油田稠油生產站場采暖節能改造技術與應用

趙立新（中國石油天然氣集團公司西北油田節能監測中心）

油田生產冬季保溫需求相對較大，生產站場大都采用蒸汽采暖方式，采暖蒸汽量可以達到60.7×104t。所用蒸汽為生產用高溫、高壓蒸汽，存在能耗高、熱能利用率低、管理難度大、不安全等缺點。為確保油田站場采暖選用合適的采暖方式，合理控制降低采暖能耗，經過對站場采暖技術的對比分析，總結各項采暖技術的優缺點及適應性，為今后站場采暖改造工作提出了指導性意見。

1 油田稠油生產站場采暖技術分析

油田稠油生產站場主要分為三類：稠油處理站與污水處理站、供熱站、采油計量站。每一類站場的熱能來源、熱能品質及采暖方式各不相同。

1.1 供熱站蒸汽采暖

早期的油田稠油站場采暖工藝設計均為蒸汽采暖，即以注汽鍋爐生產的高溫高壓蒸汽為熱源，在站內經兩級減壓后（降至0.4～0.6 MPa）進入站內采暖系統，散熱后的蒸汽凝結成水，凝結水經疏水閥進入回水系統，由回水管網排入排空池，經一次循環后直接外排。

1.2 蒸汽加熱采暖技術

1.2.1 蒸汽換熱

注汽管線換熱是通過在鍋爐蒸汽出口管線上安裝1 臺夾套式換熱裝置，將換熱裝置內的水加熱并利用循環泵對站區進行供暖。

1.2.2 蒸汽自動摻熱

蒸汽自動摻熱是采用直混式蒸汽相變加熱器加熱循環水，將蒸汽摻入到加熱罐中冷凝，凝結水與熱網水混合，進行直接接觸式換熱。該換熱方式可解決結垢及凝結水回收問題[1]，工藝流程見圖1。

圖1 蒸汽自動摻熱采暖系統流程

1.2.3 汽動加熱

汽動加熱是利用蒸汽經過噴嘴膨脹后形成的高速汽流作為動力源（圖2），在變截面混合腔中與低壓水流直接接觸后形成超音速的汽液兩相流，在流動受阻塞時產生凝結激波，實現冷水的升壓和加熱[2]。

1.3 污水余熱利用采暖技術

1.3.1 稠油處理站污水熱泵采暖

稠油處理時將會產生大量高溫含油污水，經處理達標后才能回用或排放，其溫度在40～50℃之間。利用熱泵采暖既能回收部分低品位熱量，又能達到冬季供暖的目的。目前熱泵采暖包括壓縮式熱泵采暖和溴化鋰吸收式熱泵采暖。

圖2 汽動加熱原理

圖3 壓縮式熱泵工作原理

1）壓縮式熱泵。其工作原理為逆卡諾循環原理，通過消耗一部分外界能量（如電能）把環境介質中貯存的能量加以提取，再通過傳熱工質循環系統提高溫度進行利用，裝置所消耗的功僅為輸出功的一小部分。因此，采用熱泵采暖可以節約大量高品位能源。

熱泵性能一般用COP（能效比）來評價，壓縮式熱泵的COP 一般在3～6 左右[3]。壓縮式熱泵工作原理見圖3。

2） 溴化鋰吸收式熱泵。它是以天然氣、蒸汽、高溫水等為驅動熱源，吸收低品位熱源的熱量，制取較高溫度的熱水，實現由低溫向高溫進行熱量傳遞的設備[4]。其工作原理見圖4。

圖4 直燃型溴化鋰吸收式熱泵工作原理

在實際應用中，熱泵采暖是通過吸收污水中的余熱制取高溫采暖水，可代替熱水鍋爐供暖，達到節能減排的目的。吸收式增熱型熱泵機組的COP 可達到1.8，節能效果顯著。

1.3.2 污水處理站高溫凈化污水采暖

1）高溫凈化污水直接采暖。在稠油生產的采出液中含有大量高溫污水，將這部分污水分離、凈化、軟化后，可以作為供熱站生產蒸汽的給水水源；并且由于這部分高溫軟化污水的溫度較高，可以代替蒸汽直接用于采暖。

2）高溫凈化污水換熱采暖。雖然高溫采出水（溫度大于80 ℃）達到直接供暖要求，但考慮到凈化污水中可能含有H2S 氣體，直接用于采暖系統存在一定的安全隱患，因此采用間接換熱的供熱形式。其工藝流程見圖5。

圖5 高溫污水換熱采暖工藝流程

對于水溫介于65～75 ℃的高溫污水，換熱后的溫度達不到常規采暖溫度，采用風機進行強制對流散熱，能適應低溫介質進行采暖，一般要求水溫在55～65 ℃之間即可滿足采暖要求。

3）熱管換熱器加熱污水采暖。利用熱管換熱器加熱回用的軟化污水，并使軟化污水在原保溫系統內循環。該采暖技術適用于軟化污水溫度不能滿足采暖要求的場所。其工藝流程為：將來自污水處理站的凈化污水輸送到供熱站注汽鍋爐，在注汽鍋爐煙氣熱管換熱器的熱水出口處加裝1 條管線，再將經熱管換熱器加熱的污水來液通過增壓泵送到供暖系統中，經供暖系統循環后輸至柱塞泵進口處，以繼續用于生產之中（圖6）。

