油田地面多相混輸加熱系統(tǒng)優(yōu)化研究

楊 揚(yáng)

（四川科宏石油天然氣工程有限公司，四川 成都 610200）

近幾年在黨中央一系列生態(tài)環(huán)保政策的引導(dǎo)之下，社會(huì)對企業(yè)的綠色生產(chǎn)問題越來越關(guān)注。為了實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)價(jià)值和生態(tài)價(jià)值的統(tǒng)一，油田公司對節(jié)能環(huán)保要求不斷提高，減少工程投資、降低系統(tǒng)能耗是地面集輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)最主要的任務(wù)之一。為了優(yōu)化簡化地面集輸系統(tǒng)，應(yīng)當(dāng)加快研制多相混輸設(shè)備，進(jìn)行多相流基礎(chǔ)理論研究等。此外，在油田地面建設(shè)的工程中，加熱爐技術(shù)水平和熱效率的提高成了研究熱點(diǎn)[1]。

黃輝等（2015）在總結(jié)了當(dāng)前地面集輸系統(tǒng)優(yōu)化工程的基礎(chǔ)之上強(qiáng)調(diào)了推廣簡化油井計(jì)量以及串聯(lián)管網(wǎng)技術(shù)、加快研制多相混輸設(shè)備及軟件等的重要性，期望通過油氣集輸標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)研究達(dá)到減少工程投資、降低系統(tǒng)能耗的目的。

劉元甲（2017）的研究系統(tǒng)地分析了現(xiàn)有加熱爐構(gòu)造特點(diǎn)并開創(chuàng)性優(yōu)化了爐體結(jié)構(gòu)和受熱面布置，針對目前加熱爐控制系統(tǒng)存在的問題創(chuàng)新性地制定了控制方案，以期最終實(shí)現(xiàn)加熱爐自動(dòng)恒溫進(jìn)行。

王明信等（2007）介紹了薩北油田對不同情況地脫水系統(tǒng)、轉(zhuǎn)油站系統(tǒng)采用的優(yōu)化調(diào)整措施并分析了效果，在總結(jié)老油田優(yōu)化調(diào)整經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了優(yōu)化調(diào)整工作所應(yīng)當(dāng)遵循的原則[2]。

本文在了解國內(nèi)外多相混輸加熱系統(tǒng)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對多相混輸加熱系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，并調(diào)研了一些油田加熱爐現(xiàn)狀，然后提出了冷凝式水套爐優(yōu)化及配套優(yōu)化和技術(shù)開發(fā)方案并進(jìn)行了推廣實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的情況進(jìn)行了效益分析同時(shí)提出相應(yīng)的優(yōu)化措施建議[3-4]。

1 國內(nèi)外多相混輸加熱系統(tǒng)

1.1 國外研究現(xiàn)狀

加熱爐是多相混輸加熱系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)備，目前來說，國外對于加熱爐的優(yōu)化改進(jìn)研究較為成熟。在發(fā)達(dá)國家，冷凝式鍋爐的投用率較高且使用壽命大多在15年以上[5]。在發(fā)達(dá)國家，不少高校、研究院和企業(yè)逐步開展加熱爐的數(shù)學(xué)模型與仿真研究并開展模糊控制算法及智能控制系統(tǒng)的研究。石化生產(chǎn)專職多采用集散控制系統(tǒng)，但是極少數(shù)能真正實(shí)現(xiàn)加熱爐自動(dòng)控制，無法達(dá)到最優(yōu)的節(jié)能操作狀態(tài)。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)對于冷凝式加熱爐的研究數(shù)量比較少，許多油田目前水套加熱爐的熱力設(shè)計(jì)計(jì)算方法主要為經(jīng)驗(yàn)值法，會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)設(shè)計(jì)的盲目性。從國內(nèi)的一些研究來看，目前我國的油田還未形成統(tǒng)一的普遍認(rèn)同的成熟的精確計(jì)算方法。同時(shí)，大多數(shù)油田的供熱設(shè)備還未實(shí)現(xiàn)高效、安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的目標(biāo)[6]。

