新疆稠油站區(qū)保溫系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐

謝強(qiáng)郭召海阮林華韓春雨

（1.新疆油田重油開發(fā)公司；2.新疆油田公司質(zhì)量管理與節(jié)能處）

新疆稠油站區(qū)保溫系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐

謝強(qiáng)1郭召海1阮林華1韓春雨2

（1.新疆油田重油開發(fā)公司；2.新疆油田公司質(zhì)量管理與節(jié)能處）

近幾年，新疆油田的稠油產(chǎn)量日趨增加，開采規(guī)模逐年擴(kuò)大，稠油生產(chǎn)站區(qū)冬季采暖在擯棄了低壓鍋爐供暖模式后，一直采用高壓蒸汽經(jīng)減壓后直接供暖,經(jīng)一次循環(huán)后外排，導(dǎo)致了大量蒸汽的浪費(fèi)，制約了稠油熱采開發(fā)，影響稠油熱采的經(jīng)濟(jì)性。為了提高稠油熱采冬季采暖工藝的經(jīng)濟(jì)性及安全性，開展了一系列節(jié)能減排技術(shù)的研究與應(yīng)用，先后開展了直混式蒸汽自動(dòng)相變摻熱加熱、熱泵余熱利用、超導(dǎo)液采暖散熱、高溫采出液余熱利用等一系列新技術(shù)的研究應(yīng)用。經(jīng)分析計(jì)算，節(jié)汽率可達(dá)70%以上，提高了采暖蒸汽的熱利用率，有效降低了冬季采暖費(fèi)用。

稠油 采暖 超導(dǎo)液 高溫污水 采出液 蒸汽摻熱 節(jié)能降耗

隨著新疆油田重油公司稠油開采的深入，重油公司主力產(chǎn)油區(qū)塊已由蒸汽吞吐的開采方式向蒸汽驅(qū)油開采方式轉(zhuǎn)變，已經(jīng)基本進(jìn)入油田開采的中后期，蒸汽需求量大大增加，而公司全年冬季保溫用汽80×104m3左右，約占公司產(chǎn)汽量的6%左右；因而，開展稠油站區(qū)保溫系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)研究與應(yīng)用，對(duì)于提高稠油熱采冬季采暖工藝的經(jīng)濟(jì)性及安全性，創(chuàng)建能源節(jié)約型企業(yè)具有重要意義。

1 稠油站區(qū)保溫系統(tǒng)現(xiàn)狀

眾所周知，稠油開采是高投入、高成本的開采工藝。近幾年，新疆油田的稠油產(chǎn)量日趨增加，而稠油開采最有效的手段是注蒸汽熱采，高溫、高壓蒸汽的產(chǎn)生必然伴隨著大量的能量消耗，其成本約占稠油開采總成本60%。而在稠油生產(chǎn)過程中，非生產(chǎn)用汽的比重相對(duì)較高，尤其是冬季保溫用汽相對(duì)較多，新疆地處北溫帶，遠(yuǎn)離海洋，冬季供暖期較長(zhǎng)。稠油熱采站區(qū)冬季采暖大都采用生產(chǎn)用高溫、高壓蒸汽，高壓蒸汽在站內(nèi)經(jīng)兩級(jí)減壓后（降至0.4～0.6 MPa）進(jìn)入站內(nèi)采暖保溫系統(tǒng)。蒸汽供暖主要是利用蒸汽的汽化潛熱，經(jīng)過散熱后的蒸汽凝結(jié)成水，凝結(jié)水經(jīng)疏水閥進(jìn)入回水系統(tǒng)，由回水管網(wǎng)排入排空池，經(jīng)一次循環(huán)后直接外排，導(dǎo)致熱量的浪費(fèi)。這種供暖方式具有以下缺點(diǎn)：

