油氣集輸系統(tǒng)能耗與能量綜合利用

盧禹赫（東北石油大學(xué)）

油氣集輸系統(tǒng)能耗與能量綜合利用

盧禹赫（東北石油大學(xué)）

油氣集輸伴隨著大量的能量的使用和損耗，油氣集輸系統(tǒng)能量的合理利用是降低油田開采成本、提高油田開采經(jīng)濟(jì)效益的重要環(huán)節(jié)。可再生資源代替非可再生資源是油田油氣集輸系統(tǒng)發(fā)展的未來趨勢(shì)。在油氣集輸系統(tǒng)的能量損耗評(píng)價(jià)中，選擇熱損率和壓損率作為集輸系統(tǒng)的能耗指標(biāo)，從縱向和橫向兩個(gè)層面對(duì)油氣集輸系統(tǒng)做用能評(píng)價(jià)和分析，以此為基礎(chǔ)得到合理、有效的節(jié)能潛力預(yù)測。相變換熱技術(shù)、太陽能和風(fēng)能在油氣集輸系統(tǒng)中的利用潛力很大，綜合利用可使油氣集輸系統(tǒng)大幅度節(jié)能進(jìn)而降低油田采油成本。相變加熱爐通過采用先進(jìn)的制造技術(shù)，使用全自動(dòng)燃燒器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)熱量輸出的精確控制，并最大限度提高燃料的燃燒率，與傳統(tǒng)加熱爐相比，具有很高的熱效率。

油氣集輸：能耗評(píng)價(jià)：風(fēng)能：光能：相變加熱爐：環(huán)保節(jié)能

D O I:10.3969/j.i ssn.2095-1493.2011.04.015

油氣集輸系統(tǒng)包括油井采出液匯集、處理和輸送等三個(gè)工藝處理環(huán)節(jié)，整個(gè)生產(chǎn)過程需要消耗大量的電能、熱能。測試油氣集輸系統(tǒng)節(jié)能能力，監(jiān)測、評(píng)價(jià)其用能狀況，研究其能耗分布規(guī)律，計(jì)算其節(jié)能潛力，分析其能損薄弱環(huán)節(jié)，為改進(jìn)油田系統(tǒng)的用能提供依據(jù)是油田節(jié)能的重要環(huán)節(jié)[1]。將油氣集輸系統(tǒng)的用能單元分解為具有外界供給能量的各類站和消耗能量的各類管道兩類研究體系。以測試分析為基礎(chǔ)，進(jìn)行平均加權(quán)，最終得到整個(gè)油氣集輸系統(tǒng)的能耗評(píng)價(jià)與分析結(jié)果[2]。油氣集輸系統(tǒng)能耗主要有45%的燃料消耗、25%的電能消耗和30%的化學(xué)藥劑消耗三方面。在油田油氣集輸過程中，原油加熱傳統(tǒng)技術(shù)使用燃燒煤、天然氣、油加熱和電加熱方法來實(shí)現(xiàn)，會(huì)造成能源的大量損耗和環(huán)境的嚴(yán)重污染，在目前能源日益緊張的情況下，利用可再生能源減少對(duì)不可再生資源的消耗具有很大的研發(fā)潛力，是油氣田開發(fā)的可持續(xù)發(fā)展方向。太陽能和風(fēng)能的綜合利用是油氣集輸新能源開發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)[3]。

1 油氣集輸系統(tǒng)的能耗

依據(jù)能量守衡與轉(zhuǎn)換的基本定律平均加權(quán)得到系統(tǒng)的能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)，同時(shí)選擇熱損率和壓損率作為集輸系統(tǒng)的能耗指標(biāo)，從縱向和橫向兩個(gè)層面對(duì)油氣集輸系統(tǒng)做用能評(píng)價(jià)和分析，以此為基礎(chǔ)得到合理、有效的節(jié)能潛力預(yù)測。

1.1 能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)能量守衡與轉(zhuǎn)換的基本定律，以油氣集輸系統(tǒng)能量平衡模型為基礎(chǔ)，可推導(dǎo)出油氣集輸用能評(píng)價(jià)的計(jì)算指標(biāo)[4]。站的能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)包括能源效率、熱能利用率、電能利用率、單位處理液量氣耗、單位處理液量電耗及單位處理液量綜合能耗；管道的能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)包括進(jìn)入管道能量的比值百分率的能損率、介質(zhì)進(jìn)出管道消耗的能量及單位質(zhì)量介質(zhì)在單位長度上消耗的能量；系統(tǒng)的能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)包括單耗、效率及平均管線能損率。

