原油加熱節(jié)能技術(shù)在安塞油田的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

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(1.中國(guó)石油 長(zhǎng)慶油田公司 第一采油廠， 陜西 延安 716000；2.中國(guó)石化寧波工程公司， 浙江 寧波 315103； 3.西安科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院， 陜西 西安 710054)

1 安塞油田原油物性

安塞油田原油生產(chǎn)主要層位為侏羅系延安組延9油層以及三疊系延長(zhǎng)組的長(zhǎng)2、長(zhǎng)3、長(zhǎng)6等油層。安塞油田不同油層原油的密度、凝固點(diǎn)、黏度等物性參數(shù)見表1。

表1 安塞油田原油部分物性

在油田開發(fā)之前，原油處于高溫、高壓狀態(tài)，蠟完全溶解在原油中。對(duì)油田進(jìn)行開采時(shí)，原油從儲(chǔ)油層流入井底，再?gòu)木籽鼐才e升到井口，隨著溫度和壓力下降以及輕質(zhì)組分的不斷逸出，石蠟溶解在原油中的平衡條件被破壞，原油融蠟?zāi)芰档?，致使石蠟析出。石蠟一部分隨油流進(jìn)入采油流程，一部分集聚凝結(jié)并粘附于生產(chǎn)設(shè)施的金屬表面[1]。影響原油結(jié)蠟主要因素有原油中的石蠟含量、瀝青質(zhì)和膠質(zhì)含量、原油溫度、溶解氣及其壓力、原油中輕質(zhì)餾分含量、液流速度、含水率、泥沙和機(jī)械雜質(zhì)量、生產(chǎn)設(shè)施(油管及儲(chǔ)罐等)內(nèi)表面粗糙程度以及表面性質(zhì)等[2]。

原油結(jié)蠟問題在安塞油田原油生產(chǎn)全過程普遍存在，在原油開采及集輸過程中，不可預(yù)見的結(jié)蠟問題一直影響著原油生產(chǎn)的平穩(wěn)運(yùn)行。加熱是油氣集輸過程中最基本的預(yù)防結(jié)蠟工藝技術(shù)，加熱石油、天然氣所需的熱能來(lái)源于不同的熱源和方法[3]。安塞油田先后采用傳統(tǒng)水套加熱爐、高效節(jié)能石油防爆電磁加熱器及太陽(yáng)能輔助原油加熱裝置等井口加熱裝置對(duì)原油進(jìn)行加熱，文中對(duì)其現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

2 井口加熱裝置介紹

2.1 水套加熱爐

水套加熱爐是以水作為傳熱介質(zhì)的間接加熱設(shè)備，主要由水套、火筒、沸騰管和走油盤管4部分部件組成，具有品種多、配置多樣、結(jié)構(gòu)緊湊、功能齊全以及適用范圍廣等特點(diǎn)。燃料在火筒中燃燒過程產(chǎn)生的熱能以輻射、對(duì)流等形式傳遞給水套中的水，使水的溫度升高并部分汽化，水及其蒸汽再將熱量傳遞給油盤管中的原油，使油獲得熱量，溫度隨之升高[4]。

水套加熱爐加熱介質(zhì)一般分為燃料煤和燃料氣，加熱過程屬于明火加熱，存在安全隱患。多數(shù)井場(chǎng)無(wú)伴生氣或伴生氣不穩(wěn)定，因此采用燃料煤加熱，人工操作，存在熱量不連續(xù)、不穩(wěn)定，爐體散熱快，熱能損失大，會(huì)污染環(huán)境等缺點(diǎn)，使用較少[5]。

2.2 石油防爆電磁加熱器

石油防爆電磁加熱器(圖1)是一種利用電磁感應(yīng)原理將電能轉(zhuǎn)換為熱能的裝置，其主體為棒式往復(fù)式管狀結(jié)構(gòu)，由鐵磁性熱載棒體和鋼套管與高強(qiáng)度法蘭組合焊接加工制成[6]。

圖1 石油防爆電磁加熱器

石油防爆電磁加熱器熱載體由高溫?zé)犭娎|纏繞在鐵磁性鋼管棒芯上，套入護(hù)套鋼管內(nèi)形成磁場(chǎng)閉合回路。由于鐵磁性鋼管的自身特性，電流通過高溫電纜回路作用于電磁熱載棒體上，使鐵磁性鋼管迅速產(chǎn)生強(qiáng)烈的磁滯渦流及磁阻熱效應(yīng)，而熱載體釋放的雜散磁場(chǎng)經(jīng)外套鋼管屏蔽吸收并產(chǎn)生圓環(huán)內(nèi)集膚效應(yīng)熱，用來(lái)直接加熱原油[7]。石油防爆電磁加熱器表面發(fā)熱均勻，無(wú)明火，且具有高效節(jié)能、安全防爆、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

