新疆稠油站區保溫系統節能技術應用實踐

謝強郭召海阮林華韓春雨

（1.新疆油田重油開發公司；2.新疆油田公司質量管理與節能處）

新疆稠油站區保溫系統節能技術應用實踐

謝強1郭召海1阮林華1韓春雨2

（1.新疆油田重油開發公司；2.新疆油田公司質量管理與節能處）

近幾年，新疆油田的稠油產量日趨增加，開采規模逐年擴大，稠油生產站區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減壓后直接供暖,經一次循環后外排，導致了大量蒸汽的浪費，制約了稠油熱采開發，影響稠油熱采的經濟性。為了提高稠油熱采冬季采暖工藝的經濟性及安全性，開展了一系列節能減排技術的研究與應用，先后開展了直混式蒸汽自動相變摻熱加熱、熱泵余熱利用、超導液采暖散熱、高溫采出液余熱利用等一系列新技術的研究應用。經分析計算，節汽率可達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用。

稠油 采暖 超導液 高溫污水 采出液 蒸汽摻熱 節能降耗

隨著新疆油田重油公司稠油開采的深入，重油公司主力產油區塊已由蒸汽吞吐的開采方式向蒸汽驅油開采方式轉變，已經基本進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，約占公司產汽量的6%左右；因而，開展稠油站區保溫系統節能技術研究與應用，對于提高稠油熱采冬季采暖工藝的經濟性及安全性，創建能源節約型企業具有重要意義。

1 稠油站區保溫系統現狀

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%。而在稠油生產過程中，非生產用汽的比重相對較高，尤其是冬季保溫用汽相對較多，新疆地處北溫帶，遠離海洋，冬季供暖期較長。稠油熱采站區冬季采暖大都采用生產用高溫、高壓蒸汽，高壓蒸汽在站內經兩級減壓后（降至0.4～0.6 MPa）進入站內采暖保溫系統。蒸汽供暖主要是利用蒸汽的汽化潛熱，經過散熱后的蒸汽凝結成水，凝結水經疏水閥進入回水系統，由回水管網排入排空池，經一次循環后直接外排，導致熱量的浪費。這種供暖方式具有以下缺點：

1.1 回水溫度較高，熱能利用率低，無效熱損失大

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

1.2 日常運行管理工作量比較大

由于蒸汽供暖溫度高，壓力波動大，對蒸汽輸送管網、閥件及散熱器產生的熱應力大，使得蒸汽輸送管網、閥件及散熱器的跑、冒、滴、漏現象嚴重，造成日常維護工作量大。

1.3 冬季蒸汽供暖系統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入保溫系統，若降壓控制不穩或安全閥失靈或保溫管線堵塞，將會導致采暖系統壓力升高，以至造成采暖管線或散熱片爆裂，對工作人員以及設備設施造成威脅。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 稠油站區保溫技術研究

通過對新疆油田稠油熱采冬季保溫工藝調研，分析總結出新疆油田稠油熱采冬季蒸汽保溫工藝存在的問題。針對稠油熱采工藝特點，結合目前較為成熟的冬季采暖、工藝保溫技術，優選出適合新疆油田稠油生產蒸汽自動相變摻熱加熱采暖、回用污水余熱利用、超導液采暖等技術，確定研究目標，進行現場實驗。通過現場實驗對技術方案進行優化完善，對實驗效果進行分析，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 直混式蒸汽自動相變摻熱加熱技術

目前，國內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，易受水側結垢的影響，嚴重時甚至會導致系統不能正常運行。為保證采暖系統的正常運行，一般都需要對進入熱網水進行處理，從而增大了系統的投資和運行成本。另外，表面式加熱器運行中產生疏水，如不回收，則蒸汽的熱量不能被充分利用，如果回收，則使系統復雜。蒸汽相變摻熱加熱技術是通過混合消音式加熱器，將蒸汽摻入到加熱罐中冷凝，凝結水與熱網水混合，進行直接接觸式換熱。這種換熱方式可解決結垢問題及凝結水回收問題，換熱系數相對較高，且不受結垢和不凝結氣體的影響，幾乎無散熱損失。直混式蒸汽自動相變摻熱加熱技術就是將蒸汽直接摻入熱網循環水中，采用微孔噴射技術，通過射流加熱器將蒸汽與水進行直接快速的熱交換。其主要特點是：熱網循環水的壓力與蒸汽壓力無相互的制約關系，蒸汽壓力較低時也能正常工作；在蒸汽壓力波動較大時，無須進行調整，蒸汽摻熱系統也能正常工作。直混式蒸汽自動摻熱加熱工藝流程見圖1。

