基于集膚電伴熱的集輸管道節(jié)能評(píng)價(jià)研究

姜天雪 （大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠）

我國原油多為高凝、高黏、高含蠟的“三高”原油，特別是陸上油田開發(fā)進(jìn)入中后期，油井采出液呈高含水特點(diǎn)，因此在集輸過程中的熱能消耗占比較大，約占地面系統(tǒng)能耗的85%～95%[1-2]，對(duì)熱能消耗進(jìn)行優(yōu)化研究對(duì)于解決油氣田生產(chǎn)過程中的流動(dòng)保障問題具有重要意義。

常規(guī)集輸工藝有井口電加熱、雙管枝狀摻水和單管環(huán)狀摻水等，根據(jù)摻水點(diǎn)位置的不同環(huán)狀摻水方式還可細(xì)分[3]，但這些均屬于在管道起點(diǎn)進(jìn)行集中加熱，受軸向溫降的影響，油流在流動(dòng)的過程，溫度不斷降低至析蠟點(diǎn)甚至凝固點(diǎn)，故集輸管道面臨原油膠凝、蠟沉積和壓降過大等問題。內(nèi)置式集膚電伴熱系統(tǒng)是一種新的金屬管道加熱技術(shù)，其原理是基于鄰近效應(yīng)和集膚效應(yīng)的共同作用[4]，產(chǎn)生的焦耳熱來自伴熱管表面和內(nèi)部的電阻熱及交變磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁阻熱。集膚電伴熱具有加熱效率高、控溫準(zhǔn)確、發(fā)熱均勻、維修費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，目前已在國外海上油氣田廣泛應(yīng)用[5-8]。但在我國只有渤海油田投入了一條集膚電伴熱海底管道，該項(xiàng)技術(shù)在陸上油田的應(yīng)用還較少，對(duì)兩種工藝加熱效能的分析也較少。

1 溫降計(jì)算

集中加熱和集膚電伴熱兩種加熱方式的溫降曲線見圖1，其中管道首末兩端的沿線溫降梯度是不同的，起點(diǎn)溫度與環(huán)境溫度的差值較大，溫降較快，但在管道末端差值變小，故溫降較小，且集膚電伴熱的整體溫降梯度較小。假設(shè)管輸量、起點(diǎn)溫度、末點(diǎn)溫度不隨時(shí)間變化，油流與周圍介質(zhì)的總傳熱系數(shù)保持不變，將集膚電伴熱中的伴熱管等效為線熱源，伴熱功率不隨時(shí)間和里程發(fā)生變化，由此得到集膚電伴熱的熱平衡公式：

圖1 溫降曲線Fig.1 Temperature drop curve

式中：K為總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；D為管道內(nèi)徑，m；T為油流的平均溫度，℃；T0為環(huán)境溫度，℃；x為管道長(zhǎng)度的微元，m；G為質(zhì)量流量，kg/s；c為原油比熱容，J/(kg·℃)；q為集膚電伴熱的伴熱功率，W/m2；g為重力加速度，m/s2；i為水力坡降。

公式（1）左邊為微元dx段管道通過管壁向周圍環(huán)境的散熱量，右邊第一項(xiàng)為該管段降溫dT所釋放的熱量，第二項(xiàng)為集膚電伴熱產(chǎn)生的熱量（相當(dāng)于對(duì)管道內(nèi)壁面積進(jìn)行整體加熱），第三項(xiàng)為dx段管道介質(zhì)摩擦產(chǎn)生的熱量，其中摩擦生熱可以忽略不計(jì)。將式（1） 兩邊進(jìn)行積分后，得到溫降公式：

式中：T_out和T_in分別為集膚電伴熱應(yīng)用后的管道起點(diǎn)溫度和末點(diǎn)溫度，℃；L為管道長(zhǎng)度，m。

公式（2）與標(biāo)準(zhǔn)蘇霍夫公式類似[9]，不同的是集膚電伴熱使沿線整體溫度提升，等效于環(huán)境溫度提升。對(duì)于集中加熱方式的溫降公式為：