1.2 能損分布分析

油氣集輸系統(tǒng)的能耗分析指標(biāo)只能在宏觀上評(píng)價(jià)用能設(shè)備或系統(tǒng)的整體耗能狀況，卻不能判別用能過程的各個(gè)環(huán)節(jié)是否合理，以及不能辨識(shí)能量轉(zhuǎn)換、傳遞和使用過程的合理性[5]。集輸系統(tǒng)能損主要分布在各個(gè)接轉(zhuǎn)站、各類管道網(wǎng)和集中處理站。找出各部分能損在總能損中所占比例，并深入分析各部分能損中的結(jié)構(gòu)組成，對(duì)節(jié)能改造具有重要的指導(dǎo)意義。因此，可選擇系統(tǒng)各部分損失的熱能與系統(tǒng)損失總能量的比值百分率和系統(tǒng)各部分損失的壓能與系統(tǒng)損失總能量的比值百分率，即熱損率和壓損率，作為油氣集輸系統(tǒng)各部分的能耗分析指標(biāo)。

2 油氣集輸系統(tǒng)中新能源的綜合利用

石油礦區(qū)一般都處于具有豐富的風(fēng)能資源和太陽能資源的地理區(qū)域，大力發(fā)展風(fēng)能、光能等可再生能源是油田大幅度節(jié)能、降低采油成本的一步重要探索。將風(fēng)能和太陽能綜合應(yīng)用于石油集輸環(huán)節(jié)具有很大的發(fā)展?jié)摿ΑＬ柲芸梢灾苯愚D(zhuǎn)化為熱能，對(duì)油氣集輸管線進(jìn)行加熱[6，7]；風(fēng)能可利用其進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電，建立電加熱系統(tǒng)[8]。將這兩項(xiàng)可再生能源互相補(bǔ)充使用，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。主體上使用太陽能加熱，夜間太陽能能量不足時(shí)啟動(dòng)風(fēng)力發(fā)電儲(chǔ)存的電能，利用電加熱爐對(duì)油氣集輸系統(tǒng)供熱。多余的電能采用對(duì)水管線加熱或者照明設(shè)備供電，使太陽能和風(fēng)能得到充分利用。

2.1 太陽能加熱油氣集輸工藝技術(shù)

太陽能加熱油氣集輸工藝技術(shù)是利用太陽光穿過玻璃管后被吸熱板吸收并轉(zhuǎn)化為熱能，熱管中的介質(zhì)利用此熱能發(fā)生蒸發(fā)與凝結(jié)作用，連續(xù)不斷地使水進(jìn)行加熱。水箱中的清水在循環(huán)水泵的作用下連續(xù)循環(huán)經(jīng)過太陽能集熱器的熱管進(jìn)行加熱，當(dāng)水箱中的清水溫度達(dá)到油氣集輸系統(tǒng)所需溫度后，再通過熱水循環(huán)泵加熱儲(chǔ)油罐的伴熱管線和加熱盤管，進(jìn)一步通過熱傳遞達(dá)到給油氣集輸管線伴熱，給油氣加熱的目的。一般為解決太陽能受天氣變化影響不能滿足給集輸系統(tǒng)供熱的不足，采用電熱棒輔助加熱，保證整個(gè)系統(tǒng)正常工作。

太陽能加熱集輸工藝技術(shù)在淮建油田建成使用[9]。淮建油田日耗熱負(fù)荷430 kW·h，選用EJ100-8型全銅玻璃真空集熱器，選擇太陽能板面積150 m2。采用水箱與儲(chǔ)油罐一體設(shè)計(jì)，具有保溫性好、熱交換率高、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，水箱容積7 m3。為確保油氣集輸系統(tǒng)不受天氣影響，采用RXY-JT-18/3型號(hào)電熱棒對(duì)水箱進(jìn)行輔助加熱。太陽能加熱油氣集輸系統(tǒng)在淮建油田建成使用后，節(jié)省了能耗，降低了成本，杜絕了煙氣污染，消除了鍋爐運(yùn)行引起的隱患。該系統(tǒng)可以進(jìn)一步與儲(chǔ)熱系統(tǒng)結(jié)合，采用太陽能-空氣源相結(jié)合工藝，確保更合理地使用太陽能，降低對(duì)加熱棒的使用，進(jìn)一步節(jié)約能源。