2.1.1 現場應用與效果分析

2007年，重油開發公司在供熱站應用了蒸汽摻熱采暖技術，并由西北節能測試中心對試驗結果進行了測試。由表1可知，蒸汽摻熱采暖系統的節能率達到70.5%。采用蒸汽摻熱采暖系統運行成本主要有兩部分組成：一是加熱用蒸汽的消耗；二是提供循環水壓力的循環泵的電力消耗。15#供熱站蒸汽摻熱采曖試驗測試結果見表1。

表1 15#供熱站蒸汽摻熱采暖試驗測試結果對照

經分析計算，一個采暖周期摻入的蒸汽量為2 753.5 t，重油開發公司噸汽操作成本78元，則消耗蒸汽成本為20.9×104元，蒸汽摻熱采暖系統總運行成本為23.2×104元。蒸汽直接供暖系統一個采暖周期耗蒸汽量為9 720 t，采暖成本為73.97×104元。年節約成本50.66×104元。

2.2 熱泵余熱利用技術

重油開發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。在稠油處理時將會產生大量高溫含油污水，經污水處理站處理達到排放標準后，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。利用熱泵技術回收低品位熱能，以加熱采暖管網中的循環水，這既能回收部分低品位熱量，又能達到冬季供暖的目的。

污水源熱泵技術就是利用污水熱源[1]，通過少量的電能輸入，采用熱泵原理，實現低溫位熱能向高溫位熱能轉移的技術。

污水源熱泵機組利用卡諾循環原理[2]工作，其工作原理是：由電能驅動壓縮機，使工質循環運動反復發生物理相變過程，分別在蒸發器中汽化吸熱，在冷凝器中液化放熱，使熱量不斷得到交換傳熱，使機組實現制熱功能。污水源熱泵運行原理見圖2。

2.2.1 現場應用與效果分析

2009年，重油開發公司在新建的克淺污水處理站進行熱泵余熱利用采暖試驗。目前，該站熱泵采暖系統運行效果良好，各采暖間溫度滿足冬季采暖要求。由于未采用蒸汽采暖，一個采暖期可節約蒸汽約7 000 m3，重油開發公司噸汽操作成本78元，則節約蒸汽成本54.6×104元。熱泵采暖要消耗部分電能，由熱泵運行參數可知，其能效比為3.79，而克淺10區污水處理站最大采暖熱負荷為332.5 KW，平均熱負荷為199.5 kW，則一個采暖期所耗電量為22.74×104kWh。電費按0.776元/kWh計算，所用電費為17.6×104元，熱泵采暖一個采暖期節約運行費用37×104元。

2.3 超導液采暖散熱技術

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，在用稠油熱采計量站300多座。稠油計量站自投產以來，站區、設備、管網冬季都采用注汽鍋爐生產的高溫高壓蒸汽進行保溫。按照核定的計算，計量站每天保溫用蒸汽量在6～8 m3左右，依此推算一個保溫期，計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。

利用蒸汽加熱超導液，利用加熱后的超導液對計量站進行冬季保溫，實現保溫蒸汽與值班人員的分離，可大大提高采暖系統的安全性。同時，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，又降低了計量站冬季采暖成本，以此解決計量站保溫問題具有重要的現實意義。

利用現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，換熱后的冷凝水經溫控閥排入集油罐，溫控閥控制溫度在80℃，避免蒸汽進入集油罐，提高蒸汽利用率。蒸汽-超導液換熱器采用逆流換熱，提高了換熱效果。同時高溫蒸汽進入換熱器內膽，加熱外膽中的超導液，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生。散熱器采用串聯連接，高進低出，利用超導液受熱汽化膨脹為動力，推動冷凝后的超導液返回換熱器，形成循環。考慮到超導液供暖為試驗項目，采暖系統在設計時采用中壓設計，蒸汽-超導液換熱器加裝旁通閥，可實現蒸汽供暖工藝。由于超導液采暖使用的散熱器較蒸汽多，在施工設計時在部分散熱器進出口加旁通，減少散熱系統的散熱面積，可有效控制采暖間的溫度。采油計量站冬季超導液采暖技術改造工藝流程見圖2。

