稀油集輸系統(tǒng)加熱節(jié)能技術(shù)研究與應(yīng)用

阮龍飛 朱特 汪洋

（1.新疆油田公司質(zhì)量設(shè)備節(jié)能處；2.新疆油田公司工程技術(shù)研究院）

油田開發(fā)集輸系統(tǒng)涵蓋了油田采出液的輸送、儲存、處理等工藝，是油田開發(fā)的核心和“大動脈”，也是原油生產(chǎn)正常運行的重要保障[1-3]。新疆油田稀油集輸系統(tǒng)采用“井口→計量站→轉(zhuǎn)油站→處理站”三級布站方式，通過對原油加熱完成輸送作業(yè)，其中加熱所造成的能耗占生產(chǎn)總能耗的69.66%，是稀油生產(chǎn)第一大耗能單元，因此稀油集輸系統(tǒng)的加熱設(shè)備能否高效運行，將直接影響油田生產(chǎn)效率和開發(fā)效益。

1 現(xiàn)狀

油氣集輸系統(tǒng)包括井口采出液至原油處理站的地面輸送、處理站的原油脫水和原油儲存三部分[4-5]。稀油集輸加熱工藝能源消耗見圖1，井口加熱設(shè)備（井口電加熱器為主）耗能占到了集輸總能耗的6.67%，計量站加熱設(shè)備（電加熱器或加熱爐）占到3.74%，集中處理站加熱爐占到82.59%，儲罐維溫能源消耗占到4.3%，其余2.7%為集輸過程中其它耗能。從圖1可以看出，在稀油集輸過程中，井口電加熱器、計量站電加熱器、聯(lián)合站加熱爐和儲罐是能源消耗或熱損失的關(guān)鍵設(shè)備，因此對于稀油集輸加熱系統(tǒng)的挖潛增效要從這4個設(shè)備的技術(shù)研究著手。

圖1 稀油集輸加熱工藝能源消耗

近年來，新疆油田針對這4個設(shè)備存在的井口電加熱器控制方式不合理、計量站電加熱器熱效率低、加熱爐煙氣余熱未充分回收、儲罐罐頂未保溫散熱損失大等問題，開展井口電加熱器回壓控制、計量站新能源加熱方式、加熱爐煙氣余熱回收和儲罐罐頂絕熱保溫4項節(jié)能技術(shù)研究。

2 技術(shù)研究及應(yīng)用

2.1 井口加熱器回壓控制技術(shù)

將電加熱器的控制方式改為回壓器主導(dǎo)、溫控輔助的二次控制（串聯(lián)）模式。通過設(shè)定回壓值控制電加熱器自動啟停，溫度控制起到保護和輔助作用，從而減少電加熱運行時間，達到降低電加熱器用電量的目的。

2015年，優(yōu)選4口單井安裝壓力自控系統(tǒng)進行現(xiàn)場試驗，4口試驗單井節(jié)電率大于50%，節(jié)能效果顯著。2016年推廣應(yīng)用到全井區(qū)130余口井，改造完成后，各井回壓值均在合理范圍內(nèi)，生產(chǎn)平穩(wěn)，回壓控制系統(tǒng)工作正常，改造前后耗電量對比見圖2，單井平均節(jié)電率25.34%。

圖2 改造前后耗電量對比

2.2 計量站新能源加熱技術(shù)

新疆油田所轄區(qū)域太陽能、空氣能等資源豐富，大力推進太陽能、空氣能等新能源替代油田加熱負荷，可大幅減少傳統(tǒng)能源消耗量，對推進油田經(jīng)濟、綠色、可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[6-8]。其中空氣源熱泵技術(shù)是利用逆卡諾原理，以極少的電能吸收空氣中大量的低溫熱能，通過壓縮機的壓縮變?yōu)楦邷責崮?，相比常?guī)的天然氣、電能加熱方式，具有加熱成本低、效率高、速度快、安全、環(huán)保等優(yōu)勢，空氣源熱泵技術(shù)工藝流程見圖3。

