油田地面多相混輸加熱系統優化研究

楊 揚

（四川科宏石油天然氣工程有限公司，四川 成都 610200）

近幾年在黨中央一系列生態環保政策的引導之下，社會對企業的綠色生產問題越來越關注。為了實現經濟價值和生態價值的統一，油田公司對節能環保要求不斷提高，減少工程投資、降低系統能耗是地面集輸系統設計最主要的任務之一。為了優化簡化地面集輸系統，應當加快研制多相混輸設備，進行多相流基礎理論研究等。此外，在油田地面建設的工程中，加熱爐技術水平和熱效率的提高成了研究熱點[1]。

黃輝等（2015）在總結了當前地面集輸系統優化工程的基礎之上強調了推廣簡化油井計量以及串聯管網技術、加快研制多相混輸設備及軟件等的重要性，期望通過油氣集輸標準化設計研究達到減少工程投資、降低系統能耗的目的。

劉元甲（2017）的研究系統地分析了現有加熱爐構造特點并開創性優化了爐體結構和受熱面布置，針對目前加熱爐控制系統存在的問題創新性地制定了控制方案，以期最終實現加熱爐自動恒溫進行。

王明信等（2007）介紹了薩北油田對不同情況地脫水系統、轉油站系統采用的優化調整措施并分析了效果，在總結老油田優化調整經驗的基礎上，提出了優化調整工作所應當遵循的原則[2]。

本文在了解國內外多相混輸加熱系統研究現狀的基礎上，對多相混輸加熱系統進行了深入研究，并調研了一些油田加熱爐現狀，然后提出了冷凝式水套爐優化及配套優化和技術開發方案并進行了推廣實驗，根據實際應用的情況進行了效益分析同時提出相應的優化措施建議[3-4]。

1 國內外多相混輸加熱系統

1.1 國外研究現狀

加熱爐是多相混輸加熱系統的基礎設備，目前來說，國外對于加熱爐的優化改進研究較為成熟。在發達國家，冷凝式鍋爐的投用率較高且使用壽命大多在15年以上[5]。在發達國家，不少高校、研究院和企業逐步開展加熱爐的數學模型與仿真研究并開展模糊控制算法及智能控制系統的研究。石化生產專職多采用集散控制系統，但是極少數能真正實現加熱爐自動控制，無法達到最優的節能操作狀態。

1.2 國內研究現狀

目前國內對于冷凝式加熱爐的研究數量比較少，許多油田目前水套加熱爐的熱力設計計算方法主要為經驗值法，會導致相應設計的盲目性。從國內的一些研究來看，目前我國的油田還未形成統一的普遍認同的成熟的精確計算方法。同時，大多數油田的供熱設備還未實現高效、安全、經濟、環保的目標[6]。

大多數油田的加熱爐型是由臥式水套加熱爐、真空分體相變加熱爐、導熱油加熱爐等不同類型組成。但是和國外加熱爐相比，在鋼耗量和效率方面優勢遠不如國外的一些先進油田。國內水套爐在設計安裝方面存在效率低下、熱能損耗嚴重、受熱面抗腐蝕性差等一系列問題。因此，開展冷凝臥式常壓水套加熱爐開發及應用研究的意義十分重大，不僅符合國內油田供熱設備實現高效、安全、經濟、環保的轉變，同時符合工業加熱爐的國際發展方向。

某油田加熱設備見圖1。

圖1 某油田加熱設備

2 冷凝式水套爐優化及配套技術

2.1 燃燒系統

水套爐主要采用兩種形式燃燒系統`，一種是全自動微正壓燃燒器，一種是自然通風負壓燃燒系統。水套加熱爐的高效運行需要配備一定的安全措施，包括用熱負荷自動調節燃燒火焰大小、熄火保護裝置以及低液位聯鎖保護等。為了實現水套加熱爐的高效運行就要實現較高的自動化程度，因此燃燒系統為全自動微正壓燃燒系統并配備全自動燃燒器。此外，為了配合現場的安全運行，應當在水套爐前燃燒系統設置長明燈等裝置以確保安全運行[7]。

2.2 加熱爐自動控制系統

為了更好地提高加熱爐的熱效率以及降低熱損耗，增加的安全聯鎖系統能很好地提升運行安全性。首先要控制好出口溫度，影響加熱爐出口介質溫度的干擾因素較多，包括工藝介質的流量、溫度、組分；燃油或燃氣的熱值、壓力；煙囪的抽力等，因此在大多數的情況下，出口介質溫度的標準較高。其次是要控制好燃燒過程，可以通過降低過量空氣系數至工藝允許的最小值來實現爐子燃燒的高效率。氧氣含量監測系統平穩運行的關鍵在于儀表監測和高效的執行機構。聯鎖保護系統的設備較多，主要包括主控平臺、保護熄火裝置、液位變送器、壓控以及鼓風機等等。