1.1 回水溫度較高，熱能利用率低，無效熱損失大

蒸汽冷凝后的凝結(jié)水，其溫度相對(duì)較高，經(jīng)過疏水閥進(jìn)入回水系統(tǒng)，未通過換熱裝置直接排入排空池，造成熱量的浪費(fèi)，蒸汽供暖的無效熱損失較大。再由于疏水閥質(zhì)量不好，維修不善，導(dǎo)致其工作不正常，使得大量蒸汽進(jìn)入回水系統(tǒng)，排至排空池，形成蒸汽的浪費(fèi)。

1.2 日常運(yùn)行管理工作量比較大

由于蒸汽供暖溫度高，壓力波動(dòng)大，對(duì)蒸汽輸送管網(wǎng)、閥件及散熱器產(chǎn)生的熱應(yīng)力大，使得蒸汽輸送管網(wǎng)、閥件及散熱器的跑、冒、滴、漏現(xiàn)象嚴(yán)重，造成日常維護(hù)工作量大。

1.3 冬季蒸汽供暖系統(tǒng)潛在的不安全因素多

首先，冬季蒸汽供暖方式是將高溫高壓蒸汽直接降壓后進(jìn)入保溫系統(tǒng)，若降壓控制不穩(wěn)或安全閥失靈或保溫管線堵塞，將會(huì)導(dǎo)致采暖系統(tǒng)壓力升高，以至造成采暖管線或散熱片爆裂，對(duì)工作人員以及設(shè)備設(shè)施造成威脅。其次，高溫蒸汽在各散熱器中換熱冷凝，釋放其汽化潛熱，這是一個(gè)等溫過程；因此，散熱器溫度較高，高于100℃，易造成工作人員燙傷。

2 稠油站區(qū)保溫技術(shù)研究

通過對(duì)新疆油田稠油熱采冬季保溫工藝調(diào)研，分析總結(jié)出新疆油田稠油熱采冬季蒸汽保溫工藝存在的問題。針對(duì)稠油熱采工藝特點(diǎn)，結(jié)合目前較為成熟的冬季采暖、工藝保溫技術(shù)，優(yōu)選出適合新疆油田稠油生產(chǎn)蒸汽自動(dòng)相變摻熱加熱采暖、回用污水余熱利用、超導(dǎo)液采暖等技術(shù)，確定研究目標(biāo)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)對(duì)技術(shù)方案進(jìn)行優(yōu)化完善，對(duì)實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行分析，為新疆油田稠油熱采冬季保溫提供安全、高效的采暖工藝。

2.1 直混式蒸汽自動(dòng)相變摻熱加熱技術(shù)

目前，國內(nèi)采用的蒸汽采暖的方式主要是換熱方式，主要有管殼式換熱器、板式換熱器等，這兩種都為表面式換熱器，易受水側(cè)結(jié)垢的影響，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。為保證采暖系統(tǒng)的正常運(yùn)行，一般都需要對(duì)進(jìn)入熱網(wǎng)水進(jìn)行處理，從而增大了系統(tǒng)的投資和運(yùn)行成本。另外，表面式加熱器運(yùn)行中產(chǎn)生疏水，如不回收，則蒸汽的熱量不能被充分利用，如果回收，則使系統(tǒng)復(fù)雜。蒸汽相變摻熱加熱技術(shù)是通過混合消音式加熱器，將蒸汽摻入到加熱罐中冷凝，凝結(jié)水與熱網(wǎng)水混合，進(jìn)行直接接觸式換熱。這種換熱方式可解決結(jié)垢問題及凝結(jié)水回收問題，換熱系數(shù)相對(duì)較高，且不受結(jié)垢和不凝結(jié)氣體的影響，幾乎無散熱損失。直混式蒸汽自動(dòng)相變摻熱加熱技術(shù)就是將蒸汽直接摻入熱網(wǎng)循環(huán)水中，采用微孔噴射技術(shù)，通過射流加熱器將蒸汽與水進(jìn)行直接快速的熱交換。其主要特點(diǎn)是：熱網(wǎng)循環(huán)水的壓力與蒸汽壓力無相互的制約關(guān)系，蒸汽壓力較低時(shí)也能正常工作；在蒸汽壓力波動(dòng)較大時(shí)，無須進(jìn)行調(diào)整，蒸汽摻熱系統(tǒng)也能正常工作。直混式蒸汽自動(dòng)摻熱加熱工藝流程見圖1。

