油气集输系统能耗与能量综合利用

2011-08-15卢禹赫东北石油大学

石油石化节能 2011年4期

卢禹赫（东北石油大学）

油气集输系统能耗与能量综合利用

卢禹赫（东北石油大学）

油气集输伴随着大量的能量的使用和损耗，油气集输系统能量的合理利用是降低油田开采成本、提高油田开采经济效益的重要环节。可再生资源代替非可再生资源是油田油气集输系统发展的未来趋势。在油气集输系统的能量损耗评价中，选择热损率和压损率作为集输系统的能耗指标，从纵向和横向两个层面对油气集输系统做用能评价和分析，以此为基础得到合理、有效的节能潜力预测。相变换热技术、太阳能和风能在油气集输系统中的利用潜力很大，综合利用可使油气集输系统大幅度节能进而降低油田采油成本。相变加热炉通过采用先进的制造技术，使用全自动燃烧器，可实现对热量输出的精确控制，并最大限度提高燃料的燃烧率，与传统加热炉相比，具有很高的热效率。

油气集输：能耗评价：风能：光能：相变加热炉：环保节能

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

油气集输系统包括油井采出液汇集、处理和输送等三个工艺处理环节，整个生产过程需要消耗大量的电能、热能。测试油气集输系统节能能力，监测、评价其用能状况，研究其能耗分布规律，计算其节能潜力，分析其能损薄弱环节，为改进油田系统的用能提供依据是油田节能的重要环节[1]。将油气集输系统的用能单元分解为具有外界供给能量的各类站和消耗能量的各类管道两类研究体系。以测试分析为基础，进行平均加权，最终得到整个油气集输系统的能耗评价与分析结果[2]。油气集输系统能耗主要有45%的燃料消耗、25%的电能消耗和30%的化学药剂消耗三方面。在油田油气集输过程中，原油加热传统技术使用燃烧煤、天然气、油加热和电加热方法来实现，会造成能源的大量损耗和环境的严重污染，在目前能源日益紧张的情况下，利用可再生能源减少对不可再生资源的消耗具有很大的研发潜力，是油气田开发的可持续发展方向。太阳能和风能的综合利用是油气集输新能源开发的一项新技术[3]。

1 油气集输系统的能耗

依据能量守衡与转换的基本定律平均加权得到系统的能耗评价指标，同时选择热损率和压损率作为集输系统的能耗指标，从纵向和横向两个层面对油气集输系统做用能评价和分析，以此为基础得到合理、有效的节能潜力预测。

1.1 能耗评价指标

根据能量守衡与转换的基本定律，以油气集输系统能量平衡模型为基础，可推导出油气集输用能评价的计算指标[4]。站的能耗评价指标包括能源效率、热能利用率、电能利用率、单位处理液量气耗、单位处理液量电耗及单位处理液量综合能耗；管道的能耗评价指标包括进入管道能量的比值百分率的能损率、介质进出管道消耗的能量及单位质量介质在单位长度上消耗的能量；系统的能耗评价指标包括单耗、效率及平均管线能损率。

1.2 能损分布分析

油气集输系统的能耗分析指标只能在宏观上评价用能设备或系统的整体耗能状况，却不能判别用能过程的各个环节是否合理，以及不能辨识能量转换、传递和使用过程的合理性[5]。集输系统能损主要分布在各个接转站、各类管道网和集中处理站。找出各部分能损在总能损中所占比例，并深入分析各部分能损中的结构组成，对节能改造具有重要的指导意义。因此，可选择系统各部分损失的热能与系统损失总能量的比值百分率和系统各部分损失的压能与系统损失总能量的比值百分率，即热损率和压损率，作为油气集输系统各部分的能耗分析指标。

2 油气集输系统中新能源的综合利用

石油矿区一般都处于具有丰富的风能资源和太阳能资源的地理区域，大力发展风能、光能等可再生能源是油田大幅度节能、降低采油成本的一步重要探索。将风能和太阳能综合应用于石油集输环节具有很大的发展潜力。太阳能可以直接转化为热能，对油气集输管线进行加热[6，7]；风能可利用其进行风力发电，建立电加热系统[8]。将这两项可再生能源互相补充使用，实现节能降耗。主体上使用太阳能加热，夜间太阳能能量不足时启动风力发电储存的电能，利用电加热炉对油气集输系统供热。多余的电能采用对水管线加热或者照明设备供电，使太阳能和风能得到充分利用。

2.1 太阳能加热油气集输工艺技术

太阳能加热油气集输工艺技术是利用太阳光穿过玻璃管后被吸热板吸收并转化为热能，热管中的介质利用此热能发生蒸发与凝结作用，连续不断地使水进行加热。水箱中的清水在循环水泵的作用下连续循环经过太阳能集热器的热管进行加热，当水箱中的清水温度达到油气集输系统所需温度后，再通过热水循环泵加热储油罐的伴热管线和加热盘管，进一步通过热传递达到给油气集输管线伴热，给油气加热的目的。一般为解决太阳能受天气变化影响不能满足给集输系统供热的不足，采用电热棒辅助加热，保证整个系统正常工作。

太阳能加热集输工艺技术在淮建油田建成使用[9]。淮建油田日耗热负荷430 kW·h，选用EJ100-8型全铜玻璃真空集热器，选择太阳能板面积150 m2。采用水箱与储油罐一体设计，具有保温性好、热交换率高、安全可靠等优点，水箱容积7 m3。为确保油气集输系统不受天气影响，采用RXY-JT-18/3型号电热棒对水箱进行辅助加热。太阳能加热油气集输系统在淮建油田建成使用后，节省了能耗，降低了成本，杜绝了烟气污染，消除了锅炉运行引起的隐患。该系统可以进一步与储热系统结合，采用太阳能-空气源相结合工艺，确保更合理地使用太阳能，降低对加热棒的使用，进一步节约能源。