式中： ΔT為集中加熱方式相較于集膚電伴熱方式的起點(diǎn)升溫，℃。

由于兩種加熱方式的末點(diǎn)溫度相同，遂將公式（2）～（3）聯(lián)立得到：

其中，總是大于1，由此可知ΔT始終大于0，說明在相同末點(diǎn)溫度的前提下，集中加熱方式的熱能消耗較大。相同管線的集膚電伴熱總負(fù)荷為：

集中加熱總負(fù)荷為：

式中：Pd、Pc分別為集膚電伴熱和集中加熱的總負(fù)荷，W；ηd、ηc均為熱效率，%?？紤]到井口電加熱或加熱爐的熱效率通常在95%以上，集膚電伴熱的熱效率同樣較高，因此認(rèn)為ηd=ηc。此外，集膚電伴熱理想下可視為等溫輸送，T_in和T_out兩者相等，將公式（4）～（6）聯(lián)立，得到兩者的節(jié)能占比ε為：

式中a=KπDL/Gc?？梢姽?jié)能比與K、D、L呈負(fù)相關(guān)，與G、c呈正相關(guān)。在a為0～10 的范圍內(nèi)，對(duì)節(jié)能比ε的取值，節(jié)能比和a的關(guān)系見圖2。可見ε均小于1，且a越大、ε越小，在a大于6 時(shí)，集膚電伴熱方式的節(jié)能效果已經(jīng)非常明顯。

圖2 節(jié)能比和a 值的關(guān)系Fig.2 Relation between energy conservation ratio and a value

2 影響因素分析

通過控制變量法，考察不同因素對(duì)節(jié)能比的影響，固定取值如下：K=1.5 W/(m2·℃)、D=150 mm、L=10 km、G=10 kg/s、c=2 000 J/(kg·℃)。其中，總傳熱系數(shù)根據(jù)GB 50350—2015《油田油氣集輸設(shè)計(jì)規(guī)范》中附錄E 的要求，對(duì)于埋地硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料保溫管道的總傳熱系數(shù)取值為0.84～2.51 W/(m2·℃)；設(shè)計(jì)規(guī)范中要求集輸管道最小管徑為50 mm，范圍50～200 mm；管道長(zhǎng)度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選??；質(zhì)量流量根據(jù)管道經(jīng)濟(jì)流速范圍選??；比熱容參照該油田不同區(qū)塊的原油物性，取值1 500～3 000 J/(kg·℃)。

2.1 不同總傳熱系數(shù)的影響

不同因素總傳熱系數(shù)對(duì)節(jié)能比的影響見圖3。隨著總傳熱系數(shù)的增加，節(jié)能比呈直線下降，且管徑越大、管道長(zhǎng)度越長(zhǎng)、質(zhì)量流量越小、比熱容越小，節(jié)能比的下降幅度越大，說明這些因素變化時(shí)集膚電伴熱的節(jié)能效果更為明顯。在總傳熱系數(shù)小于1.0 W/(m2·℃)時(shí)，總傳熱系數(shù)對(duì)節(jié)能比的影響不大?？紤]到有些埋地環(huán)境的地溫較高，對(duì)于總傳熱系數(shù)可常年1.0 W/(m2·℃)以下的敷設(shè)環(huán)境，采用集中加熱方式更為經(jīng)濟(jì)。

圖3 不同因素總傳熱系數(shù)對(duì)節(jié)能比的影響Fig.3 Influence of total heat transfer coefficient of different factors on energy conservation ratio

