稠油集輸系統能耗和油品損耗評價技術

許佳偉

（克拉瑪依紅山油田有限責任公司，新疆克拉瑪依 834000）

新時期國家安全以確保經濟持續增長為核心，石油這一戰略物資在我國國民經濟發展中起著關鍵作用。中國是一個石油大國，具有巨大的發展潛力，但也面臨著豐富的油氣資源匱乏問題。近年來，隨著國內油價持續攀升以及對外依存度不斷上升，已成為影響社會穩定、制約國民經濟增長的重要因素之一。在未來相當長一段時期內仍將如此。以國土面積為基準累計探明可采儲藏量，剩余可采儲藏量及產量在我國都明顯低于世界平均值，每年新探明可采儲藏無法補償同期產量。

1 油氣集輸系統能耗的現狀及意義

受油田老化及其他原因影響我國石油產量仍呈逐年遞減態勢。2018年全國共有油田746個，其中大部分油田已進入開發后期階段，如克拉瑪依、塔里木等大型油氣田，其剩余儲量豐富，但部分油田存在著儲藏量少、低品位高、工藝要求高等問題；這些油田的儲量占全國總儲量的比重很小，且大部分為可采儲藏量少的優質資源（如低滲、特低滲油和稠油），其中有超過3 500萬t儲量屬于深層油。其中，低產低效井占到了70%左右，大部分油井處于高含水階段，原油采收率普遍低于60%，部分地區甚至出現產液遞減現象。這些都嚴重制約著我國經濟的可持續發展。隨著勘探開發的不斷深入，對石油資源的需求也越來越大。現階段我國對油氣進口高速增長的反應力量與機制還不夠完善，所以優化我國能源消費結構，節能與節油仍是現階段的首要對策。

2 油氣集輸工藝

2.1 雙管摻稀油集輸工藝

新疆采油廠稠油中摻稀油利用了2種原油黏度相差大，但互溶性良好的特性，以一定的比例相互溶解，賦予了它們全新的黏度及物性，實現稠油降黏。稠油摻稀油能有效地降低稠油的黏度，滿足其降黏需求；由于摻稀油本身存在較高的凝點和密度，因此需要進行加溫處理后才能使用，這樣既增加了生產成本，又影響生產效益。它是在現有的轉油站或聯合站上增加一個摻稀油系統來完成稀油的計量、輸送及升壓等作業。它的摻液比（稠油∶稀油）通常在1∶（0.3~0.7）之間，與摻活性水比較，液量可降低一半多，極大降低了集輸過程各道工序負荷，還可相應降低用能設備及動力消耗。

2.2 單管加熱集油工藝

油井來液在井口加熱爐內升溫后輸送到計量站或者轉油站。這種工藝集油流速通常小于0.5m/s，適合黏度不超過3 000mPa/s，單井產液量不少于30t/d，井口出油溫度超過40℃的稠油集輸。與常規原油脫水處理相比，具有設備緊湊、占地面積小、運行費用低、操作彈性大等優點，能有效地降低能耗，提高經濟效益，工藝簡單，易于管理，投資小。如圖1所示。

圖1 單管加熱集油工藝流量

3 集輸系統能耗評價方法

3.1 能量系統平衡方法

以熱力學第一定律為基礎所建構的傳統能耗評價體系只是對原油集輸中能之“量”的變換、轉移、使用與損耗的簡單描述，并未對原油集輸中“質之變化”做出綜合反應，傳統能耗評價體系在越來越多的用能實際中已顯露出其無法回避的局限。以熱力學第1，2定律為基礎所建立的原油質能衰退評價體系正好彌補傳統分析體系的缺陷，將能之量與質有機融合，能更加深入地揭示出原油質能衰退這一實質。

為此，本文以原油集輸系統為研究對象，以原油集輸過程中存在的問題為研究對象，基于原油集輸系統能耗傳遞相關理論與方法，并結合原油集輸系統常規能耗評價體系，構建出一套較為科學與完善的原油集輸系統耗能測試方法，不僅對原油集輸系統傳統耗能評價指標體系進行有益補充與拓展，而且對集輸系統的后續節能挖潛工作也具有一定的理論支撐。

3.2 ?平衡模型

?是指當能量、物質系統僅有環境作用時，通過可逆過程使其達到與其周圍的環境狀態相平衡時，所能發揮的最大可用功。進出系統是評價能量利用狀況的重要指標之一。它既可以從熱力學角度進行定性研究，也可以運用數學物理方法定量計算。其主要特點有：①定性分析；②定量分析；③綜合評價。目前國內外對該問題已有不少論述。高達分析法清楚地顯示出不同能量存在著質上的差異，在進行分析時既反映了能的數量又反映了質的功能。

根據質能蛻變原理，我們知道能在轉移或變換過程中質能逐漸下降，從而推斷出定量能在轉移或者變換過程中量雖沒有變化，但是它的質能卻逐漸下降，這說明質能并沒有守恒，而沒有守恒是因為部分質能在轉移與變換過程中向更高層次發生了轉變，而這一轉變，對于系統內而言就是質能耗散，也就是系統外的質能損耗。

4 準東采油廠集輸系統能耗測算與節能分析

結合準東采油廠采油井作業一區集輸系統各個環節以及耗能設備冬季與夏季生產統計數據與現場試驗數據：評估了集輸系統加熱爐與機泵耗能試驗結果，分析了設備評估不達標的原因，針對具體情況提出了相應的改造意見，根據各個集輸站現場的效率與單耗計算結果對站內用能狀況進行了分析，針對各個站內耗能設備的改造狀況，預測出了站內節能潛力，計算了不同型式集輸管線耗能狀況，分析了能損率分布，著重研究了能損率較大的集輸管線在冬季與夏季運行工況下的最佳調整方案。