2.1.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與效果分析

2007年，重油開發(fā)公司在供熱站應(yīng)用了蒸汽摻熱采暖技術(shù)，并由西北節(jié)能測(cè)試中心對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了測(cè)試。由表1可知，蒸汽摻熱采暖系統(tǒng)的節(jié)能率達(dá)到70.5%。采用蒸汽摻熱采暖系統(tǒng)運(yùn)行成本主要有兩部分組成：一是加熱用蒸汽的消耗；二是提供循環(huán)水壓力的循環(huán)泵的電力消耗。15#供熱站蒸汽摻熱采曖試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 15#供熱站蒸汽摻熱采暖試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)照

經(jīng)分析計(jì)算，一個(gè)采暖周期摻入的蒸汽量為2 753.5 t，重油開發(fā)公司噸汽操作成本78元，則消耗蒸汽成本為20.9×104元，蒸汽摻熱采暖系統(tǒng)總運(yùn)行成本為23.2×104元。蒸汽直接供暖系統(tǒng)一個(gè)采暖周期耗蒸汽量為9 720 t，采暖成本為73.97×104元。年節(jié)約成本50.66×104元。

2.2 熱泵余熱利用技術(shù)

重油開發(fā)公司稠油開采是以注蒸汽形式來開采的。因此，在稠油開采過程中需大量的高溫高壓蒸汽注入地層，用來提升油層壓力及溫度。在稠油處理時(shí)將會(huì)產(chǎn)生大量高溫含油污水，經(jīng)污水處理站處理達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)后，才能回用或排放，其溫度在50～60℃之間，屬低品位熱能且熱量較大。利用熱泵技術(shù)回收低品位熱能，以加熱采暖管網(wǎng)中的循環(huán)水，這既能回收部分低品位熱量，又能達(dá)到冬季供暖的目的。

污水源熱泵技術(shù)就是利用污水熱源[1]，通過少量的電能輸入，采用熱泵原理，實(shí)現(xiàn)低溫位熱能向高溫位熱能轉(zhuǎn)移的技術(shù)。

污水源熱泵機(jī)組利用卡諾循環(huán)原理[2]工作，其工作原理是：由電能驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，使工質(zhì)循環(huán)運(yùn)動(dòng)反復(fù)發(fā)生物理相變過程，分別在蒸發(fā)器中汽化吸熱，在冷凝器中液化放熱，使熱量不斷得到交換傳熱，使機(jī)組實(shí)現(xiàn)制熱功能。污水源熱泵運(yùn)行原理見圖2。

2.2.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與效果分析

2009年，重油開發(fā)公司在新建的克淺污水處理站進(jìn)行熱泵余熱利用采暖試驗(yàn)。目前，該站熱泵采暖系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，各采暖間溫度滿足冬季采暖要求。由于未采用蒸汽采暖，一個(gè)采暖期可節(jié)約蒸汽約7 000 m3，重油開發(fā)公司噸汽操作成本78元，則節(jié)約蒸汽成本54.6×104元。熱泵采暖要消耗部分電能，由熱泵運(yùn)行參數(shù)可知，其能效比為3.79，而克淺10區(qū)污水處理站最大采暖熱負(fù)荷為332.5 KW，平均熱負(fù)荷為199.5 kW，則一個(gè)采暖期所耗電量為22.74×104kWh。電費(fèi)按0.776元/kWh計(jì)算，所用電費(fèi)為17.6×104元，熱泵采暖一個(gè)采暖期節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用37×104元。

2.3 超導(dǎo)液采暖散熱技術(shù)

重油公司淺層稠油自1986年開采以來已有20多年，到目前為止，在用稠油熱采計(jì)量站300多座。稠油計(jì)量站自投產(chǎn)以來，站區(qū)、設(shè)備、管網(wǎng)冬季都采用注汽鍋爐生產(chǎn)的高溫高壓蒸汽進(jìn)行保溫。按照核定的計(jì)算，計(jì)量站每天保溫用蒸汽量在6～8 m3左右，依此推算一個(gè)保溫期，計(jì)量站冬季保溫則要消耗約38.25×104m3蒸汽，從而加大了公司非井耗汽量。

