油田集輸系統(tǒng)用熱優(yōu)化研究及應(yīng)用

韓方勇韓姝語

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油田集輸系統(tǒng)用熱優(yōu)化研究及應(yīng)用

韓方勇1韓姝語2

（1.中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院；2.中國石油大學(xué)（華東）儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院）

油田開發(fā)中后期，油氣集輸加熱系統(tǒng)面臨著用熱點(diǎn)多、量大、負(fù)荷率及效率雙低等問題。根據(jù)油田開發(fā)實(shí)際，對油氣集輸系統(tǒng)進(jìn)行工藝優(yōu)化調(diào)整、生產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化、老舊加熱設(shè)備更新改造、加強(qiáng)運(yùn)行管理等措施，減少低效加熱爐數(shù)量、提高在用加熱爐效率、降低系統(tǒng)耗熱量，有效提高油田生產(chǎn)用熱效率，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

油田地面工程；油氣集輸；加熱爐；用熱優(yōu)化

為滿足油田油氣集輸、原油脫水及凈化油外輸?shù)男枰?，油田生產(chǎn)中一般需要對油氣介質(zhì)進(jìn)行加熱。初步統(tǒng)計(jì)表明，中國石油各油氣田油氣集輸系統(tǒng)加熱爐年能耗達(dá)到數(shù)百萬噸標(biāo)煤，能耗高。

隨著大部分老油田逐步進(jìn)入高含水、特高含水開發(fā)期，油井產(chǎn)液量增加，將更多的井下熱量帶到地面，為不加熱集油創(chuàng)造了有利的條件。近幾年，在不斷實(shí)施老油田地面工程優(yōu)化簡化的基礎(chǔ)上，各油田針對生產(chǎn)實(shí)際情況，開展以消減、合并、更新和改造低效加熱爐、提高加熱爐效率的應(yīng)用研究［1］，2013—2015年已取得了消減合并1000多臺加熱爐、平均爐效提高5%的效果，對提高油氣集輸系統(tǒng)用熱效率、降低生產(chǎn)能耗起到了良好的效果。

1　油田集輸系統(tǒng)用熱現(xiàn)狀

1.1加熱爐數(shù)量多、地點(diǎn)分散、被加熱介質(zhì)復(fù)雜

統(tǒng)計(jì)表明，截至2013年底，油田在用加熱爐達(dá)2萬多臺，分布在數(shù)百個(gè)油氣生產(chǎn)區(qū)塊的1萬多個(gè)井、站上（圖1）。從加熱爐安裝地點(diǎn)來看，有井場、計(jì)量站、接轉(zhuǎn)站、聯(lián)合站等，安裝地點(diǎn)分散，管理難度大；從加熱介質(zhì)來看，井口爐加熱的是油氣水混合物（部分含少量的砂等雜質(zhì)）、摻水爐加熱的是含油污水或清水，脫水爐加熱的是未處理的油水混合液，外輸爐加熱的是脫水或穩(wěn)定后的凈化原油，被加熱的介質(zhì)復(fù)雜多樣。

圖1　加熱爐安裝站點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

1.2大量加熱爐使用年限長、爐效偏低

油田加熱爐設(shè)計(jì)使用壽命一般為10～15年。統(tǒng)計(jì)表明（圖2），目前油氣集輸系統(tǒng)在用的加熱爐超過15年的達(dá)到了17.9%，大量加熱爐超期服役。限于當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)及制造水平，老舊加熱爐設(shè)計(jì)效率相對較低，且隨著使用年限的延長，傳熱效果變差，實(shí)際爐效低。

圖2　加熱爐使用年限統(tǒng)計(jì)

1.3單臺加熱爐容量小、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，效率低

同煉油、化工等處理廠內(nèi)的大容量加熱爐相比，油田集輸系統(tǒng)的加熱爐一般容量較小。據(jù)統(tǒng)計(jì)，0.4 MW以下的小型加熱爐占總數(shù)的62.7%。大量井場加熱爐容量僅有20～80 kW，站內(nèi)較大容量的脫水加熱爐一般也不超過2.5 MW。這些加熱爐，特別是安裝在野外的井口加熱爐，一般是簡易的管式爐，結(jié)構(gòu)簡單，且以井口濕氣為燃料生產(chǎn)工況波動較大，燃燒及加熱效率低。

1.4加熱爐負(fù)荷率變化大，利用率低

在地面工程設(shè)計(jì)時(shí)，油田站場加熱爐負(fù)荷的設(shè)計(jì)按較高加熱需求選擇，而油田生產(chǎn)高產(chǎn)期一般較短，造成油田加熱爐在大部分時(shí)間內(nèi)在低負(fù)荷狀態(tài)下工作；同時(shí)，地面工程設(shè)計(jì)依據(jù)的油田開發(fā)預(yù)測數(shù)據(jù)由于各種原因，有時(shí)同實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)也有較大的偏差，實(shí)際生產(chǎn)能力達(dá)不到設(shè)計(jì)指標(biāo)，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)加熱爐的負(fù)荷率偏低；另外，由于冬季采暖、季節(jié)性熱能需求差距大的原因，冬夏季加熱爐的負(fù)荷率差距很大。

