油田注汽系統(tǒng)一體化節(jié)能優(yōu)化改造實(shí)踐及效果分析

宋鑫 宋泓霖（中國(guó)石化勝利油田分公司）

1 基本原理

勝利油田注汽系統(tǒng)擁有注汽鍋爐130余臺(tái)，年注蒸汽量約為8×106t，年耗能80×105t標(biāo)煤，是油田第一耗能大戶。因此，抓好注汽系統(tǒng)節(jié)能降耗改造，提升注汽系統(tǒng)用能效率，成為一項(xiàng)重點(diǎn)工作。

注汽系統(tǒng)一體化節(jié)能優(yōu)化改造，是指運(yùn)用系統(tǒng)工程原理和過程分析方法，從鍋爐產(chǎn)汽環(huán)節(jié)、管網(wǎng)輸汽環(huán)節(jié)以及井筒注汽環(huán)節(jié)進(jìn)行能耗分析，找出制約系統(tǒng)能耗降低的主要問題，進(jìn)而采取針對(duì)性措施，以提升鍋爐運(yùn)行效率，降低輸汽和注汽過程散熱損失，減少蒸汽用量。

2 系統(tǒng)存在問題

油田注汽系統(tǒng)主要由“鍋爐產(chǎn)汽—管網(wǎng)輸汽—井筒注汽”三個(gè)環(huán)節(jié)組成[1]，造成注汽系統(tǒng)效率低的主要因素有三項(xiàng)：鍋爐運(yùn)行效率低；輸汽管網(wǎng)散熱損失大；井筒隔熱油管傳熱損失大。以BNWZ油田注汽系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析。

該油田稠油開發(fā)共配套注汽鍋爐10臺(tái)，其中固定注汽鍋爐6臺(tái)，活動(dòng)注汽鍋爐4臺(tái)，固定注汽管網(wǎng)32.4 km，承擔(dān)著267口稠油井的注汽生產(chǎn)任務(wù)，年注汽量62×104t。2016—2017年對(duì)該油田注汽系統(tǒng)進(jìn)行了全面檢測(cè)，鍋爐運(yùn)行效率分別低于設(shè)計(jì)效率1%～4%，管網(wǎng)熱損失平均7.6%，井筒傳熱損失平均10%。

2.1 注汽鍋爐熱效率低原因分析

1）鍋爐缺乏在線檢測(cè)儀表，不能隨時(shí)根據(jù)鍋爐負(fù)荷變化對(duì)配風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，造成排煙熱損失過大[2]。

2）鍋爐爐膛傳熱系數(shù)較低，由于注汽鍋爐熱量傳遞以輻射為主，注汽鍋爐現(xiàn)有耐火材料高溫下發(fā)射率只有0.4～0.5，導(dǎo)致注汽鍋爐熱吸收率較低。

2.2 注汽管線熱損失大原因分析

1）注汽管線保溫材料主要以硅酸鋁為主，存在不抗壓、易變形、有效保溫時(shí)間短等問題，導(dǎo)致注汽管線保溫層破損較嚴(yán)重，沿程熱損失大。

2）部分閥門存在漏失、關(guān)不嚴(yán)等現(xiàn)象，注汽管網(wǎng)閥體沒有進(jìn)行保溫，閥體熱損高達(dá)4 260 W/m2，閥體熱損失占每千米管網(wǎng)熱損失中的4%。

3）注汽管線均采用傳統(tǒng)保溫管托，管線管托熱損為355 W/m2，注汽管線管托熱損失占每千米管網(wǎng)熱損失中的20%。

4）注汽井口保溫均采用玻璃絲棉纏繞方式，熱損失大；而且玻璃絲棉防水性能差，在高溫作用下，如果浸水只能使用2～3次即要更換。

2.3 井筒散熱損失大的原因分析

通過對(duì)井筒熱損失分析發(fā)現(xiàn)，隔熱管節(jié)箍散熱、隔熱管接頭漏失散熱、環(huán)空散熱是井筒熱損失的主要因素。從熱點(diǎn)分析結(jié)果看，隔熱管接箍不隔熱時(shí)，套管溫度明顯高于隔熱管本體對(duì)應(yīng)溫度，該處熱損失大幅增加，制約了井底蒸汽干度的提高并且對(duì)套管保護(hù)不利[3-4]。

