原油加熱節能技術在安塞油田的現場應用

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

1 安塞油田原油物性

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

表1 安塞油田原油部分物性

在油田開發之前，原油處于高溫、高壓狀態，蠟完全溶解在原油中。對油田進行開采時，原油從儲油層流入井底，再從井底沿井筒舉升到井口，隨著溫度和壓力下降以及輕質組分的不斷逸出，石蠟溶解在原油中的平衡條件被破壞，原油融蠟能力降低，致使石蠟析出。石蠟一部分隨油流進入采油流程，一部分集聚凝結并粘附于生產設施的金屬表面[1]。影響原油結蠟主要因素有原油中的石蠟含量、瀝青質和膠質含量、原油溫度、溶解氣及其壓力、原油中輕質餾分含量、液流速度、含水率、泥沙和機械雜質量、生產設施(油管及儲罐等)內表面粗糙程度以及表面性質等[2]。

原油結蠟問題在安塞油田原油生產全過程普遍存在，在原油開采及集輸過程中，不可預見的結蠟問題一直影響著原油生產的平穩運行。加熱是油氣集輸過程中最基本的預防結蠟工藝技術，加熱石油、天然氣所需的熱能來源于不同的熱源和方法[3]。安塞油田先后采用傳統水套加熱爐、高效節能石油防爆電磁加熱器及太陽能輔助原油加熱裝置等井口加熱裝置對原油進行加熱，文中對其現場應用情況進行簡要介紹。

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的間接加熱設備，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、結構緊湊、功能齊全以及適用范圍廣等特點。燃料在火筒中燃燒過程產生的熱能以輻射、對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。多數井場無伴生氣或伴生氣不穩定，因此采用燃料煤加熱，人工操作，存在熱量不連續、不穩定，爐體散熱快，熱能損失大，會污染環境等缺點，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原理將電能轉換為熱能的裝置，其主體為棒式往復式管狀結構，由鐵磁性熱載棒體和鋼套管與高強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熱電纜纏繞在鐵磁性鋼管棒芯上，套入護套鋼管內形成磁場閉合回路。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生強烈的磁滯渦流及磁阻熱效應，而熱載體釋放的雜散磁場經外套鋼管屏蔽吸收并產生圓環內集膚效應熱，用來直接加熱原油[7]。石油防爆電磁加熱器表面發熱均勻，無明火，且具有高效節能、安全防爆、使用壽命長等特點。

2.3 太陽能輔助原油加熱裝置

太陽能輔助原油加熱裝置由真空管太陽能集熱器和空氣源熱泵加熱機組2部分組成。

2.3.1真空管太陽能集熱器

真空管太陽能集熱器是一種通過吸收太陽能提升工質溫度的裝置，將太陽能轉變為熱能，可通過聯集管內的傳熱工質或先通過熱管與傳熱工質進行熱交換將熱能傳輸至儲熱箱。在真空管玻璃壁與吸熱體之間抽成一定的真空度，以抑制空氣的對流和傳導熱損。真空管太陽能集熱器的特點是結構簡單、制造方便、可靠性強、集熱效率高、保溫效果好且使用壽命長，既可在中高溫環境下使用，也可在寒冷地區冬季運行[8]。

2.3.2空氣源熱泵加熱機組

空氣源熱泵加熱機組循環過程見圖2。電能輸入壓縮機后，壓縮機做功，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，此時冷凝器中低于冷媒溫度的水不斷循環，吸收高溫冷媒氣體放出的熱量，從而達到制熱水的目的[9]。經過與低溫水熱交換，冷媒溫度降低，逐漸由氣態變成液態。中溫、高壓的冷媒液體經過膨脹閥(節流閥)流入低壓端，迅速降低冷媒的壓力，變為低溫、低壓的液體。低溫、低壓液體在蒸發器中吸熱蒸發后變為低溫、低壓的氣體，室外的空氣經過蒸發器表面被冷卻而降溫。低溫、低壓氣體再被壓縮機吸入，如此循環往復[10]。

