。从而得出，在相同换热制度下（相同二节压差），换热面积和外输流量都相同时，环境温度越低，换热效率越高，外输天然气露点越低。

2）环境温度对换热效率量化研究分析。各试验站在二级节流压差分别为0.2～0.3MPa、0.3～0.4MPa和0.4～0.5MPa的制度下，将环境温度变化与换热效率变化关系折算成：环境温度每升高10℃时，换热效率也降低6%到16%不等，环境温度对换热效率影响较大。

3）二级节流压差对天然气露点影响分析。14号站随着二级节流压差的增大，换热效率从75.48%升高到88.38%；其他试验站具有相同规律。得出同一试验站具有相同换热面积、外输流量时，二级节流压差越大换热效率越高，工况露点就越低。

可以得出二级节流压差越大，温降越明显，冷进口温度越低，换热器换热效率就越好，露点越低。

3 存在的问题

由试验可以得出，4个集气站外输天然气露点均不符合国家标准（外输天然气露点温度低于环境温度5℃），外输天然气露点温度与环境温度差值的算术平均值为6.7℃。影响因素如下：随着换热器使用年限的增加，使得换热性能降低；集气站进站压力普遍降低，一级节流降温、二级节流降压能力下降。

4 结论

1）在二级节流压差一致，换热面积相同，外输流量不同的情况下，当外输流量大时，换热效率较高，而外输露点较低；但由于外输流量对换热效率影响不大，从而对外输露点影响同样不大。

2）2站在相同换热制度（二节压差阶段范围相同）、相同外输流量，不同换热面积试验情况下，随着换热面积增大，换热效率增大明显，有效降低外输露点。

3）在相同换热制度下（相同二节压差），换热面积和外输流量都相同时，环境温度越低，换热效率越高，外输天然气露点越低。环境温度对换热效率影响较大；通过对换热效率的改变，从而影响带了外输露点温度。

4）同一试验站具有相同换热面积且外输流量相同时，二级节流压差越大换热效率越高，而工况露点就越低。

［1］ 甘建德，柴苍修 .板翅式换热器的传热特性研究 ［J］.机械工程与自动化，2008（2）：56－61.

［2］ 凌翔，涂善东，陆卫权 .板翅式换热器的研究与应用进展 ［J］.石油机械，2000，28（5）：54－58.