集輸系統加熱能耗分析及節能減碳措施

任大偉

大慶油田有限責任公司第十采油廠

2022 年國家電網公司上調用電價格[1]，中油電能供電公司隨之調整了內部關聯交易電價，電價由上年度0.637 元/kWh 調整為0.706 1 元/kWh，上漲0.069 1 元/kWh。某廠A、B、C 三個作業區部分班組由國家電網公司供電，電費按照“峰、谷、平”時段電價計費，其中“高峰”時段電價為1.12元/kWh以上，“平”時段為0.756元/kWh以上，“低谷”時段為0.39元/kWh以上，日平均電價達到0.73元/kWh以上。因本次國網和油田內部電價的上調，該廠2022 年度的電費成本支出預計增加1 800 萬元左右。近年來，老井產量逐年遞減，經濟效益下降，另外隨著產能區塊不斷加密和外擴，各系統用電量逐年遞增，減少變壓器運行耗電量可以直接減碳，降低用電成本，同時也是實現“雙碳”目標的必然趨勢。

某廠A作業區地處偏遠、區塊零散，距已建油田線路供電半徑大，目前采用電加熱[2]和光熱[3-4]加熱集輸。為實現“雙碳”目標，比較適宜采用新能源技術提供集輸所需能量，油田目前正處于新能源技術應用的起步階段，精準分析電加熱和光熱加熱集輸現狀，可為油田下一步應用新能源技術提供可靠數據支撐。

1 耗電情況

1.1 現狀

截至2021年12月，A作業區共建有各類站所6座，其中聯合站1 座（停運），轉油站1 座（停運），注水水質站2 座（停運1 座），變電所1 座，收油點1座。原油采用電加熱和光熱加熱、儲油罐集油集中拉運的特殊生產方式。目前A作業區在用儲油罐46 座，其中20 m3儲油罐12 座、40 m3儲油罐24座、60 m3儲油罐10座，電加熱棒累計額定功率1 240 kW，2021 年A 作業區電加熱總耗電量710×104kWh，占A作業區總耗電量的93%。2022年上半年，A 作業區電加熱集輸耗電量335.17×104kWh，相較2021 年同期減少11.58×104kWh，降幅3.3%（表1）。

表1 A作業區2021年與2022年上半年電加熱集輸耗電量統計Tab.1 Power consumption statistics of electric heating gathering and transportation in Operation Area A in 2021 and the first half of 2022 104 kWh

1.2 數據可靠性分析

A 作業區電源主要由1#變電所2 條出線和2#變電所2條出線、農網和A廠線路提供。用電負荷分為前線辦公隊部和8個生產區塊，負荷主要包括油井、儲罐和穿芯電伴熱。2021 年集輸電加熱耗電數據根據儲罐電熱棒和穿芯電伴熱功率、不同季節時段溫度的變化規律等因素，綜合選取適當的系數估算得出，按照季節變化將電加熱總電量分攤到月；2022 年每月集輸電加熱耗電量由各出線總電量扣除機采系統電量和前線辦公隊部電量得出，數據較上年度更可靠。

2 節電措施

2.1 電加熱

2021年與2022年同期電加熱集輸[5]耗電曲線趨勢基本一致（圖1）。除2 月份因為自然天數（28天）因素影響外，整體電加熱集輸隨季節的變化用電量平緩下降，4～5月份基本保持平穩狀態。

圖1 A作業區2021年與2022年上半年電加熱集輸耗電曲線Fig.1 Power consumption curve of electric heating gathering and transportation in Operation Area A in 2021 and the first half of 2022

為深挖電加熱集輸節電潛力，自2021 年10 月入冬以來，在保證生產所需最低集油溫度的前提下，積極探索在不同環境溫度下電加熱裝置運行溫度的設定，以達到溫控精準化，實現節能降耗。針對A作業區，實行“一月一策、一罐一制”電加熱裝置管理措施。在電伴熱帶節電方面，根據季節設定電伴熱帶上限溫度，減少電伴熱帶工作時間，4～5 月及10～11 月電伴熱帶設定溫度40 ℃，6～9 月白天冷輸/夜間設定上限溫度30 ℃，冬季為了保證生產溫度設定到65 ℃；儲油罐節電方面，根據井口液量及拉運規律制定“一罐一制”加熱制度滿足拉運需求，同時最大限度節約電量。