1.5部分老油田存在著高耗熱的集輸工藝

油田集油方式直接影響著集輸用熱量的多少和用熱水平的高低。目前，油田單井集油方式主要有單管集油、雙管集油、三管集油等方式。通過近幾年老油田地面工程優(yōu)化簡化，單管不加熱集油逐步得到了推廣應(yīng)用，單管不加熱集油和雙管集油井?dāng)?shù)達(dá)到了總井?dāng)?shù)的83%，大大降低了油氣集輸系統(tǒng)生產(chǎn)能耗，但仍有3%的油井采用能耗較高的三管集油工藝，還需要進(jìn)一步優(yōu)化簡化（圖3）。

圖3　股份公司單井集油工藝分布

2　工藝優(yōu)化調(diào)整改造

2.1系統(tǒng)綜合優(yōu)化調(diào)整

對負(fù)荷率較低，集輸能耗高的區(qū)塊，根據(jù)開發(fā)預(yù)測，結(jié)合系統(tǒng)腐蝕老化程度進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整，降低集輸耗氣。2014年，大慶油田針對某油區(qū)塊進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整，通過水驅(qū)、聚驅(qū)處理系統(tǒng)優(yōu)化合并，取消了負(fù)荷率低、老化嚴(yán)重的3座水驅(qū)轉(zhuǎn)油放水站，將負(fù)荷轉(zhuǎn)移至設(shè)備狀況較新的臨近聚驅(qū)轉(zhuǎn)油站，核減了6臺已運(yùn)行20多年的老舊加熱爐。

2.2平臺井集中加熱工藝改造

遼河油田灘海地區(qū)的油田開發(fā)大多采用叢式井平臺，早期采用的是單井加熱爐加熱、計(jì)量間集中計(jì)量的集油工藝；每口井都配套建設(shè)了1臺加熱爐，整個(gè)油區(qū)建設(shè)了大量的單井小容量井口加熱爐，爐效低，管理不便。針對平臺井集中布置的特點(diǎn)，近幾年，開展了調(diào)整改造，將現(xiàn)有流程調(diào)整為平臺輪換計(jì)量、集中加熱的集油工藝，根據(jù)平臺井?dāng)?shù)量多少，每個(gè)平臺僅保留1～2臺，將平臺井采出液集中加熱，不僅消減了大量低負(fù)荷、簡易管式井口爐，提高了加熱爐負(fù)荷率，而且多口平臺井集中外輸，輸量相對穩(wěn)定，避免了單井采出液波動造成了流動困難，改善了外輸管道的水利熱力條件，保障了安全生產(chǎn)。

2.3三管伴熱集油工藝改造

華北油田某油區(qū)還存在早期建設(shè)的三管伴熱集油流程，建設(shè)時(shí)間長，加熱爐老化嚴(yán)重、能耗較高。2015年，以站內(nèi)高溫污水為熱源，結(jié)合井位布局，將三管伴熱集油工藝改造為環(huán)狀摻水集油工藝，更新和取消了部分加熱爐，區(qū)塊加熱爐熱效率由原來的不到60%提高到85%。

3　生產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化

3.1集油系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)

新疆油田某區(qū)塊開發(fā)初期采用的井口、計(jì)量站、接轉(zhuǎn)站三級加熱、三級布站的集油工藝，隨著含水率的升高和集輸管道水力條件的改善，在現(xiàn)場試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，近80%的油井實(shí)現(xiàn)了不加熱集油，停用井口加熱爐500多臺。

3.2二段脫水運(yùn)行參數(shù)

新疆油田某聯(lián)合站采用二段熱化學(xué)脫水工藝，二段脫水設(shè)計(jì)來液含水率為30%。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于總液量偏低，充分利用一段沉降脫水的富余能力，提高一段脫水效果，將一段脫后油中含水降低到5%左右，二段脫水加熱需求降低到原來的62%，直接停用1臺2.5 MW加熱爐。

3.3高含水期預(yù)脫水

大港油田某聯(lián)合站采用一段大罐沉降、二段熱化學(xué)壓力沉降的脫水工藝。由于一段脫水前需要對來液加熱，隨著采出液含水率的升高，大量熱量被污水帶走，用熱效率低。為此，對站內(nèi)脫水工藝進(jìn)行改造，將現(xiàn)有進(jìn)站氣液兩相分離器改造成為三相分離器，對高含水來液進(jìn)行預(yù)脫水，停用了2臺4 MW脫水加熱爐。

3.4根據(jù)負(fù)荷變化調(diào)整加熱爐運(yùn)行臺數(shù)