圖6 利用熱管換熱器加熱污水采暖工藝流程

1.4 采油計量站采出液余熱利用采暖技術

1.4.1 高溫采出液換熱采暖

采用換熱器將高溫采出液與軟化清水換熱，加熱后的軟化清水作為采暖介質，用泵加壓循環至各計量站，可取代蒸汽取暖。其工藝流程見圖7。

圖7 高溫采出液換熱采暖工藝流程

高溫采出液換熱采暖技術改造中采用的換熱器類型有螺旋板式、寬流道板式和盤管式三種。

1）螺旋板式換熱器。它是用兩張平行的金屬板卷制成的兩個螺旋形通道，冷熱流體之間通過螺旋板壁進行換熱的換熱器[5]。采用螺旋板式換熱器，需在室外建設彩板房對換熱器及管道泵進行保溫。在現場實際使用中發現，由于高溫采出液中雜質較多，導致換熱器部分堵塞影響換熱效果，值守站室內溫度僅有15 ℃，達不到野外值守站的室內要求溫度。

2）寬流道板式換熱器。它采用粗波紋結構設計，板片外廓基本由水平波紋構成，介質可以無限制地流過板片的換熱表面而不發生堵塞現象。采用寬流道板式換熱器，需在室外建設彩板房對換熱器及管道泵進行保溫。在現場實際使用中發現，該換熱器適應性較差，采出液中油稠、含砂量大，容易導致熱源管網及設備發生刺漏和堵塞事故，后期維護運行工作量大。

3） 盤管式換熱器。在站區生活水罐上焊接進、出水口管線，出水口連接管道泵，管線以盤管的方式纏繞在緩沖罐外壁上，并涂覆導熱膠泥；利用緩沖罐熱量傳導換熱對管線中的水加熱來對站區供暖，最后回水至生活用水灌（圖8）。該供暖方式工藝流程相對簡單，管理方便，采暖換熱效果較好；可同時對站區生活水進行保溫，暖氣進水溫度達75 ℃，還可實現生活用水全天候保溫。

圖8 盤管式換熱器

1.4.2 采出液直接采暖

油井采出液溫度一般在60～110℃之間，滿足計量站采暖要求，適用于兩級布站模式的計量站。單井采出液進計量間后可混合進集油罐，其工藝流程見圖9。

該采暖技術具有單井或多井同時改入保溫系統的不同方式，其溫度可根據需要進行調節；同時還具有投資少、功能性強、操作簡單等優勢，經濟效益可觀。但由于油井采出液可能含有H2S，存在一定的安全隱患，更適合無人值守巡檢計量站，并應定期檢測采暖系統壁厚。

2 采暖技術評價

通過多種形式采暖工藝的現場應用，對比各項采暖技術優缺點，綜合評價各項采暖技術后，得出各項采暖技術綜合分析結果，如表1 所示。

3 稠油站場采暖技術優選

綜合分析油田稠油生產站場及各類采暖技術的適應性，形成以下初步結論：

1）稠油處理站與污水處理站采暖。其共同特點是都有大量的低品位余熱利用資源可應用；根據污水溫度和采暖負荷等情況，可選擇熱泵余熱采暖技術、高溫污水換熱與強制對流結合采暖技術。

2）供熱站采暖。對于沒有回用污水余熱利用資源的供熱站，可采用蒸汽加熱采暖技術進行改造。對于已進行高溫回用污水改造的供熱站，在不影響鍋爐安全運行的情況下，可進行熱泵余熱利用采暖技術改造，也可進行蒸汽加熱采暖技術改造。

圖9 采出液直接供暖流程示意圖

表1 各項采暖技術的優缺點和綜合評價

3）各采油計量站。可分為中心計量站與托管計量站，中心計量站可供操作人員值班與休息，托管計量站無人值守，操作人員只進行現場操作，操作完畢后則回中心計量站。考慮到安全因素，在中心計量站應考慮選用高溫采出液換熱采暖技術，無人值守計量站可根據采出液溫度選擇采出液換熱采暖或直接采暖技術。

根據已完成改造的21 座稠油站場6 類采暖技術的檢測結果，對各種采暖技術應用的經濟效益做了對比（表2）。

表2 不同采暖技術的應用綜合效果

根據各種采暖技術的應用條件及其安全性和經濟效益的綜合比較，得出不同類型稠油站場采暖改造和新建稠油站場采暖工藝設計的依據（表3）。

4 結論

由于油田生產現場實施的各類采暖方式的技術特點、使用條件、使用效果和經濟效益各不相同并各有特征，因此，各類采暖技術在生產現場都有自己的適用范圍。特別是稠油處理站與污水處理站、供熱站、采油計量站的生產環境、余熱資源差別較大，設計單位應在采暖技術及采暖方式的選擇上切合實際，選擇最佳的技術和方式。