“一罐一制”電加熱裝置管理措施主要有以下幾點：①針對具備自動加熱功能的儲油罐調整加熱上限溫度，4-10月為45 ℃，冬季為53 ℃，預計年縮短加熱時間300 h；②針對產液量低的儲油罐繼續延長拉運及加熱周期，降低電加熱棒工作時間；③針對無自動啟停加熱功能的儲油罐，根據液量嚴格控制加熱時間，降低原油溫度，滿足拉運條件即可；④加大電加熱棒的維修更換力度，淘汰效率低的電加熱設備。以上措施預計年節電20×104kWh。

2.2 光熱加熱

2020年11月，A作業區在1#油井應用橇裝單井光熱加熱裝置1套，集熱功率16.92 kW，額定輔助功率24 kW。該裝置利用光熱集熱裝置進行熱能采集、循環泵驅動傳熱介質，職能控制系統根據出口溫度自動調節循環加熱系統，當日照強度和系統儲熱充足時關閉低溫輔熱系統，反之則開啟低溫輔熱系統。橇裝內放置管殼列管式超導換熱裝置對管道內液體進行加熱，通過溫度的自動調控、優化與遠程智能控制實現節電的目的，如圖2所示。

圖2 光熱加熱裝置原理圖Fig.2 Schematic diagram of photo thermal heating device

智能加熱系統可以通過現場觸控屏實現操控與實時數據采集，可根據溫度需要設定出口溫度，系統將自動調整循環水及換熱器溫度，自帶低溫及過熱保護功能。

1#油井為井口注二氧化碳試驗井，油氣同出井口出液溫度低，在應用光加熱裝置前需用2 根25 kW電加熱棒對儲油罐原油進行加熱；同時匯管采用電熱帶進行保溫。應用光加熱裝置后（圖3）可以提高井口出液溫度[6]，降低井口回壓，保證原油拉運[7]條件。

圖3 光熱加熱裝置現場應用實物圖Fig.3 Field application of photo thermal heating device

2020 年11 月4 日開始對光熱加熱裝置進行為期近1個月的加熱和節電效果跟蹤測試，裝置應用后，平均出口溫度為59.7 ℃，儲油罐拉油時平均溫度為47.2 ℃，可以保證原油拉運條件，測試結果見表2。

表2 光熱加熱裝置運行溫度部分數據統計Tab.2 Data statistics of operating temperature of photothermal heating device

光熱加熱裝置38 天累計耗電0.79×104kWh，日均耗電208 kWh（表3）。原加熱系統運行2 根15 kW 電加熱棒，每日平均運行16 h，耗電量為480 kWh，匯管電熱帶日均耗電量為58 kWh，累計日均耗電量為528 kWh。使用該裝置后平均日節電量為320 kWh，累計節電量為14×104kWh，累計減少CO2排放[8]13.96×104kg，光熱加熱裝置新能源替代率60.6%。

表3 光熱加熱裝置運行耗電部分數據統計Tab.3 Data statistics of operating power consumption of photothermal heating device

3 結束語

通過摸索運行規律、分析油氣生產特性，電加熱裝置可根據不同季節設定不同運行溫度，驗證了電加熱工藝低溫集輸的可實施性，A作業區通過降低電加熱運行溫度低溫集輸，年可節電20×104kWh。通過加裝光熱裝置，可以實現節能減碳，按A作業區總電加熱負荷1 240 kW 計算，加裝光熱加熱裝置后年可節電270×104kWh，減少CO2排放269.19×104kg。以上技術措施在全油田外圍采油廠具有一定的代表性，可以更準確地掌握單點或區域用電量，為今后新能源項目在設計風光互補[9]或單一風/光發電容量和規模上提供可靠的數據支撐，確保后期新能源項目建設規模的合理化和投資精準化，降低油田運行成本。

建議加強運行溫度管理，根據不同季節設定電加熱運行溫度，確保節電最大化；同時，加強設備管理，確保電加熱和光熱加熱設備運行時率和完好率，對故障設備及時進行維修維護，完善各系統主要用電設備電能計量，讓方案、設計數據靠準靠實。考慮儲油罐內除電加熱棒外，無其他部件，罐壁結蠟、結垢[10]對罐內介質可以起到一定的保溫作業，但電加熱棒表面結蠟、結垢嚴重會造成熱量傳導率降低，從而影響加熱效果，因此建議對儲油罐內電加熱棒進行清垢或更換。

實現“雙碳”目標，尤其是“碳達峰”目標，必須重視節能提效[11]。“雙碳”目標的實現及我國應對氣候變化的實施路徑應當與我國的能源戰略保持一致。精準分析電加熱和光熱加熱集輸耗電情況，可以為油田應用推廣新能源業務的后期效果評價提供可靠數據支撐。