2.3 太陽(yáng)能輔助原油加熱裝置

太陽(yáng)能輔助原油加熱裝置由真空管太陽(yáng)能集熱器和空氣源熱泵加熱機(jī)組2部分組成。

2.3.1真空管太陽(yáng)能集熱器

真空管太陽(yáng)能集熱器是一種通過吸收太陽(yáng)能提升工質(zhì)溫度的裝置，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，可通過聯(lián)集管內(nèi)的傳熱工質(zhì)或先通過熱管與傳熱工質(zhì)進(jìn)行熱交換將熱能傳輸至儲(chǔ)熱箱。在真空管玻璃壁與吸熱體之間抽成一定的真空度，以抑制空氣的對(duì)流和傳導(dǎo)熱損。真空管太陽(yáng)能集熱器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、可靠性強(qiáng)、集熱效率高、保溫效果好且使用壽命長(zhǎng)，既可在中高溫環(huán)境下使用，也可在寒冷地區(qū)冬季運(yùn)行[8]。

2.3.2空氣源熱泵加熱機(jī)組

空氣源熱泵加熱機(jī)組循環(huán)過程見圖2。電能輸入壓縮機(jī)后，壓縮機(jī)做功，不斷將低壓端的低溫、低壓冷媒氣體吸入，加壓變成高溫、高壓冷媒氣體。高溫、高壓的冷媒氣體在冷凝器中釋放熱量變成中溫、高壓的液體，此時(shí)冷凝器中低于冷媒溫度的水不斷循環(huán)，吸收高溫冷媒氣體放出的熱量，從而達(dá)到制熱水的目的[9]。經(jīng)過與低溫水熱交換，冷媒溫度降低，逐漸由氣態(tài)變成液態(tài)。中溫、高壓的冷媒液體經(jīng)過膨脹閥(節(jié)流閥)流入低壓端，迅速降低冷媒的壓力，變?yōu)榈蜏亍⒌蛪旱囊后w。低溫、低壓液體在蒸發(fā)器中吸熱蒸發(fā)后變?yōu)榈蜏?、低壓的氣體，室外的空氣經(jīng)過蒸發(fā)器表面被冷卻而降溫。低溫、低壓氣體再被壓縮機(jī)吸入，如此循環(huán)往復(fù)[10]。

圖2 空氣源熱泵加熱機(jī)組循環(huán)過程

2.3.3太陽(yáng)能+空氣源熱泵加熱系統(tǒng)

(1)工作原理 將太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)與空氣源熱泵加熱系統(tǒng)通過串并聯(lián)配置方式使用，即將太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)作為主級(jí)加熱設(shè)備，將熱泵加熱機(jī)組作為次級(jí)加熱設(shè)備(圖3)。結(jié)合太陽(yáng)能加熱的特點(diǎn)，將冷水定時(shí)、定量補(bǔ)充到系統(tǒng)水箱內(nèi)，并經(jīng)過所配置的太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)加熱。在陰雨天或者日照較弱的季節(jié)，通過系統(tǒng)水箱溫度控制器控制熱泵運(yùn)行，循環(huán)水泵將系統(tǒng)水箱內(nèi)的水通過熱泵循環(huán)加熱，在達(dá)到使用溫度之后，熱泵停止運(yùn)行。在日照良好的季節(jié)，太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)可使水箱內(nèi)儲(chǔ)存水的溫度達(dá)到使用溫度，因此無(wú)需開啟熱泵機(jī)組加熱，從而達(dá)到充分利用太陽(yáng)能，降低熱泵機(jī)組輔助加熱能耗的目的[11]。

圖3 太陽(yáng)能+空氣源熱泵加熱系統(tǒng)

(2)性能特點(diǎn) ①高效節(jié)能。機(jī)組輸出能量與輸入電能之比，即能效比COP全年平均超過3.5，最高可達(dá)6.0，節(jié)能效果顯著，投資回收期短。②四季皆宜。此加熱系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能系統(tǒng)提供熱水，在夜晚、陰雨天氣、冬季環(huán)境溫度較低及太陽(yáng)能資源不足時(shí)，熱水由空氣源熱泵機(jī)組供應(yīng)，可四季全天候使用。在環(huán)境溫度-20～45 ℃的地區(qū)均可高效制熱水。③安全環(huán)保。此加熱系統(tǒng)只使用太陽(yáng)能及少量電能，對(duì)環(huán)境沒有任何影響。在運(yùn)行過程中無(wú)廢液、廢渣、廢熱和廢氣排放，為新型節(jié)能環(huán)保型熱水產(chǎn)品。④智能控制。機(jī)組由微電腦自動(dòng)控制運(yùn)行(自動(dòng)能量調(diào)節(jié)系統(tǒng))，可根據(jù)水箱水溫和用水情況自動(dòng)啟停、自動(dòng)加熱、自動(dòng)恒溫，無(wú)需專人看守[12]。