2.2 不同管道長(zhǎng)度的影響

不同因素管道長(zhǎng)度對(duì)節(jié)能比的影響見圖4。與總傳熱系數(shù)對(duì)節(jié)能比的影響規(guī)律類似，隨著管道長(zhǎng)度的增加，節(jié)能比呈下降趨勢(shì)，且總傳熱系數(shù)越大、管徑越大、質(zhì)量流量越小、比熱容越小，節(jié)能比的下降幅度越大。在管道長(zhǎng)度為1 km 時(shí)，不同因素對(duì)節(jié)能比的影響較小，說明小范圍內(nèi)的集輸管道加熱技術(shù)應(yīng)綜合考慮集中加熱和集膚電伴熱的工藝投資、維護(hù)費(fèi)用和回報(bào)周期等條件。對(duì)于集輸管道長(zhǎng)度小于5 km 時(shí)，采用集中加熱方式更為經(jīng)濟(jì)。

圖4 不同因素管道長(zhǎng)度對(duì)節(jié)能比的影響Fig.4 Influence of pipeline length of different factors on energy conservation ratio

2.3 不同質(zhì)量流量的影響

不同因素質(zhì)量流量對(duì)節(jié)能比的影響見圖5。隨著質(zhì)量流量的增加，節(jié)能比呈指數(shù)增長(zhǎng)，并在質(zhì)量流量增加至一定程度后，不同因素下的節(jié)能比趨于穩(wěn)定，總傳熱系數(shù)越大、管徑越大、管道長(zhǎng)度越長(zhǎng)、比熱容越小，節(jié)能比的下降幅度越大。無論總傳熱系數(shù)、管徑和比熱容如何變化，在質(zhì)量流量大于20 kg/s 時(shí)，其節(jié)能比總是高于0.8，說明在管內(nèi)處于大流量甚至滿流的情況下，集膚電加熱的節(jié)能效果不明顯，此時(shí)采用集中加熱方式更為經(jīng)濟(jì)；在質(zhì)量流量小于20 kg/s 時(shí)，節(jié)能隨質(zhì)量流量的變化較大，此時(shí)采用集膚電伴熱方式更為經(jīng)濟(jì)?？紤]到原油比熱容與節(jié)能比呈正相關(guān)，其規(guī)律與質(zhì)量流量類似，故在此不再進(jìn)行贅述。

圖5 不同因素下質(zhì)量流量對(duì)節(jié)能比的影響Fig.5 Influence of mass flow of different factors on energy conservation ratio

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 管道基本情況

以大慶油田第五采油廠西干渠附近杏斜區(qū)塊所轄的12.5 km 的集輸管道為例，對(duì)集膚電伴熱的加熱效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。管徑D114×6 mm，保溫材料采用聚氨酯泡沫，設(shè)計(jì)輸量500 m3/h。在管道起點(diǎn)處鋪設(shè)了集膚電伴熱系統(tǒng)裝置，整體由交流電源、耐熱電纜、伴熱鋼管、接線盒和集膚電流層等組成，伴熱鋼管與輸油管道的鋼管層進(jìn)行焊接，并由保溫層實(shí)施包裹，伴熱鋼管與耐熱電纜通過接線盒形成閉合回路。

管道所在地區(qū)的冬季土壤（埋深1 m）最低溫度為-3.2 ℃，夏季土壤最高溫度為20 ℃，根據(jù)原油凝固點(diǎn)設(shè)計(jì)集膚電伴熱系統(tǒng)的運(yùn)行溫度為45 ℃±5 ℃，最高不超過60 ℃。管道冬季最大散熱量為60 W/m，則最大熱負(fù)荷需求為750 kW，集膚電伴熱的伴熱功率為75 W/m，則最大熱負(fù)荷補(bǔ)償為937.5 kW，滿足管道在極端環(huán)境下的熱需求。

3.2 電伴熱效果評(píng)價(jià)