4.1 加熱爐能耗測算與節能分析

為全面、準確地分析新疆采油廠采油井一區集輸系統加熱爐運行狀況，本研究分冬夏兩季對所操作加熱爐進行綜合試驗評估。結果表明：各加熱爐在正常工況下處于良好狀態，但也存在一些問題和隱患，根據現場實際提出了針對性措施。經一年多時間運行效果表明：各項指標均達到設計要求，包括夏季試驗加熱爐59座（聯合站4座，轉油站20座，井口加熱爐35座）和冬季試驗加熱爐73座（聯合站7座，轉油站29座，井口加熱爐37座）。

4.2 加熱爐能耗測試計算結果

通過對作業一區集輸系統的加熱爐運行 132 個臺次（夏、冬季）的測試，得出以下結果。

4.2.1 加熱爐整體測試結果

夏季運行：加熱爐的平均操作效率為77.1%，平均負荷率為23.1%，過剩空氣系數為3.27，排煙溫度為153.91℃。春季運行：加熱爐平均運行狀況良好；加熱爐平均燃燒效率58.89%，平均過剩空氣指數。冬季運行：平均操作效率為77.1%，平均負荷率為37.1%，過剩空氣系數為2.75，排煙溫度為198.4℃。

4.2.2 高一聯加熱爐測試結果

夏季運行：加熱爐運行效率均值為78.0%，負荷率均值為24.0%，過剩空氣系數均值為3.31，排煙溫度均值為129.1℃。冬季運行：加熱爐運行效率均值為81.08%，負荷率均值為37.07%，過剩空氣系數均值為2.06，排煙溫度均值為192.2℃。

4.2.3 轉油站（計轉站）加熱爐測試結果

夏季運行：加熱爐的平均操作效率為77.7%，平均負荷率為29.9%，過剩空氣系數為2.50，排煙溫度為167.8℃。春季運行：加熱爐平均負荷率35.71%，平均排煙溫度176.7℃。冬季運行：加熱爐的平均操作效率為77.1%，平均負荷率為44.1%，過剩空氣系數為2.47，排煙溫度為185.6℃。

4.2.4 井口加熱爐測試結果

夏季運行：加熱爐的平均操作效率為68.0%，平均負荷率為8.0%，過剩空氣系數為3.71，排煙溫度為148.8℃。

4.3 加熱爐改造建議

4.3.1 加強加熱爐的運行管理工作

由于各轉油站，各井場燃氣組分差別很大，所以在加熱爐燃燒器配備上：一是針對性強，與燃燒器生產廠家合作，不同燃料應具有不同空燃比；二是根據加熱爐操作時加熱爐負荷率低這一主要問題對加熱爐操作模式進行了優化，使其能夠一臺爐完不點入二，三臺爐，從而減少了加熱爐散熱損失并提高了爐效。

4.3.2 提高加熱爐自動化、信息化運行水平

根據集團公司加熱爐提效計劃，油氣田企業加熱爐平均運行熱效率應超過5級，其主要成熟配套的技術之一是需要在加熱爐中推廣應用加熱爐遠程自控技術、加熱爐火焰監控技術、智能燃燒控制技術和煙氣含氧量測試控制技術。在此背景下，我國已具備了一套成熟的加熱爐物聯網控制平臺，能夠實現對多臺加熱爐的在線集中控制、管理以及對收集到的數據對比分析、歸類總結，同時搭建故障診斷模型和算法用于各種輔助做出決策。目前已投入運營的項目均采用了這套系統，取得良好成效，具有推廣應用價值。這個平臺大概投入230萬元就可以搭建完成。

4.3.3 配套節能型高效燃燒器

當前新疆油田燃氣燃燒器多采用自然供風燃燒器（不智能化，通常為手動）；也有部分機械鼓風式燃燒器（不智能化）占絕大多數，所以應該更換一批全自動智能化燃燒器來取代當前燃燒效果差的燃燒器。本實用新型通過設置高效節能燃燒器能夠自動對風門配風量進行調節，能夠根據所設置的生產參數適時對燃燒狀態進行調節，從而確保在運行過程中不會發生燃燒空氣不充分或者多余的情況，提高了燃燒效率并減少了燃料使用量，具有很好的工程應用前景。這種新型的高效節能燃燒器在油井上應用后取得了明顯的經濟效益和社會效益。

4.3.4 配套輻射定向吸熱節能技術

（1）定向輻射。通過對受熱體進行誕敷，生成固化磁膜，使受熱體與受熱體相切方向垂直時產生遠紅外線輻射到被加熱介質上，強化被加熱介質對熱能的吸收效率和降低排煙溫度以提高加熱爐熱效率。另外，由于輻射作用可將煙氣中大量有害氣體氧化成二氧化碳和水等無害物質，有利于環境保護。此外，還能改善燃料燃燒狀況，增加煤氣利用率。

（2）降低灰垢。受熱面周圍灰垢經多次輻射后發生不規則移動，使灰垢吸附力減弱，爐內受熱面熱吸收效率增加，減少水垢的產生。由于煙氣中含有大量灰塵和硫化物，這些雜質會阻礙空氣流動，導致熱量損失增加。因此在受熱面上安裝遠紅外輻射器，可以有效地防止積灰現象發生。

5 結束語

為了解決采油廠油氣集輸生產中集輸系統運行效率低，能耗大等影響新疆油田經濟效益進一步提升的關鍵技術難題，發現了當前工藝流程所存在的一些問題，從而為節能降耗改造技術提供科學參考。通過現場試驗研究及理論計算分析，確定了適合于高含蠟原油集輸工藝參數，并提出了合理可行的節能優化方案。研究成果可有效地指導高含水后期油田生產運行管理工作，對提高新疆油田生產運行的經濟效益有著十分重要的作用。