大多數(shù)油田的加熱爐型是由臥式水套加熱爐、真空分體相變加熱爐、導(dǎo)熱油加熱爐等不同類型組成。但是和國外加熱爐相比，在鋼耗量和效率方面優(yōu)勢遠(yuǎn)不如國外的一些先進(jìn)油田。國內(nèi)水套爐在設(shè)計(jì)安裝方面存在效率低下、熱能損耗嚴(yán)重、受熱面抗腐蝕性差等一系列問題。因此，開展冷凝臥式常壓水套加熱爐開發(fā)及應(yīng)用研究的意義十分重大，不僅符合國內(nèi)油田供熱設(shè)備實(shí)現(xiàn)高效、安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的轉(zhuǎn)變，同時(shí)符合工業(yè)加熱爐的國際發(fā)展方向。

某油田加熱設(shè)備見圖1。

圖1 某油田加熱設(shè)備

2 冷凝式水套爐優(yōu)化及配套技術(shù)

2.1 燃燒系統(tǒng)

水套爐主要采用兩種形式燃燒系統(tǒng)`，一種是全自動(dòng)微正壓燃燒器，一種是自然通風(fēng)負(fù)壓燃燒系統(tǒng)。水套加熱爐的高效運(yùn)行需要配備一定的安全措施，包括用熱負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)燃燒火焰大小、熄火保護(hù)裝置以及低液位聯(lián)鎖保護(hù)等。為了實(shí)現(xiàn)水套加熱爐的高效運(yùn)行就要實(shí)現(xiàn)較高的自動(dòng)化程度，因此燃燒系統(tǒng)為全自動(dòng)微正壓燃燒系統(tǒng)并配備全自動(dòng)燃燒器。此外，為了配合現(xiàn)場的安全運(yùn)行，應(yīng)當(dāng)在水套爐前燃燒系統(tǒng)設(shè)置長明燈等裝置以確保安全運(yùn)行[7]。

2.2 加熱爐自動(dòng)控制系統(tǒng)

為了更好地提高加熱爐的熱效率以及降低熱損耗，增加的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)能很好地提升運(yùn)行安全性。首先要控制好出口溫度，影響加熱爐出口介質(zhì)溫度的干擾因素較多，包括工藝介質(zhì)的流量、溫度、組分；燃油或燃?xì)獾臒嶂?、壓力；煙囪的抽力等，因此在大多?shù)的情況下，出口介質(zhì)溫度的標(biāo)準(zhǔn)較高。其次是要控制好燃燒過程，可以通過降低過量空氣系數(shù)至工藝允許的最小值來實(shí)現(xiàn)爐子燃燒的高效率。氧氣含量監(jiān)測系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵在于儀表監(jiān)測和高效的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)備較多，主要包括主控平臺(tái)、保護(hù)熄火裝置、液位變送器、壓控以及鼓風(fēng)機(jī)等等。

2.3 熱管冷凝和冷凝液排水裝置

熱管冷凝裝置大致分為兩類，一類是常規(guī)管式冷凝裝置，但是常規(guī)冷凝經(jīng)濟(jì)性差不宜采用；一類是熱管式冷凝裝置，更加適合冷凝式水套加熱爐要求，傳熱強(qiáng)度大以及體積小。熱管冷凝裝置屬于冷凝式水套加熱爐的關(guān)鍵部件，要求耐腐蝕并且盡量節(jié)約安裝空間。除了熱管冷凝裝置之外，密封冷凝液排水也屬于冷凝式水套加熱爐開發(fā)的關(guān)鍵部件，通過及時(shí)排出冷凝裝置產(chǎn)生的腐蝕性冷凝液以減少冷凝液對水套加熱爐的腐蝕。該裝置設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于要考慮裝置本身的防腐性，因此材料的選擇十分關(guān)鍵，目前來說體積小、性能可靠的內(nèi)置水封式密封冷凝液排水裝置是最優(yōu)選擇。

2.4 保溫和防腐技術(shù)

水套加熱爐的保溫效果會(huì)直接影響原油、天然氣及被加熱爐介質(zhì)的流動(dòng)溫度，保溫材料和保溫工藝技術(shù)的選擇十分重要。其中管線和裝置的設(shè)計(jì)溫度應(yīng)當(dāng)不高于保溫原料的使用溫度。在防腐技術(shù)方面，加熱爐煙道等金屬內(nèi)壁腐蝕的機(jī)理是氫去極化腐蝕、氧去極化腐蝕以及溫度的影響。腐蝕速率由水解生成碳酸的速度和擴(kuò)散至管道表面的速度共同決定的。此外，含水蒸氣的煙氣隨著對流過程排出煙囪時(shí)，會(huì)有部分在煙道、煙箱內(nèi)反復(fù)擴(kuò)散流動(dòng)，容易發(fā)生酸性腐蝕和氧化腐蝕。因此，優(yōu)化的新方案要考慮。

