大慶油田油氣站場生產廠房采暖節能措施研究

孫海英 李玉春 李蛟鸞 王欽勝 孟嵐

（1.大慶油田設計院有限公司；2.大慶油田質量安全環保部）

大慶油田地處高寒地區，為滿足生產運行需求，原油站場廠房內均設置了采暖設施，采暖溫度通常設定為5～16 ℃[1-3]。但在生產過程中，廠房的流動介質及運行的機泵均會向室內散熱。若在采暖設計中未能充分考慮此部分工藝散熱就會導致冬季生產時廠房內溫度偏高，造成能源浪費[4-5]。

以往的研究中針對工業廠房采暖設計提出了多項措施，其中包括合理選擇采暖負荷計算方法[6]、優選采暖介質[7]、優化采暖等方式以提高熱效率。例如采用電輻射板、可控溫的紅外線燃氣輻射[8-9]以及太陽能采暖系統[10]等方式做到節約能源、降低生產運行成本的目的。但以上研究均是從工業廠房采暖設計角度提出了各種措施，均未將采暖設計與工藝散熱相關聯，也未提出工藝散熱綜合利用措施。

為降低廠房采暖用熱，同時不對廠房進行改造，通過對不同規模站場的各類廠房內工藝過程、采暖用熱量、管道中流動不同介質時在保溫與不保溫條件下的溫降和散熱量的計算，并在最冷月跟蹤監測不同類生產廠房室內溫度，經對比分析表明，在滿足工藝用熱的前提下，對已建廠房優化管道的保溫設計，充分利用工藝無效散熱補償采暖用熱，優化采暖設計多專業協同操作，同時依據工藝散熱分析結果及室內采暖溫度界限，通過生產管理等手段調節采暖用水量或關停采暖設施實現采暖節能，并滿足操作維修對環境溫度的需要。

1 生產廠房內散熱源及散熱量分析

1.1 散熱源分析

原油站場生產廠房內通常設有機泵、管道及附件等，廠房內主要工藝介質為原油、含水油、含油污水、清水及伴生氣，介質操作溫度為5～80 ℃，除未經加熱的清水及伴生氣外，原油、含水油、含油污水、摻水及伴熱用水的溫度均高于室內環境溫度，在生產過程中此類熱介質會通過管道及管閥件外壁向室內散熱，同時廠房內運行的機泵也會向室內散熱。因此，生產廠房內機泵、管道、管閥件均為散熱源。

1.2 散熱量分析

1.2.1 管道散熱量計算

每米管道散熱量計算公式見式（1）：

式中：Q為單位長度管道散熱量，W；K為總傳熱系數，W/m·℃；d為管道外徑，m；ta為介質平均溫度，℃；t0為周圍環境溫度，℃。

1.2.2 管道附件散熱量計算

為簡化計算，管道附件只考慮閥門及法蘭的散熱，并將其折算為當量管道長度并按照管道散熱量公式計算散熱量，管道附件的折算長度見表1。注：表中閥門折算長度指閥體折算長度，不包括法蘭。

表1 管道附件的折算長度Tab.1 Converted length of pipe accessories

1.2.3 管道散熱量簡化計算方法

為進一步簡化計算，方便工程應用，計算公式中采用管道散熱系數，對公式（1）進行簡化，得出以下管道散熱量計算公式：

式中：α為管道散熱系數，W/m·℃；L為管道長度，m； Δt為管道內介質溫度與環境溫度的差值，℃。

管道散熱量系數即管道內介質溫度與室內環境溫度相差1℃時單位長度管線表面散失的熱量，室內管道散熱量系數經驗值見表2。

表2 室內管道散熱量系數經驗值Tab.2 Heat dissipation coefficient and experience value of indoor pipeline

1.2.4 電動機散熱量計算

生產廠房內運轉的電動機會向周圍環境散熱，散熱量計算：

式中：Q為電動機散熱量，kW；η1為電動機容量利用系數，電動設備最大實耗功率與安裝功率之比，一般可取0.7～0.9；η2為負荷系數，電動設備小時平均實耗功率與設計最大實耗功率之比，一般可取0.5～0.8；η3為同時使用系數，即房間內同時使用的安裝功率與總安裝功率之比；η4為考慮排風帶走熱量的系數，一般可取0.5；N為電動機安裝功率（應按廠房內連續運行的機組最低配置情況下的裝機功率確定）kW；η為電動機效率，與電動機型號、負荷情況有關，一般取0.75～0.9。