表1 注汽管道主要保溫材料性能對(duì)比

3 主要技術(shù)改造思路及措施

針對(duì)注汽系統(tǒng)存在的問題，充分依托原有配套設(shè)施，從產(chǎn)汽、輸汽、用汽方面進(jìn)行一體化優(yōu)化改造[5]，提高注汽系統(tǒng)用能效率。

3.1 鍋爐提效改造

3.1.1 注汽鍋爐配風(fēng)系統(tǒng)改造

1）在相應(yīng)的鍋爐煙道末端設(shè)置煙氣含氧在線分析儀，在原有鍋爐控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上安裝鼓風(fēng)機(jī)變頻器，根據(jù)測(cè)量到的煙氣含氧量的變化，通過變頻器驅(qū)動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)，對(duì)鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，使得煙氣出口含氧量維持在2.5%，降低排煙熱損失。

2）在注汽鍋爐原有PLC上新增模擬量輸入和輸出模塊以及開關(guān)輸入模塊，并對(duì)輸入、輸出模塊采用隔離技術(shù)提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定及可靠性。

3.1.2 注汽鍋爐輻射段強(qiáng)化傳熱技術(shù)改造

對(duì)注汽鍋爐爐膛進(jìn)行黑體輻射節(jié)能涂料噴涂改造。通過對(duì)爐膛的耐火材料表面噴涂高效節(jié)能涂料，可使?fàn)t膛形成一層堅(jiān)硬的陶瓷釉質(zhì)硬殼，全面提升爐膛耐火材料的表面物理和化學(xué)特性，可提高鍋爐受熱面的傳熱能力，同時(shí)可改善爐膛結(jié)焦現(xiàn)象，使注汽鍋爐在安全性、燃料適應(yīng)性、吸熱能力、生產(chǎn)負(fù)荷能力、溫度均勻性、管道壽命等方面都有顯著的提高。

3.1.3 增加高效換熱段裝置

對(duì)注汽鍋爐安裝高效換熱段。通過在注汽鍋爐過渡段和對(duì)流段之間增加過熱段管圈，將從輻射段出來的蒸汽再進(jìn)入對(duì)流段加熱，提高進(jìn)鍋爐對(duì)流受熱面的給水溫度及蒸汽干度。由于高干度的蒸汽吸熱是在對(duì)流段內(nèi)進(jìn)行，不形成結(jié)垢，使注汽鍋爐在安全性、熱量利用方面都有顯著的提高[6-7]。

3.2 注汽管網(wǎng)保溫改造

3.2.1 應(yīng)用新型保溫材料

目前注汽管道主要保溫材料有硅酸鋁、鈦陶瓷和氣凝膠三種。經(jīng)對(duì)比，氣凝膠氈新型保溫材料具有低密度、高孔隙率、低熱導(dǎo)率和低折射率、防水及抗壓等特性，是一種新型輕質(zhì)納米多孔材料，因此選用氣凝膠材料對(duì)相應(yīng)注汽管線進(jìn)行保溫[8-10]。保溫材料性能對(duì)比分析見表1。

由于目前80%以上注汽管線規(guī)格是φ89，以該規(guī)格注汽管線（1 000 m管線）為例對(duì)硅酸鋁、鈦陶瓷和氣凝膠保溫材料進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析，分析結(jié)果見表2。

表2 保溫材料經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

3.2.2 固定注汽管網(wǎng)閥門更新及保溫升級(jí)

1）管網(wǎng)閥門更新。對(duì)老化嚴(yán)重的閥門進(jìn)行更換，破損的閥門進(jìn)行維修。

2）閥門保溫。對(duì)裸露的閥門進(jìn)行氣凝膠保溫。

3.2.3 固定注汽管線管托及注汽井口保溫升級(jí)