2.3 熱管冷凝和冷凝液排水裝置

熱管冷凝裝置大致分為兩類，一類是常規管式冷凝裝置，但是常規冷凝經濟性差不宜采用；一類是熱管式冷凝裝置，更加適合冷凝式水套加熱爐要求，傳熱強度大以及體積小。熱管冷凝裝置屬于冷凝式水套加熱爐的關鍵部件，要求耐腐蝕并且盡量節約安裝空間。除了熱管冷凝裝置之外，密封冷凝液排水也屬于冷凝式水套加熱爐開發的關鍵部件，通過及時排出冷凝裝置產生的腐蝕性冷凝液以減少冷凝液對水套加熱爐的腐蝕。該裝置設計難點在于要考慮裝置本身的防腐性，因此材料的選擇十分關鍵，目前來說體積小、性能可靠的內置水封式密封冷凝液排水裝置是最優選擇。

2.4 保溫和防腐技術

水套加熱爐的保溫效果會直接影響原油、天然氣及被加熱爐介質的流動溫度，保溫材料和保溫工藝技術的選擇十分重要。其中管線和裝置的設計溫度應當不高于保溫原料的使用溫度。在防腐技術方面，加熱爐煙道等金屬內壁腐蝕的機理是氫去極化腐蝕、氧去極化腐蝕以及溫度的影響。腐蝕速率由水解生成碳酸的速度和擴散至管道表面的速度共同決定的。此外，含水蒸氣的煙氣隨著對流過程排出煙囪時，會有部分在煙道、煙箱內反復擴散流動，容易發生酸性腐蝕和氧化腐蝕。因此，優化的新方案要考慮。

2.5 實際應用與效益分析

優化了冷凝式水套加熱爐之后，研究區油田多相混輸加熱系統運行平穩，運行成本相較之前也有所降低，初步實現了建設節能綠色高效新型油田的目標。通過分析實際運行的一些數據不難發現新的設計措施效果良好，并且在運行的過程中沒有出現爆管泄漏事故。除了部分煙箱出現了滲水現象，這是由于墊片質量出現一些問題。此外，腐蝕損壞現象未出現，冷凝液均排放正常。

表1 加熱爐優化前后熱效率對比

通過收集方案運行前后的數據，如燃料費用等，進行計算可知改良后的冷凝式水套爐技術能節約成本115 萬元左右，經濟效益良好。實際上，從經濟效益和運行情況來看，冷凝式水套加熱爐可以在各大油田進行推廣應用，不僅適應了油田節能降耗的發展趨勢，同時其開發也有效提升了地面工藝設備的技術程度。

3 優化措施建議

3.1 設置相應的工人培訓課程

在水套爐運行的過程中雖然具備了一定的自動化水平，但是在現場運行的過程中由于操作工人的不規范操作而存在一定的安全風險。因此，為了降低加熱系統在運行過程中的風險，不管是化工企業還是各大油田都應當設置一定的培訓課程，不斷提高工作人員的操作水平，減少設備運行過程中的風險和安全隱患。

3.2 加大資金和技術投入做好設備維護

冷凝式水套爐的優化級配套技術的開發與轉型升級離不開資金技術的支持。設備的升級以及維護需要投入大量的人力物力財力資源，包括燃燒系統長明燈裝置的安裝、加熱爐自動控制系統的安全連鎖系統、熱管冷凝以及冷凝液排水裝置以及保溫和防腐技術所涉及的相關材料等，這些都需要配備安全系數較高、質量較好的材料以及技術人員進行合理的操作和設備維護

3.3 堅持較高的考核指標要求

在實際應用的過程中，化工企業或者油田都應當堅持較高的考核指標要求，如加熱爐的熱效率盡量達到80%以上。本研究提出的新的優化方案能夠有效提高系統效率，達到節能降耗的目標，同時很好地解決了生產過程中能源消耗過大、設備不匹配、工藝不合理等問題。因此，化工企業在日常的生產過程中對于設備應當堅持較高的考核指標要求，堅持系統節能的方法，不斷提高爐子的效率。

4 結束語

本文提出的改進方案包括燃燒系統、熱管冷凝裝置、冷凝液排水裝置、保溫和防腐技術的優化，在實際運用的過程中取的良好的經濟效益，具有一定的推廣意義。