由以上公式可計算出生產廠房內工藝設施的散熱量。

2 工藝優化措施

2.1 管道保溫設計優化

在生產過程中，轉油站主要介質為未脫氣原油、含水油、伴生氣，轉油放水站主要介質增加了含油污水，脫水站主要介質為凈化油、伴生氣及含油污水。結合工藝過程對原油站場廠房內油水管道在保溫和不保溫兩種情況下散熱量及介質溫降進行計算，結果表明不同工藝介質由于溫度、流量、管道規格、長度等不同的保溫管道溫降為0.5～3 ℃，不保溫管道溫降為4～10 ℃。原油在整個生產過程中需要一定的熱量用于脫水和輸送，伴生氣溫度低且熱值低對散熱貢獻很小，可忽略，含油污水需維持一定溫度滿足輸送和污水處理要求，但原油處理站場污水溫度通常在40 ℃左右，高于污水處理需要，污水管道室內按不保溫計算溫降約在4 ℃左右，此溫降不影響污水處理和輸送。

由此確定室內含油污水管道、天然氣管道按不保溫設計；含水油管道、凈化油管道、污油管道、摻水（熱洗）管道、進行保溫設計。優化后污水管道取消保溫層后增加了散熱量，進一步降低采暖用熱，對生產沒有任何影響。

2.2 降低室內采暖溫度

《工業企業設計衛生標準》GBZ1—2010 提出的冬季寒冷環境工作地點采暖溫度不應低于5 ℃的要求是基于室內工作人員的勞動強度、工作時間以及工作人員人均占有的面積決定的。在站場正常運行過程中，工作人員在生產廠房內的工作主要是生產操作、巡檢及維修。隨著油田自動化、智能化水平的提高，站場實施“集中監控、定期巡檢”及“無人值守”的管理方式，工作人員在生產廠房內的工作時間大大減少，因此生產廠房采暖溫度在《油田油氣集輸設計規范》GB 50350—2015 推薦采暖溫度的基礎上降低2～4 ℃，且罐前（間）閥室、閥組間不設采暖設施。

3 采暖節能措施實施情況

3.1 新建站場廠房

選取5 個典型新建原油站場，對站場內主要廠房計算采暖熱負荷及工藝設施散熱負荷進行計算，對站場規模較大的廠房，如轉油放水站、脫水站的油水泵房、操作間，因設備及管道數量多，管道規格大，工藝設施散熱量大，工藝散熱滿足采暖用熱，取消了采暖設施的設計。對于站場規模較小的生產廠房，如轉油站油水泵房，因工藝設施較少，散熱量小，需設采暖設施，但考慮了工藝散熱，可以減少散熱片的數量。并選擇環境溫度較低的1 月份對生產廠房內實際溫度進行了監測。典型站場廠房采暖計算與實測結果對比見表3。

通過實例分析可知，經過對原油站場生產廠房內工藝設施散熱的詳細計算，并結合工藝管道保溫設計及采暖溫度的優化措施，對于工藝生產設施相對集中的生產廠房通過工藝散熱可補償室內采暖用熱，不再設置采暖設施。經過跟蹤實測，生產廠房內溫度滿足生產要求。

3.2 已建站場廠房

為了進一步確定已建站場生產廠房內工藝設施散熱對室內采暖的貢獻，選取了已建的7 座典型站場進行分析，給出了工藝廠房內工藝設施散熱占總采暖熱負荷比例以及考慮工藝設施散熱效果后節約的燃氣量。廠房內工藝設施散熱及應用效果見表4，可見不同規模站場工藝廠房內工藝設施散熱不同，小型轉油站工藝設施散熱量占采暖用熱量的42%～53%，即可節約同比例的采暖用熱負荷。大型站場生產廠房內工藝設施散熱量與采暖用熱量相當，可取消采暖設計。根據結論研究，各單位對生產廠房采暖用熱進行精細化管理，動態監測廠房室內溫度，充分利用工藝散熱，關停部分或全部暖氣片，將室溫控制在設計范圍內。經過冬季跟蹤實測，生產廠房內溫度均滿足生產需求。

表4 廠房內工藝設施散熱及應用效果Tab.4 Heat dissipation of process facilities and application effect in production plant

4 結論

大慶油田自2016 年起，新建的大中型原油站場均應用了優化后的采暖設計方式，對生產設施散熱進行了精確計算，用于補償廠房采暖用熱。對于站場規模較小工藝設施較少的生產廠房，工藝散熱不能滿足全部采暖用熱時，設置了少量采暖設施。對于站場規模較大工藝設施較多的生產廠房，工藝散熱能滿足全部采暖用熱時，生產廠房取消采暖設施，以上生產廠房通常包括油氣閥組間、油水泵房、容器操作間。經過冬季最冷月對生產廠房內溫度實測驗證，室內溫度10～18 ℃，能夠滿足生產需求，實施效果達到預期。根據分析結果對已建站場生產廠房內采暖設施進行了優化調整，關停大部分采暖設施，油田400 多座原油站場在充分利用工藝散熱后，關停部分或全部采暖設施，降低采暖熱負荷，年可節約天然氣1 400×104m3實現了節能減耗、降本增效的目標。