2.5 實(shí)際應(yīng)用與效益分析

優(yōu)化了冷凝式水套加熱爐之后，研究區(qū)油田多相混輸加熱系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，運(yùn)行成本相較之前也有所降低，初步實(shí)現(xiàn)了建設(shè)節(jié)能綠色高效新型油田的目標(biāo)。通過分析實(shí)際運(yùn)行的一些數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)新的設(shè)計(jì)措施效果良好，并且在運(yùn)行的過程中沒有出現(xiàn)爆管泄漏事故。除了部分煙箱出現(xiàn)了滲水現(xiàn)象，這是由于墊片質(zhì)量出現(xiàn)一些問題。此外，腐蝕損壞現(xiàn)象未出現(xiàn)，冷凝液均排放正常。

表1 加熱爐優(yōu)化前后熱效率對比

通過收集方案運(yùn)行前后的數(shù)據(jù)，如燃料費(fèi)用等，進(jìn)行計(jì)算可知改良后的冷凝式水套爐技術(shù)能節(jié)約成本115 萬元左右，經(jīng)濟(jì)效益良好。實(shí)際上，從經(jīng)濟(jì)效益和運(yùn)行情況來看，冷凝式水套加熱爐可以在各大油田進(jìn)行推廣應(yīng)用，不僅適應(yīng)了油田節(jié)能降耗的發(fā)展趨勢，同時(shí)其開發(fā)也有效提升了地面工藝設(shè)備的技術(shù)程度。

3 優(yōu)化措施建議

3.1 設(shè)置相應(yīng)的工人培訓(xùn)課程

在水套爐運(yùn)行的過程中雖然具備了一定的自動(dòng)化水平，但是在現(xiàn)場運(yùn)行的過程中由于操作工人的不規(guī)范操作而存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，為了降低加熱系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的風(fēng)險(xiǎn)，不管是化工企業(yè)還是各大油田都應(yīng)當(dāng)設(shè)置一定的培訓(xùn)課程，不斷提高工作人員的操作水平，減少設(shè)備運(yùn)行過程中的風(fēng)險(xiǎn)和安全隱患。

3.2 加大資金和技術(shù)投入做好設(shè)備維護(hù)

冷凝式水套爐的優(yōu)化級配套技術(shù)的開發(fā)與轉(zhuǎn)型升級離不開資金技術(shù)的支持。設(shè)備的升級以及維護(hù)需要投入大量的人力物力財(cái)力資源，包括燃燒系統(tǒng)長明燈裝置的安裝、加熱爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的安全連鎖系統(tǒng)、熱管冷凝以及冷凝液排水裝置以及保溫和防腐技術(shù)所涉及的相關(guān)材料等，這些都需要配備安全系數(shù)較高、質(zhì)量較好的材料以及技術(shù)人員進(jìn)行合理的操作和設(shè)備維護(hù)

3.3 堅(jiān)持較高的考核指標(biāo)要求

在實(shí)際應(yīng)用的過程中，化工企業(yè)或者油田都應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持較高的考核指標(biāo)要求，如加熱爐的熱效率盡量達(dá)到80%以上。本研究提出的新的優(yōu)化方案能夠有效提高系統(tǒng)效率，達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)，同時(shí)很好地解決了生產(chǎn)過程中能源消耗過大、設(shè)備不匹配、工藝不合理等問題。因此，化工企業(yè)在日常的生產(chǎn)過程中對于設(shè)備應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持較高的考核指標(biāo)要求，堅(jiān)持系統(tǒng)節(jié)能的方法，不斷提高爐子的效率。

4 結(jié)束語

本文提出的改進(jìn)方案包括燃燒系統(tǒng)、熱管冷凝裝置、冷凝液排水裝置、保溫和防腐技術(shù)的優(yōu)化，在實(shí)際運(yùn)用的過程中取的良好的經(jīng)濟(jì)效益，具有一定的推廣意義。