2.2 太阳能和风能综合利用系统

采用太阳能和风能综合利用技术对天然气、煤能能源贫乏的偏远采油井区显得尤为重要。太阳能与风力发电技术综合使用，两者既相对独立又互相补充。太阳能加热系统主要由导热媒、换热器、太阳能集热器阵列、蓄热箱、循环泵以及温度检测设备构成。风力发电系统主要由逆变器、风力发电机、电换热器等设备组成。两者以温度监测数据为依据，通过综合调度协调配合。

2.3 太阳能和风能综合利用控制系统

太阳能和风能综合利用控制系统由太阳能集热系统控制、风机系统控制、电加热炉控制三个部分组成，全程自动控制，随内外部各种条件的改变而变化。通过监测原油出口温度，对进口温度与蓄热箱温度进行比较。当蓄热箱温度高于进口温度时，采用太阳能加热系统。反之停止太阳能加热系统，自动切换电加热炉进行加热。同时在风机运行过程监测和记录风电机组的运行状况，自行判断异常情况，采取相应的保护措施。如果两种能源都不足时，系统自动启动后备电能，保障生产。

3 相变换热技术在油气集输系统中的应用

传统油气集输加热炉采用火筒炉、有机热载体炉、水套炉和管式炉等炉型，这些炉型设备结构、工作原理等方面在实际运行时存在传热系数低、燃料成本高等不足，影响加热炉的能耗。为解决传统加热炉存在的问题，研制了相变换热加热炉[10-12]。

3.1 相变换热技术工作原理及特点

相变换热加热炉炉壳体内密闭空间分为汽化空间和相变空间两部分。加热炉内燃料燃烧加热汽化空间内水介质，水受热蒸发，蒸汽进入相变空间与换热管接触。换热管壁温低于水的露点温度，蒸汽在管壁表面凝结放出相变热，热量通过换热管传递给管内介质。蒸汽冷凝后回流到汽化空间，如此循环往复将燃烧热转化为输送介质的热量。

相变换热加热炉是利用水介质蒸发吸热、冷凝放热的原理进行热量传递，具有以下特点：相变换热加热炉采用低压力下具有高沸点的中间介质（一般选用水），增加了传热介质汽化潜热，有效地提高了换热器的传热系数，减小了加热炉换热器的换热面积；相变换热加热炉中间介质在汽化空间和相变空间的传递是在重力的作用下进行的，没有外界动力，无动力能耗，中间介质采用洁净的水即可，无专门的水处理设备，运行成本较低；炉体内表面不易结垢，传热面保持较高的传热系数，加热炉可一直保持传热效率在88%以上，节约燃料成本。

3.2 相变换热技术在油气集输系统的应用

相变换热加热技术适用于稠油加热的相变加热装置，适合大型的燃煤相变加热装置，适用小功率燃煤加热炉及无电自控加热炉。相变换热加热炉自1999年研制投产以来，已先后在大庆、长庆、胜利、吉林等十几个油田使用。大庆油田北33联合站选用了4台2 500 kW真空相变换热加热炉，与油田使用的同功率水套式加热炉相比真空相变换热加热炉占用较小的空间；大庆油田第三采油厂萨北25联合站选用阻垢式真空相变换热加热炉，即在真空相变换热加热炉换热器上采用特殊工艺措施使其具备不粘附污垢的性质，满足水中钙离子含量高的地区的特殊使用要求。吉林油田英一连2001年选用了4台真空相变换热加热炉，2002年又增加4台，运行表明，该加热炉节能、安全、环保；吉林油田沼泽种的接转站选用真空相变换热加热炉，使用时维护简便，节约用水。冀东油田高一联合站2002年选用了3台真空相变换热加热炉代替原管式加热炉，可实现无人值守、自动上水等功能，可满足整个联合站的取暖和伴热需求，在发生火灾时还可提供高压蒸汽参与灭火。江汉油田制造了盘管可抽式真空加热炉，为解决水质高矿化引起的易结垢问题选用了铜管作为换热器，该炉型适用于高腐蚀介质的加热。地广人稀的鄂尔多斯油田采用适用于偏远井站且无电的环境下使用无电自控真空相变换热加热炉，该炉在运行中补水少，无电状况下实现自动控制，无线信号可使数千米外即可了解炉体运行情况。

3.3 相变换热加热炉节能效果

真空相变加热炉通过采用先进的制造技术，使用全自动燃烧器，可实现对热量输出的精确控制，并最大限度提高燃料的燃烧率，与传统加热炉相比，具有很高的热效率。中国石油天然气集团公司油田节能监测中心对生产现场在用的630 kW真空相变加热炉进行热测试，证明其热效率为89.03%；吉林石油集团有限责任公司节能监测站对生产现场在用的800 kW真空相变加热炉进行热测试，证明其热效率为90.65%；上海工业锅炉环保设备质量监督检验中心对生产现场在用的3 000 kW真空相变加热炉进行热测试，证明其热效率为91.40%。而传统加热炉的热效率一般在80%左右。

4 结语

太阳能和风能综合利用技术是具有很大应用潜力的储备技术。大力发展太阳能和风能等再生能源，可使油气集输系统大幅度节能进而降低油田采油成本。太阳能与风能综合利用，互相补充，可在满足生产要求的同时缓解市电供应压力，是一项环保、节能的新型实用技术。油气资源与风能、太阳能资源综合利用开发，可降低油田综合成本，提高油田开发经济效益、是油田长期可持续发展的战略性策略。

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