2.2 太陽能和風(fēng)能綜合利用系統(tǒng)

采用太陽能和風(fēng)能綜合利用技術(shù)對(duì)天然氣、煤能能源貧乏的偏遠(yuǎn)采油井區(qū)顯得尤為重要。太陽能與風(fēng)力發(fā)電技術(shù)綜合使用，兩者既相對(duì)獨(dú)立又互相補(bǔ)充。太陽能加熱系統(tǒng)主要由導(dǎo)熱媒、換熱器、太陽能集熱器陣列、蓄熱箱、循環(huán)泵以及溫度檢測設(shè)備構(gòu)成。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由逆變器、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、電換熱器等設(shè)備組成。兩者以溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過綜合調(diào)度協(xié)調(diào)配合。

2.3 太陽能和風(fēng)能綜合利用控制系統(tǒng)

太陽能和風(fēng)能綜合利用控制系統(tǒng)由太陽能集熱系統(tǒng)控制、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)控制、電加熱爐控制三個(gè)部分組成，全程自動(dòng)控制，隨內(nèi)外部各種條件的改變而變化。通過監(jiān)測原油出口溫度，對(duì)進(jìn)口溫度與蓄熱箱溫度進(jìn)行比較。當(dāng)蓄熱箱溫度高于進(jìn)口溫度時(shí)，采用太陽能加熱系統(tǒng)。反之停止太陽能加熱系統(tǒng)，自動(dòng)切換電加熱爐進(jìn)行加熱。同時(shí)在風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程監(jiān)測和記錄風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀況，自行判斷異常情況，采取相應(yīng)的保護(hù)措施。如果兩種能源都不足時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)后備電能，保障生產(chǎn)。

3 相變換熱技術(shù)在油氣集輸系統(tǒng)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)油氣集輸加熱爐采用火筒爐、有機(jī)熱載體爐、水套爐和管式爐等爐型，這些爐型設(shè)備結(jié)構(gòu)、工作原理等方面在實(shí)際運(yùn)行時(shí)存在傳熱系數(shù)低、燃料成本高等不足，影響加熱爐的能耗。為解決傳統(tǒng)加熱爐存在的問題，研制了相變換熱加熱爐[10-12]。

3.1 相變換熱技術(shù)工作原理及特點(diǎn)

相變換熱加熱爐爐殼體內(nèi)密閉空間分為汽化空間和相變空間兩部分。加熱爐內(nèi)燃料燃燒加熱汽化空間內(nèi)水介質(zhì)，水受熱蒸發(fā)，蒸汽進(jìn)入相變空間與換熱管接觸。換熱管壁溫低于水的露點(diǎn)溫度，蒸汽在管壁表面凝結(jié)放出相變熱，熱量通過換熱管傳遞給管內(nèi)介質(zhì)。蒸汽冷凝后回流到汽化空間，如此循環(huán)往復(fù)將燃燒熱轉(zhuǎn)化為輸送介質(zhì)的熱量。

相變換熱加熱爐是利用水介質(zhì)蒸發(fā)吸熱、冷凝放熱的原理進(jìn)行熱量傳遞，具有以下特點(diǎn)：相變換熱加熱爐采用低壓力下具有高沸點(diǎn)的中間介質(zhì)（一般選用水），增加了傳熱介質(zhì)汽化潛熱，有效地提高了換熱器的傳熱系數(shù)，減小了加熱爐換熱器的換熱面積；相變換熱加熱爐中間介質(zhì)在汽化空間和相變空間的傳遞是在重力的作用下進(jìn)行的，沒有外界動(dòng)力，無動(dòng)力能耗，中間介質(zhì)采用潔凈的水即可，無專門的水處理設(shè)備，運(yùn)行成本較低；爐體內(nèi)表面不易結(jié)垢，傳熱面保持較高的傳熱系數(shù)，加熱爐可一直保持傳熱效率在88%以上，節(jié)約燃料成本。