圖2 空氣源熱泵加熱機組循環過程

2.3.3太陽能+空氣源熱泵加熱系統

(1)工作原理 將太陽能加熱系統與空氣源熱泵加熱系統通過串并聯配置方式使用，即將太陽能加熱系統作為主級加熱設備，將熱泵加熱機組作為次級加熱設備(圖3)。結合太陽能加熱的特點，將冷水定時、定量補充到系統水箱內，并經過所配置的太陽能加熱系統進行強制循環加熱。在陰雨天或者日照較弱的季節，通過系統水箱溫度控制器控制熱泵運行，循環水泵將系統水箱內的水通過熱泵循環加熱，在達到使用溫度之后，熱泵停止運行。在日照良好的季節，太陽能加熱系統可使水箱內儲存水的溫度達到使用溫度，因此無需開啟熱泵機組加熱，從而達到充分利用太陽能，降低熱泵機組輔助加熱能耗的目的[11]。

圖3 太陽能+空氣源熱泵加熱系統

(2)性能特點 ①高效節能。機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6.0，節能效果顯著，投資回收期短。②四季皆宜。此加熱系統主要由太陽能系統提供熱水，在夜晚、陰雨天氣、冬季環境溫度較低及太陽能資源不足時，熱水由空氣源熱泵機組供應，可四季全天候使用。在環境溫度-20～45 ℃的地區均可高效制熱水。③安全環保。此加熱系統只使用太陽能及少量電能，對環境沒有任何影響。在運行過程中無廢液、廢渣、廢熱和廢氣排放，為新型節能環保型熱水產品。④智能控制。機組由微電腦自動控制運行(自動能量調節系統)，可根據水箱水溫和用水情況自動啟停、自動加熱、自動恒溫，無需專人看守[12]。

3 井口加熱裝置現場使用經濟性估算

3.1 水套加熱爐

常壓立式水套加熱爐總熱負荷0.10 MW，溫油流量2～3 m3/h，原油進口溫度5 ℃、出口溫度35 ℃，水進口溫度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計算，每2 h加煤1次，每次加煤量20 kg。煤燃燒時將化學能轉化為內能，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，根據熱量計算公式，升溫后水的溫度為78 ℃。

若進入盤管前油水混合液溫度10 ℃，體積流量3 m3/h，不計熱損失，經過水套爐熱傳導后油水混合液溫度上升到33 ℃。根據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計算，年用煤量45.5 t，費用4.5萬元[13]。

3.2 石油防爆電磁加熱器

高效節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 ℃，功率因數不小于0.95，熱效率不小于90%，適用產液量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，費用8.9萬元[14]。

3.3 太陽能輔助原油加熱裝置

太陽能輔助原油加熱裝置適用井場日產液量不大于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，運行環境溫度-40～60 ℃，集熱器規格58 mm×2 100 mm×36 mm，輔助空氣源熱泵額定功率8.3 kW、額定循環水量6.5 m3/h、制熱量38 kW、性能系數4.58。

根據中國氣象輻射資料年冊(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%計算，集熱器平均集熱效率為91%。系統熱量損失率取為15%，則太陽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。

按井組每天產進液量40 m3計算，平均每小時產進液量1.667 m3，根據水加熱功率的計算公式得水上升溫度為11 ℃。井口液從10 ℃起經太陽能加熱1 h升溫到20 ℃，再經過空氣源熱泵加熱0.5 h升溫到30 ℃達到拉運及集輸要求。空氣源熱泵每天工作12 h，每天熱泵系統能耗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，費用1.3萬元[15]。

4 井口加熱裝置現場應用綜合效果比較

不同井口加熱裝置在安塞油田現場應用比較見表2。

表2 不同井口加熱裝置現場應用綜合效果比較

由表2看出，太陽能輔助原油加熱裝置安全環保，自動化程度高，以使用壽命10 a為基準，其總費用最低，是水套加熱爐總費用的56%，是高效節能石油防爆電磁加熱器總費用的31%，可在安塞油田叢式井場推廣應用。

5 結語

安塞油田原油生產目前面臨著較大的安全環保壓力，投資成本高，處置難度大，要滿足生產現場節能降耗、綠色環保的需求，需引進新技術、新工藝。合理利用太陽能可以減少能源浪費，而且經濟效益和環保效益顯著。除建立井口加熱裝置外，還應在井筒中加入清蠟劑等化學助劑，定時對油井進行熱洗，以徹底解決高回壓油井冬季原油集輸及拉運過程中存在的結蠟問題。