1）管線管托保溫升級(jí)。對(duì)在用的注汽管線滑動(dòng)管托進(jìn)行氣凝膠材料保溫包扎。

2）注汽井口保溫升級(jí)。對(duì)注汽井口保溫裝置重新設(shè)計(jì)，使用固體隔熱材料根據(jù)井口形狀制作保溫罩，將新型保溫材料固定在保溫罩內(nèi)壁上。安裝時(shí)用螺栓將前后保溫殼安裝在井口上，可將井口全部覆蓋。改造后由于保溫棉固定在保溫罩內(nèi)壁上，與注汽井口沒有直接接觸，傳熱方式由傳導(dǎo)變?yōu)檩椛洌档土吮孛迌?nèi)表面溫度，減緩了損壞速度。

表3 BNWZ油田注汽系統(tǒng)一體化節(jié)能優(yōu)化改造效果對(duì)比

3.3 注汽井筒實(shí)施全過程保干技術(shù)

可以有效的減少因隔熱管節(jié)箍散熱、隔熱管接頭漏失散熱、環(huán)空散熱以及隔熱管視導(dǎo)熱系數(shù)超標(biāo)等造成的井筒熱損失，提升井底注汽干度，改善注汽效果，提升開發(fā)效益。全過程保干技術(shù)主要包括：配套隔熱襯套；優(yōu)化封隔器下深；環(huán)空注氮隔熱等。

4 效果分析

BNWZ油田注汽系統(tǒng)一體化節(jié)能優(yōu)化改造效果對(duì)比見表3。該項(xiàng)目于2016年6月開工，2018年12月完工，總計(jì)投入資金1 163萬(wàn)元，噸汽耗燃油（氣）由改造前的62.0 kgoe/t下降到58.3 kgoe/t，節(jié)能率5.97%。截至2020年12月份，平均年節(jié)約燃油（氣）當(dāng)量2 381 toe。

1）注汽鍋爐。注汽鍋爐熱效率由82.78%提升至88.6%，熱效率提升5.82%，其中輻射段強(qiáng)化傳熱技術(shù)改造提升鍋爐熱效率2.33%，配風(fēng)系統(tǒng)改造和可安裝高效換熱段使鍋爐熱效率提升3.49%。年節(jié)油（氣）當(dāng)量721.68 toe，折合標(biāo)煤1 031 t。

2）注汽管網(wǎng)。注汽管網(wǎng)熱損失由6.55%降低至4.11%。年節(jié)油（氣）當(dāng)量為1 486.6 toe，折合標(biāo)煤2 123.7 t。

3）注汽井筒。一是井底注汽干度提升7%～10%以上，稠油井生產(chǎn)周期延長(zhǎng)37天；二是井底注汽量得到進(jìn)一步優(yōu)化。通過實(shí)施全過程保干，注汽壓力為15 MPa時(shí)，每注入1×104t蒸汽，可優(yōu)化節(jié)約94 t蒸汽，節(jié)約注汽費(fèi)用1.8萬(wàn)元。

5 結(jié)論

1）稠油是我國(guó)的重要石油資源，約占全國(guó)石油產(chǎn)量的十分之一。稠油開采能耗是普通原油開采能耗的2～3倍，要大幅度降低油田生產(chǎn)能耗，就必須抓好稠油開采技術(shù)降耗工作。

2）運(yùn)用系統(tǒng)工程原理和節(jié)點(diǎn)分析理論，對(duì)稠油注汽系統(tǒng)從鍋爐產(chǎn)汽、管網(wǎng)輸汽、到井筒注入環(huán)節(jié)進(jìn)行一體化節(jié)能優(yōu)化改造，可以避免“木桶短板效應(yīng)”，比單節(jié)點(diǎn)進(jìn)行改造或單項(xiàng)技術(shù)推廣，節(jié)能效果更為明顯。

3）BNWZ油田稠油注汽系統(tǒng)一體化節(jié)能改造項(xiàng)目的成功做法，已在勝利油田稠油區(qū)塊得到推廣，必將為其它油田注汽系統(tǒng)開展節(jié)能降耗改造具有一定的借鑒意義。