稀油集輸系統加熱節能技術研究與應用

阮龍飛 朱特 汪洋

（1.新疆油田公司質量設備節能處；2.新疆油田公司工程技術研究院）

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

1 現狀

油氣集輸系統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、聯合站加熱爐和儲罐是能源消耗或熱損失的關鍵設備，因此對于稀油集輸加熱系統的挖潛增效要從這4個設備的技術研究著手。

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項節能技術研究。

2 技術研究及應用

2.1 井口加熱器回壓控制技術

將電加熱器的控制方式改為回壓器主導、溫控輔助的二次控制（串聯）模式。通過設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，優選4口單井安裝壓力自控系統進行現場試驗，4口試驗單井節電率大于50%，節能效果顯著。2016年推廣應用到全井區130余口井，改造完成后，各井回壓值均在合理范圍內，生產平穩，回壓控制系統工作正常，改造前后耗電量對比見圖2，單井平均節電率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

新疆油田所轄區域太陽能、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，可大幅減少傳統能源消耗量，對推進油田經濟、綠色、可持續發展具有重要意義[6-8]。其中空氣源熱泵技術是利用逆卡諾原理，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為高溫熱能，相比常規的天然氣、電能加熱方式，具有加熱成本低、效率高、速度快、安全、環保等優勢，空氣源熱泵技術工藝流程見圖3。

圖3 空氣源熱泵技術工藝流程

2017年，新疆油田分別在單井和計量站開展空氣源熱泵技術、太陽能與空氣源熱泵組合技術研究，設備冬季運行情況見表1，各項指標達到設計要求，加熱采出液效果良好，冬季節電率分別為56%和59.5%，實現了油區原油加熱在嚴寒大風環境下對空氣源熱系的首次應用。

表1 設備冬季運行情況

2.3 加熱爐煙氣余熱回收技術

煙氣余熱利用是通過高溫煙氣預熱空氣、加熱原油或采暖水等工質，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工藝流程見圖4，新疆油田國內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℃，實現冷凝。設計了加熱爐煙氣余熱用于加熱站內原油、采暖水或污水等多種工藝，同時自主研發“一拖多”回收模式，實現一套換熱裝置回收多臺加熱爐煙氣余熱，投資更低，經濟性更好。

圖4 加熱爐煙氣余熱回收系統工藝流程

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

2.4 儲罐罐頂納米陶瓷顆粒絕熱保溫技術

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絡空心結構，這樣的納米空心玻璃微珠之間形成了一個個疊夾的靜態空氣組，也就是一個個隔熱保溫單元，這些靜態單元在受熱后幾乎不產生熱對流，達到減少熱傳導的作用[10]。

圖5 納米涂料節能效果

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能監測中心進行測試，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 節能潛力分析

3.1 井口電加熱器回壓控制技術

根據油田在用電加熱器現場運行工況，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），回壓控制技術具有較好的投資效益。據統計，新疆油田可改造的電加熱器總功率3420kW，根據前期試驗的效果，年節電潛力866.63×104kWh。

3.2 計量站新能源加熱技術

通過某井區先導性試驗分析，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備158座，改造總功率4108kW。根據某井區空氣源熱泵節電率70.74%計算，改造完成后，年可節電量2519×104kWh。

3.3 加熱爐煙氣余熱回收技術

根據新疆油田在用加熱爐現狀，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優選此范圍內的加熱爐進行改造。根據改造效益，在新疆油田共篩選出可進行煙氣余熱利用技術改造的加熱爐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，分別提供了站內原油22%、采暖水37.4%的加熱負荷。改造完成后，年節約天然氣量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

根據新疆油田在用儲油罐現狀，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天的聯合站儲油罐進行納米陶瓷多孔微粒絕熱保溫節能技術改造具有較好投資回收效益。根據改造效益，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；S為散熱面積，m2；Δt為內外溫差，℃。

保溫改造前儲罐傳熱系數為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。按照先導性試驗結果，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座儲罐年可節約天然氣量120×104m3。

4 結論

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

2）當前測算出的節能潛力值并不是整個新疆油田稀油集輸加熱系統未來的總體節能潛力，隨著科學技術的發展，設備費用降低和新型節能技術的出現必定會帶來能源消費的革命，因此新技術的引進和成熟技術的規模推廣將會顯得至關重要。