利用蒸汽加熱超導(dǎo)液，利用加熱后的超導(dǎo)液對(duì)計(jì)量站進(jìn)行冬季保溫，實(shí)現(xiàn)保溫蒸汽與值班人員的分離，可大大提高采暖系統(tǒng)的安全性。同時(shí)，利用溫控閥來有效控制保溫蒸汽的使用量，即解決了蒸汽采暖的不安全問題，又降低了計(jì)量站冬季采暖成本，以此解決計(jì)量站保溫問題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

利用現(xiàn)有的蒸汽減壓裝置將高壓蒸汽降壓到0.4 MPa，溫度為143℃，作為換熱熱源，換熱后的冷凝水經(jīng)溫控閥排入集油罐，溫控閥控制溫度在80℃，避免蒸汽進(jìn)入集油罐，提高蒸汽利用率。蒸汽-超導(dǎo)液換熱器采用逆流換熱，提高了換熱效果。同時(shí)高溫蒸汽進(jìn)入換熱器內(nèi)膽，加熱外膽中的超導(dǎo)液，減少無效熱損失，避免由于換熱器表面溫度較高而燙傷人的事故發(fā)生。散熱器采用串聯(lián)連接，高進(jìn)低出，利用超導(dǎo)液受熱汽化膨脹為動(dòng)力，推動(dòng)冷凝后的超導(dǎo)液返回?fù)Q熱器，形成循環(huán)。考慮到超導(dǎo)液供暖為試驗(yàn)項(xiàng)目，采暖系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)采用中壓設(shè)計(jì)，蒸汽-超導(dǎo)液換熱器加裝旁通閥，可實(shí)現(xiàn)蒸汽供暖工藝。由于超導(dǎo)液采暖使用的散熱器較蒸汽多，在施工設(shè)計(jì)時(shí)在部分散熱器進(jìn)出口加旁通，減少散熱系統(tǒng)的散熱面積，可有效控制采暖間的溫度。采油計(jì)量站冬季超導(dǎo)液采暖技術(shù)改造工藝流程見圖2。

2.3.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與效果分析

2009年，重油開發(fā)公司在克淺10井區(qū)進(jìn)行采油計(jì)量站超導(dǎo)液采暖技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)，利用減壓蒸汽加熱超導(dǎo)液進(jìn)行采暖。為了達(dá)到節(jié)能的效果，加熱后的蒸汽經(jīng)溫控閥控制后，溫度降到80℃以下，排入集油系統(tǒng)。通過分析計(jì)算，一個(gè)采暖期內(nèi)節(jié)汽率達(dá)87.9%；考慮到換熱系統(tǒng)的散熱損失，綜合節(jié)能率按80%計(jì)算，則節(jié)約蒸汽費(fèi)用7.8×104元。

2.4 采出液余熱利用采暖技術(shù)

在開采新疆淺層稠油過程中，其開采方式主要是蒸汽熱力，即蒸汽吞吐和蒸汽驅(qū)。這種開采方式是將高溫高壓蒸汽注入地層，增加地層熱量，加熱地層原油。由于地層較淺，高溫高壓蒸汽在地層中冷凝成具有一定溫度的水，冷凝水和地層原油一起會(huì)被抽油機(jī)抽汲出來。一般情況下，油井采出液的溫度較高，在30～110℃之間，蘊(yùn)含很高的熱能。其原理主要是利用計(jì)量站油井采出液所蘊(yùn)含的熱能，就近對(duì)本計(jì)量站站區(qū)進(jìn)行保溫。在不影響原油集輸?shù)那闆r下，通過散熱器換熱來實(shí)現(xiàn)站區(qū)值班室冬季保溫。由于采出液溫度波動(dòng)較大，利用采出液無法滿足室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度時(shí)，將熱源調(diào)整為減壓蒸汽，原有高壓蒸汽減壓系統(tǒng)（減壓閥、安全閥、壓力表、截止閥）均保留。采油計(jì)量站采暖系統(tǒng)改造示意見圖3。