3 井口加熱裝置現(xiàn)場(chǎng)使用經(jīng)濟(jì)性估算

3.1 水套加熱爐

常壓立式水套加熱爐總熱負(fù)荷0.10 MW，溫油流量2～3 m3/h，原油進(jìn)口溫度5 ℃、出口溫度35 ℃，水進(jìn)口溫度70 ℃、出口溫度90 ℃，油盤管工作壓力6.3 MPa，燃料種類為煤和氣，熱效率不小于89%。

按燃煤水套加熱爐每天用煤量250 kg計(jì)算，每2 h加煤1次，每次加煤量20 kg。煤燃燒時(shí)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，完全燃燒20 kg煤釋放出的熱量為5.8×108J。若這些熱量的80%被1 500 kg、4 ℃的水完全吸收，使水溫升高，根據(jù)熱量計(jì)算公式，升溫后水的溫度為78 ℃。

若進(jìn)入盤管前油水混合液溫度10 ℃，體積流量3 m3/h，不計(jì)熱損失，經(jīng)過水套爐熱傳導(dǎo)后油水混合液溫度上升到33 ℃。根據(jù)熱量傳遞過程能量守恒定律，按安塞油田冬季燃煤期約182 d計(jì)算，年用煤量45.5 t，費(fèi)用4.5萬(wàn)元[13]。

3.2 石油防爆電磁加熱器

高效節(jié)能石油防爆電磁加熱器的額定電壓為380 V，額定功率30 kW，額定工作壓力4.0 MPa，溫度控制范圍10～100 ℃，功率因數(shù)不小于0.95，熱效率不小于90%，適用產(chǎn)液量25 m3/d。

將1 m3井口混合液從10 ℃加熱到35 ℃，加熱1 h的電加熱功率為29.2 kW。安塞油田冬季加熱期約182 d，年用電127 546 kW·h，費(fèi)用8.9萬(wàn)元[14]。

3.3 太陽(yáng)能輔助原油加熱裝置

太陽(yáng)能輔助原油加熱裝置適用井場(chǎng)日產(chǎn)液量不大于40 m3，共16組集熱器，供電電壓380×(1±20%) V，集熱器采光面積64 m2，供電頻率(50±5)Hz，輔助電加熱額定功率48 kW，運(yùn)行環(huán)境溫度-40～60 ℃，集熱器規(guī)格58 mm×2 100 mm×36 mm，輔助空氣源熱泵額定功率8.3 kW、額定循環(huán)水量6.5 m3/h、制熱量38 kW、性能系數(shù)4.58。

根據(jù)中國(guó)氣象輻射資料年冊(cè)(2001)，延安市冬季平均日輻照度10.4 kW·h/(m2·d)。1支集熱管的有效吸熱面積為0.122 m2，則每組集熱器36支管子的吸熱面積為4.39 m2，按集熱效率96%、玻璃透光率93%、熱損率7%計(jì)算，集熱器平均集熱效率為91%。系統(tǒng)熱量損失率取為15%，則太陽(yáng)能集熱器每天的集熱量為515 kW，平均1 h的集熱量為21.5 kW。

按井組每天產(chǎn)進(jìn)液量40 m3計(jì)算，平均每小時(shí)產(chǎn)進(jìn)液量1.667 m3，根據(jù)水加熱功率的計(jì)算公式得水上升溫度為11 ℃。井口液從10 ℃起經(jīng)太陽(yáng)能加熱1 h升溫到20 ℃，再經(jīng)過空氣源熱泵加熱0.5 h升溫到30 ℃達(dá)到拉運(yùn)及集輸要求?？諝庠礋岜妹刻旃ぷ?2 h，每天熱泵系統(tǒng)能耗1.67×109J，每日消耗電量102 kW·h，冬季空氣源熱泵消耗總電量為18 564 kW·h，費(fèi)用1.3萬(wàn)元[15]。

4 井口加熱裝置現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用綜合效果比較

不同井口加熱裝置在安塞油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用比較見表2。

表2 不同井口加熱裝置現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用綜合效果比較

由表2看出，太陽(yáng)能輔助原油加熱裝置安全環(huán)保，自動(dòng)化程度高，以使用壽命10 a為基準(zhǔn)，其總費(fèi)用最低，是水套加熱爐總費(fèi)用的56%，是高效節(jié)能石油防爆電磁加熱器總費(fèi)用的31%，可在安塞油田叢式井場(chǎng)推廣應(yīng)用。

5 結(jié)語(yǔ)

安塞油田原油生產(chǎn)目前面臨著較大的安全環(huán)保壓力，投資成本高，處置難度大，要滿足生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)能降耗、綠色環(huán)保的需求，需引進(jìn)新技術(shù)、新工藝。合理利用太陽(yáng)能可以減少能源浪費(fèi)，而且經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益顯著。除建立井口加熱裝置外，還應(yīng)在井筒中加入清蠟劑等化學(xué)助劑，定時(shí)對(duì)油井進(jìn)行熱洗，以徹底解決高回壓油井冬季原油集輸及拉運(yùn)過程中存在的結(jié)蠟問題。