圖3 空氣源熱泵技術(shù)工藝流程

2017年，新疆油田分別在單井和計量站開展空氣源熱泵技術(shù)、太陽能與空氣源熱泵組合技術(shù)研究，設(shè)備冬季運行情況見表1，各項指標達到設(shè)計要求，加熱采出液效果良好，冬季節(jié)電率分別為56%和59.5%，實現(xiàn)了油區(qū)原油加熱在嚴寒大風(fēng)環(huán)境下對空氣源熱系的首次應(yīng)用。

表1 設(shè)備冬季運行情況

2.3 加熱爐煙氣余熱回收技術(shù)

煙氣余熱利用是通過高溫煙氣預(yù)熱空氣、加熱原油或采暖水等工質(zhì)，從而達到降低排煙溫度，提高綜合熱能利用率目的[9]，加熱爐煙氣余熱回收系統(tǒng)工藝流程見圖4，新疆油田國內(nèi)首次采用冷凝化工藝回收加熱爐煙氣余熱，排煙溫度最低降至45℃，實現(xiàn)冷凝。設(shè)計了加熱爐煙氣余熱用于加熱站內(nèi)原油、采暖水或污水等多種工藝，同時自主研發(fā)“一拖多”回收模式，實現(xiàn)一套換熱裝置回收多臺加熱爐煙氣余熱，投資更低，經(jīng)濟性更好。

圖4 加熱爐煙氣余熱回收系統(tǒng)工藝流程

新疆油田2017年在某聯(lián)合站開展加熱爐煙氣余熱利用技術(shù)改造項目，回收3臺2500kW加熱爐煙氣余熱用于加熱站內(nèi)原油，改造完成后可替代站內(nèi)1臺加熱爐，年節(jié)約天然氣47×104m3（標況）。

2.4 儲罐罐頂納米陶瓷顆粒絕熱保溫技術(shù)

儲油罐罐頂保溫即為在罐頂涂刷納米陶瓷多孔微粒絕熱保溫層，納米涂料節(jié)能效果見圖5，該保溫層能在涂刷物體表面形成由空心玻璃微珠連接在一起的三維網(wǎng)絡(luò)空心結(jié)構(gòu)，這樣的納米空心玻璃微珠之間形成了一個個疊夾的靜態(tài)空氣組，也就是一個個隔熱保溫單元，這些靜態(tài)單元在受熱后幾乎不產(chǎn)生熱對流，達到減少熱傳導(dǎo)的作用[10]。

圖5 納米涂料節(jié)能效果

2016年新疆油田對某處理站2座5000m3儲油罐進行罐頂涂刷改造，改造總面積920m2，項目總投資45.4萬元。改造完成后委托西北油田節(jié)能監(jiān)測中心進行測試，罐體散熱損失降低42.3%，大罐平均熱流密度減少了34.3%，單罐年可節(jié)約天然氣4.9×104m3（標況），投資回收期4.05年，投資效益較好。

3 節(jié)能潛力分析

3.1 井口電加熱器回壓控制技術(shù)

根據(jù)油田在用電加熱器現(xiàn)場運行工況，通過計算得出不同年耗電量、不同改造費用下的井口電加熱器回壓控制技術(shù)改造效益，確定出當井口電加熱器年耗電量不低于1.30×104kWh（相當于20kW井口電加熱器年運行時間不低于650h），回壓控制技術(shù)具有較好的投資效益。據(jù)統(tǒng)計，新疆油田可改造的電加熱器總功率3420kW，根據(jù)前期試驗的效果，年節(jié)電潛力866.63×104kWh。

3.2 計量站新能源加熱技術(shù)