2022 年1 月20 日16：00，管道停止電伴熱，利用SCADA 系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)管道起點(diǎn)和末點(diǎn)的溫度變化情況見表1。管道實(shí)施集膚電伴熱時(shí)，起點(diǎn)和末點(diǎn)的溫差在3～6 ℃之間；停止電伴熱時(shí)，在起點(diǎn)溫度基本不變的情況下，末點(diǎn)溫度逐漸降低，兩點(diǎn)溫差擴(kuò)大到6～13 ℃，待1 月22 日6∶00 時(shí)，末點(diǎn)溫度已降低至39.12 ℃，低于40 ℃，此后電伴熱自動(dòng)啟動(dòng)，末點(diǎn)溫度有所回升。從上述分析可知，采用集膚電伴熱可使末點(diǎn)溫度提升3～7 ℃，平均提升5 ℃左右。如采用常規(guī)集中加熱方式，需將起點(diǎn)溫度提升至70 ℃左右，而站內(nèi)加熱爐的額定負(fù)荷為1 160 kW，根據(jù)公式（6）計(jì)算同等條件下采用集中加熱方式的熱負(fù)荷為1 298.6 kW，說明現(xiàn)有站內(nèi)加熱爐無法滿足集中加熱的需求，站內(nèi)加熱爐處于超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，容易產(chǎn)生機(jī)械故障和熱疲勞。與集膚電伴熱的熱負(fù)荷937.5 kW 相比，集中加熱方式增加了361.1 kW，進(jìn)一步驗(yàn)證了集膚電伴熱節(jié)能效果的有效性。此外，電伴熱停止工作后，在38 h 后溫度才突破設(shè)定的下限溫度，如采用集中加熱方式，在10 h 左右就達(dá)到了停輸再啟動(dòng)的臨界點(diǎn)，集膚電伴熱方式在安全停輸時(shí)間上也優(yōu)于集中加熱方式。

表1 管道溫度變化情況Tab.1 Changes in pipe temperature℃

3.3 全年熱負(fù)荷核算

進(jìn)一步核算兩種加熱方式下的管道全年熱負(fù)荷見圖6。集中加熱方式每月的熱負(fù)荷基本一致，在7 月份溫度較高時(shí)，熱負(fù)荷出現(xiàn)最小值，這與土壤溫度升高，總傳熱變小有關(guān)[10]；集膚電伴熱方式1—9 月的熱負(fù)荷基本一致，10—12 月的熱負(fù)荷相比較小，說明此加熱方式受環(huán)境溫度的影響較小；節(jié)能比呈先增加后減小的變化趨勢(shì)，并在7 月份和10 月份分別達(dá)到最大值和最小值，進(jìn)一步說明了采用集膚電伴熱在冬季時(shí)的節(jié)能效果更好。

圖6 不同加熱方式的節(jié)能效果對(duì)比Fig.6 Comparison of energy conservation effects of different heating methods

相較于集中伴熱，集膚電伴熱方式每年可節(jié)約熱能15 543.55 kW，相當(dāng)于關(guān)停13 臺(tái)1 160 kW 的管式加熱爐，根據(jù)《中國石油天然氣生產(chǎn)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南（試行）—2015》對(duì)碳排放量進(jìn)行核算，可年減少碳排量10.215 t CO2。

4 結(jié)論

1）根據(jù)熱平衡原理，從理論上推導(dǎo)了集中加熱和集膚電伴熱的熱負(fù)荷，提出采用節(jié)能比衡量集膚電伴熱的節(jié)能效果；對(duì)于同一條管道，集膚電伴熱的節(jié)能效果較為明顯；與傳統(tǒng)新建計(jì)量間的集中加熱方式相比，所需的建設(shè)成本更小，運(yùn)行費(fèi)用更低。

2）相較于集中伴熱，集膚電伴熱方式每年可節(jié)約熱能為15 543.55 kW， 年減少碳排量為10.215 t CO2。

3） 集膚電伴熱需在管道中心設(shè)置加熱裝置，日常運(yùn)行中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注其密封性和完整性，是否影響今后的清管作業(yè)周期及清防蠟措施的實(shí)施還有待探討。