根據(jù)季節(jié)變化，油田生產(chǎn)用熱需求不同。大慶油田某油區(qū)對摻水溫度進(jìn)行優(yōu)化，冬季摻水溫度為60℃，夏季為45℃，夏季運(yùn)行時(shí)可停用2臺摻水加熱爐中的1臺，減少了燃料氣消耗；某聯(lián)合站外輸管道，夏季溫降較低，經(jīng)核算并運(yùn)行測試，實(shí)現(xiàn)了夏季停運(yùn)外輸加熱爐。

4　加熱爐更新、改造及運(yùn)行

4.1老舊加熱爐更新

對使用年限長、腐蝕老化嚴(yán)重、運(yùn)行效率低、經(jīng)檢測不符合安全運(yùn)行要求的加熱爐，結(jié)合用熱需求變化，進(jìn)行設(shè)備更新。更新均采用高效加熱爐，更新后，加熱爐容量普遍有所降低，加熱爐效率也由原來的65%～75%提高到87%以上。

4.2加熱爐內(nèi)部改造

對運(yùn)行熱效率低、承壓件可正常使用的加熱爐，進(jìn)行更換進(jìn)出液管線、更換封頭、更換盤管、保留爐體更改爐型等的內(nèi)部結(jié)構(gòu)改造，改善換熱效果，提高加熱爐效率。大慶油田某采油廠對站內(nèi)3臺總負(fù)荷為11 MW的加熱爐進(jìn)行內(nèi)部改造，改造后平均效率由75.6%提高到85.2%。

4.3加熱爐自動控制技術(shù)改造

對手動調(diào)節(jié)的加熱爐進(jìn)行自動控制技術(shù)改造，采用高效燃燒器，加熱爐可根據(jù)生產(chǎn)需要自動調(diào)整燃?xì)饬亢涂諝饬?，降低過?？諝庀禂?shù)，減少了手動控制調(diào)節(jié)不及時(shí)導(dǎo)致的無效加熱。實(shí)測結(jié)果表明，改造后一般可提高加熱爐效率4%～5%。

4.4煙氣余熱回收

利用換熱器或熱管吸收煙氣中的余熱，對助燃空氣進(jìn)行預(yù)熱，提高助燃空氣的溫度，減少了燃燒過程中對空氣的加熱，可提高加熱爐效率4%左右。

采用半冷凝式煙氣余熱回收技術(shù)，可將煙排溫度降至90℃以下，不僅能回收煙氣中的顯熱，還能回收部分潛熱，回收的余熱可直接用于預(yù)熱需要加熱的介質(zhì)，可大大提高加熱爐效率；現(xiàn)場測試結(jié)果表明，加熱爐效率可提高9%左右。

4.5涂刷高效換熱涂料

在加熱爐爐管涂刷遠(yuǎn)紅外耐高溫輻射涂料或耐高溫強(qiáng)化吸收涂料，可改善爐內(nèi)熱交換效果，使燃料燃燒更充分，提高加熱爐熱效率，并可減少受熱面灰垢，降低結(jié)焦強(qiáng)度，延長爐體內(nèi)襯使用年限，平均爐效可提高1%～2%。

4.6加強(qiáng)加熱爐運(yùn)行管理

為提高加熱爐運(yùn)行效率，還需要加強(qiáng)加熱爐的運(yùn)行管理。如針對加熱爐換熱面介質(zhì)側(cè)淤積嚴(yán)重，制定合理的清淤周期；定期進(jìn)行加熱爐防腐保溫的檢查，對保溫層損壞嚴(yán)重的加熱爐及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)；定期對爐膛吹掃，減少換熱面結(jié)灰；加強(qiáng)運(yùn)行加熱爐的爐效監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)爐效低的加熱爐，并采取相應(yīng)的措施盡快整改。

5　結(jié)論

充分利用油田高含水開發(fā)期油井采出液含水率升高、輸送條件變好的有利條件，通過集油工藝優(yōu)化調(diào)整、運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化、設(shè)備更新改造及強(qiáng)化運(yùn)行管理，可有效減少低效加熱設(shè)備，降低油氣集輸系統(tǒng)用熱量，進(jìn)一步降低生產(chǎn)運(yùn)行費(fèi)用，提高油田開發(fā)效益。

［1］趙亞菲.集輸系統(tǒng)加熱爐節(jié)能技術(shù)探討［J］.工業(yè)，2015：10（20）：96.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.09.004

2016-04-28

（編輯鞏亞清）

韓方勇，高級工程師，1990年畢業(yè)于石油大學(xué)（華東）（石油儲運(yùn)專業(yè)），從事石油天然氣地面工程的科研、設(shè)計(jì)和規(guī)劃工作，E-mail:：hanfangyong@petrochina.com.cn，地址：北京市海淀區(qū)志新西路3號，100083。