2.4.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與效果分析

通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與分析，采用回收采出液熱能的方式不僅可以實(shí)現(xiàn)計(jì)量站保溫，而且能夠減少高品質(zhì)蒸汽的消耗，產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。按多年來計(jì)量站保溫蒸汽耗量6～8 m3/d，克拉瑪依市每年冬季采暖期為6個(gè)月，該站節(jié)約了非生產(chǎn)耗汽1 260 m3；考慮到采出液溫度較低時(shí)，需用蒸汽采暖，按綜合節(jié)汽率80%計(jì)算，年節(jié)約蒸汽1 008 m3，降低采暖成本7.8×104元。

3 綜合效果分析

根據(jù)稠油站區(qū)采暖工藝及稠油生產(chǎn)各環(huán)節(jié)工藝特點(diǎn)，結(jié)合較為成熟的采暖工藝技術(shù)，篩選出直混式蒸汽摻熱采暖技術(shù)、熱泵余熱利用采暖技術(shù)、超導(dǎo)液采暖技術(shù)、高溫采出液余熱利用采暖技術(shù)，并分別在稠油熱采供熱站、污水處理站、采油計(jì)量站進(jìn)行了試驗(yàn)應(yīng)用，取得了較好的綜合效益。綜合效果對(duì)比見表2、表3、表4。

表2 各節(jié)能技術(shù)應(yīng)用綜合效果

表3 重油公司不同采暖方式對(duì)比

表4 各節(jié)能技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

4 結(jié)論

目前，稠油生產(chǎn)站區(qū)采暖仍然以蒸汽采暖為主，通過稠油站區(qū)采暖新技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，結(jié)合稠油生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的特點(diǎn)，稠油生產(chǎn)站區(qū)采暖可分為三種類型：第一種是各稠油處理站與污水處理站，其共同的特點(diǎn)是，都有大量的低品位余熱利用資源可利用，可進(jìn)行熱泵余熱利用采暖技術(shù)改造。第二種是各供熱站，由于目前部分供熱站未進(jìn)行回用污水改造，沒有余熱利用資源，可采用直混式蒸汽摻熱加熱采暖技術(shù)改造。對(duì)于已進(jìn)行的高溫回用污水改造的供熱站，在不影響鍋爐安全運(yùn)行的情況下，可進(jìn)行熱泵余熱利用采暖技術(shù)改造，也可進(jìn)行直混式蒸汽摻熱加熱采暖技術(shù)改造。第三種是各采油計(jì)量站，根據(jù)各采油計(jì)量站的特點(diǎn)，可分為中心計(jì)量站與托管計(jì)量站。中心計(jì)量站是為操作人員提供值班與休息的計(jì)量站，操作人員只在托管計(jì)量站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作，操作完畢后則回中心計(jì)量站；考慮到安全因素，可在中心計(jì)量站進(jìn)行超導(dǎo)液采暖技術(shù)改造，在托管計(jì)量站進(jìn)行高溫采出液采暖技術(shù)改造。針對(duì)采出液溫度較低的計(jì)量站，可進(jìn)行超導(dǎo)液采暖技術(shù)改造。

[1]鄧壽祿,黃學(xué)義,范榮霞,等.油田污水源熱泵的用能分

析與經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)[J].中外能源，2009，14(6)：103-105.

[2]顧文卿.熱泵生產(chǎn)新工藝、節(jié)能技術(shù)與熱泵系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)、科學(xué)應(yīng)用、性能測(cè)驗(yàn)及國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)使用手冊(cè)[M].香港:中國科技文化出版社，2007：399.

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.07.003

謝強(qiáng)，2004年畢業(yè)于南京工業(yè)大學(xué)，工程師，從事稠油開采地面工程研究工作，E-mail：xieq666@petrochina.com.cn，地址：新疆油田重油開發(fā)公司油田工藝研究所，834000。

2011-07-28)