通過某井區(qū)先導(dǎo)性試驗分析，通過計算得出不同年耗電量、不同改造費用下的空氣源熱泵改造效益，確定當電加熱器年耗電量不低于16.88×104kWh（相當于20kW電加熱器全年不間斷運行），進行空氣源熱泵改造具有較好投資效益。根據(jù)改造效益，在新疆油田共篩選出可進行空氣源熱泵改造的計量站加熱設(shè)備158座，改造總功率4108kW。根據(jù)某井區(qū)空氣源熱泵節(jié)電率70.74%計算，改造完成后，年可節(jié)電量2519×104kWh。

3.3 加熱爐煙氣余熱回收技術(shù)

根據(jù)新疆油田在用加熱爐現(xiàn)狀，通過計算得到排煙150℃，原油溫升10℃，不同功率、不同運行時率加熱爐煙氣余熱改造效益，確定對于功率不低于2000kW的站庫加熱爐運行時率不低于70%，排煙溫度不低于150℃時具有較大改造價值，加熱爐煙氣余熱技術(shù)優(yōu)選此范圍內(nèi)的加熱爐進行改造。根據(jù)改造效益，在新疆油田共篩選出可進行煙氣余熱利用技術(shù)改造的加熱爐11臺，加熱爐平均煙溫度達178℃，平均運行時率92%。

加熱爐煙氣余熱改造效果見表2，A站回收1#~4#加熱爐煙氣余熱回收加熱回摻水，改造完成后提供站內(nèi)回摻水38.13%的加熱負荷。B站回收1#、2#、3#加熱爐煙氣余熱加熱原油，改造完成后可減少站內(nèi)1臺加熱爐運行，C站和D站分別回收1#、2#熱媒爐煙氣余熱加熱原油或采暖水，分別提供了站內(nèi)原油22%、采暖水37.4%的加熱負荷。改造完成后，年節(jié)約天然氣量185×104m3。

表2 加熱爐煙氣余熱改造效果

3.4 儲罐罐頂納米陶瓷顆粒絕熱保溫技術(shù)

根據(jù)新疆油田在用儲油罐現(xiàn)狀，通過計算得出不同儲罐容量、不同停留時間下的儲罐罐頂保溫改造效益，確定體積不低于5000m3、停留時間不低于2天的聯(lián)合站儲油罐進行納米陶瓷多孔微粒絕熱保溫節(jié)能技術(shù)改造具有較好投資回收效益。根據(jù)改造效益，在新疆油田共篩選出可進行儲罐罐頂保溫改造的聯(lián)合站儲油罐16座，平均停留時間75h，合計改造罐頂面積7770m2。

儲油罐散熱功率計算公式：

式中：K為傳熱系數(shù)；S為散熱面積，m2；Δt為內(nèi)外溫差，℃。

保溫改造前儲罐傳熱系數(shù)為K為3.77，按冬季運行時間165天，夏季運行時間200天運行計算，16座儲油罐每年合計總散熱損失達9.9×104GJ。按照先導(dǎo)性試驗結(jié)果，罐體散熱損失降低42.3%計算，則每年可減少散熱損失4.2×104GJ。天然氣熱值按35000kJ/m3（標況）計算，16座儲罐年可節(jié)約天然氣量120×104m3。

4 結(jié)論

1）從稀油集輸工藝的能源消耗分布進行分析，基于4種節(jié)能技術(shù)對稀油集輸生產(chǎn)系統(tǒng)的節(jié)能潛力進行測算，4種節(jié)能技術(shù)在新疆油田推廣應(yīng)用后，每年可為油田生產(chǎn)節(jié)約天然氣305×104m3，節(jié)約電量3386×104kWh，總計折算標煤8217t，占到了稀油集輸加熱系統(tǒng)能耗的9.83%，同時社會效益顯著，每年可減少CO2排放量4703t。

2）當前測算出的節(jié)能潛力值并不是整個新疆油田稀油集輸加熱系統(tǒng)未來的總體節(jié)能潛力，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，設(shè)備費用降低和新型節(jié)能技術(shù)的出現(xiàn)必定會帶來能源消費的革命，因此新技術(shù)的引進和成熟技術(shù)的規(guī)模推廣將會顯得至關(guān)重要。