3.2 相變換熱技術(shù)在油氣集輸系統(tǒng)的應(yīng)用

相變換熱加熱技術(shù)適用于稠油加熱的相變加熱裝置，適合大型的燃煤相變加熱裝置，適用小功率燃煤加熱爐及無電自控加熱爐。相變換熱加熱爐自1999年研制投產(chǎn)以來，已先后在大慶、長慶、勝利、吉林等十幾個(gè)油田使用。大慶油田北33聯(lián)合站選用了4臺(tái)2 500 kW真空相變換熱加熱爐，與油田使用的同功率水套式加熱爐相比真空相變換熱加熱爐占用較小的空間；大慶油田第三采油廠薩北25聯(lián)合站選用阻垢式真空相變換熱加熱爐，即在真空相變換熱加熱爐換熱器上采用特殊工藝措施使其具備不粘附污垢的性質(zhì)，滿足水中鈣離子含量高的地區(qū)的特殊使用要求。吉林油田英一連2001年選用了4臺(tái)真空相變換熱加熱爐，2002年又增加4臺(tái)，運(yùn)行表明，該加熱爐節(jié)能、安全、環(huán)保；吉林油田沼澤種的接轉(zhuǎn)站選用真空相變換熱加熱爐，使用時(shí)維護(hù)簡便，節(jié)約用水。冀東油田高一聯(lián)合站2002年選用了3臺(tái)真空相變換熱加熱爐代替原管式加熱爐，可實(shí)現(xiàn)無人值守、自動(dòng)上水等功能，可滿足整個(gè)聯(lián)合站的取暖和伴熱需求，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)還可提供高壓蒸汽參與滅火。江漢油田制造了盤管可抽式真空加熱爐，為解決水質(zhì)高礦化引起的易結(jié)垢問題選用了銅管作為換熱器，該爐型適用于高腐蝕介質(zhì)的加熱。地廣人稀的鄂爾多斯油田采用適用于偏遠(yuǎn)井站且無電的環(huán)境下使用無電自控真空相變換熱加熱爐，該爐在運(yùn)行中補(bǔ)水少，無電狀況下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，無線信號(hào)可使數(shù)千米外即可了解爐體運(yùn)行情況。

3.3 相變換熱加熱爐節(jié)能效果

真空相變加熱爐通過采用先進(jìn)的制造技術(shù)，使用全自動(dòng)燃燒器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)熱量輸出的精確控制，并最大限度提高燃料的燃燒率，與傳統(tǒng)加熱爐相比，具有很高的熱效率。中國石油天然氣集團(tuán)公司油田節(jié)能監(jiān)測中心對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場在用的630 kW真空相變加熱爐進(jìn)行熱測試，證明其熱效率為89.03%；吉林石油集團(tuán)有限責(zé)任公司節(jié)能監(jiān)測站對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場在用的800 kW真空相變加熱爐進(jìn)行熱測試，證明其熱效率為90.65%；上海工業(yè)鍋爐環(huán)保設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場在用的3 000 kW真空相變加熱爐進(jìn)行熱測試，證明其熱效率為91.40%。而傳統(tǒng)加熱爐的熱效率一般在80%左右。

4 結(jié)語

太陽能和風(fēng)能綜合利用技術(shù)是具有很大應(yīng)用潛力的儲(chǔ)備技術(shù)。大力發(fā)展太陽能和風(fēng)能等再生能源，可使油氣集輸系統(tǒng)大幅度節(jié)能進(jìn)而降低油田采油成本。太陽能與風(fēng)能綜合利用，互相補(bǔ)充，可在滿足生產(chǎn)要求的同時(shí)緩解市電供應(yīng)壓力，是一項(xiàng)環(huán)保、節(jié)能的新型實(shí)用技術(shù)。油氣資源與風(fēng)能、太陽能資源綜合利用開發(fā)，可降低油田綜合成本，提高油田開發(fā)經(jīng)濟(jì)效益、是油田長期可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性策略。

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盧禹赫，2007年入讀東北石油大學(xué)（原大慶石油學(xué)院）油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)，E-mail：lu2407@126.com，地址：大慶市高新技術(shù)開發(fā)區(qū)發(fā)展路199號(hào)東北石油大學(xué)儲(chǔ)運(yùn)07-3班，163318。

2011-05-08)