2.3.1 現場應用與效果分析

2009年，重油開發公司在克淺10井區進行采油計量站超導液采暖技術應用試驗，利用減壓蒸汽加熱超導液進行采暖。為了達到節能的效果，加熱后的蒸汽經溫控閥控制后，溫度降到80℃以下，排入集油系統。通過分析計算，一個采暖期內節汽率達87.9%；考慮到換熱系統的散熱損失，綜合節能率按80%計算，則節約蒸汽費用7.8×104元。

2.4 采出液余熱利用采暖技術

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。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被抽油機抽汲出來。一般情況下，油井采出液的溫度較高，在30～110℃之間，蘊含很高的熱能。其原理主要是利用計量站油井采出液所蘊含的熱能，就近對本計量站站區進行保溫。在不影響原油集輸的情況下，通過散熱器換熱來實現站區值班室冬季保溫。由于采出液溫度波動較大，利用采出液無法滿足室內設計溫度時，將熱源調整為減壓蒸汽，原有高壓蒸汽減壓系統（減壓閥、安全閥、壓力表、截止閥）均保留。采油計量站采暖系統改造示意見圖3。

2.4.1 現場應用與效果分析

通過現場應用與分析，采用回收采出液熱能的方式不僅可以實現計量站保溫，而且能夠減少高品質蒸汽的消耗，產生較大的經濟效益。按多年來計量站保溫蒸汽耗量6～8 m3/d，克拉瑪依市每年冬季采暖期為6個月，該站節約了非生產耗汽1 260 m3；考慮到采出液溫度較低時，需用蒸汽采暖，按綜合節汽率80%計算，年節約蒸汽1 008 m3，降低采暖成本7.8×104元。

3 綜合效果分析

根據稠油站區采暖工藝及稠油生產各環節工藝特點，結合較為成熟的采暖工藝技術，篩選出直混式蒸汽摻熱采暖技術、熱泵余熱利用采暖技術、超導液采暖技術、高溫采出液余熱利用采暖技術，并分別在稠油熱采供熱站、污水處理站、采油計量站進行了試驗應用，取得了較好的綜合效益。綜合效果對比見表2、表3、表4。

表2 各節能技術應用綜合效果

表3 重油公司不同采暖方式對比

表4 各節能技術經濟效益對比

4 結論

目前，稠油生產站區采暖仍然以蒸汽采暖為主，通過稠油站區采暖新技術現場試驗研究，結合稠油生產各環節的特點，稠油生產站區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，其共同的特點是，都有大量的低品位余熱利用資源可利用，可進行熱泵余熱利用采暖技術改造。第二種是各供熱站，由于目前部分供熱站未進行回用污水改造，沒有余熱利用資源，可采用直混式蒸汽摻熱加熱采暖技術改造。對于已進行的高溫回用污水改造的供熱站，在不影響鍋爐安全運行的情況下，可進行熱泵余熱利用采暖技術改造，也可進行直混式蒸汽摻熱加熱采暖技術改造。第三種是各采油計量站，根據各采油計量站的特點，可分為中心計量站與托管計量站。中心計量站是為操作人員提供值班與休息的計量站，操作人員只在托管計量站進行現場操作，操作完畢后則回中心計量站；考慮到安全因素，可在中心計量站進行超導液采暖技術改造，在托管計量站進行高溫采出液采暖技術改造。針對采出液溫度較低的計量站，可進行超導液采暖技術改造。

[1]鄧壽祿,黃學義,范榮霞,等.油田污水源熱泵的用能分

析與經濟性評價[J].中外能源，2009，14(6)：103-105.

[2]顧文卿.熱泵生產新工藝、節能技術與熱泵系統創新設計、科學應用、性能測驗及國內外標準使用手冊[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，2004年畢業于南京工業大學，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：新疆油田重油開發公司油田工藝研究所，834000。

2011-07-28)