原油加热节能技术在安塞油田的现场应用

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(1.中国石油 长庆油田公司 第一采油厂， 陕西 延安 716000；2.中国石化宁波工程公司， 浙江 宁波 315103； 3.西安科技大学 化学与化工学院， 陕西 西安 710054)

1 安塞油田原油物性

安塞油田原油生产主要层位为侏罗系延安组延9油层以及三叠系延长组的长2、长3、长6等油层。安塞油田不同油层原油的密度、凝固点、黏度等物性参数见表1。

表1 安塞油田原油部分物性

在油田开发之前，原油处于高温、高压状态，蜡完全溶解在原油中。对油田进行开采时，原油从储油层流入井底，再从井底沿井筒举升到井口，随着温度和压力下降以及轻质组分的不断逸出，石蜡溶解在原油中的平衡条件被破坏，原油融蜡能力降低，致使石蜡析出。石蜡一部分随油流进入采油流程，一部分集聚凝结并粘附于生产设施的金属表面[1]。影响原油结蜡主要因素有原油中的石蜡含量、沥青质和胶质含量、原油温度、溶解气及其压力、原油中轻质馏分含量、液流速度、含水率、泥沙和机械杂质量、生产设施(油管及储罐等)内表面粗糙程度以及表面性质等[2]。

原油结蜡问题在安塞油田原油生产全过程普遍存在，在原油开采及集输过程中，不可预见的结蜡问题一直影响着原油生产的平稳运行。加热是油气集输过程中最基本的预防结蜡工艺技术，加热石油、天然气所需的热能来源于不同的热源和方法[3]。安塞油田先后采用传统水套加热炉、高效节能石油防爆电磁加热器及太阳能辅助原油加热装置等井口加热装置对原油进行加热，文中对其现场应用情况进行简要介绍。

2 井口加热装置介绍

2.1 水套加热炉

水套加热炉是以水作为传热介质的间接加热设备，主要由水套、火筒、沸腾管和走油盘管4部分部件组成，具有品种多、配置多样、结构紧凑、功能齐全以及适用范围广等特点。燃料在火筒中燃烧过程产生的热能以辐射、对流等形式传递给水套中的水，使水的温度升高并部分汽化，水及其蒸汽再将热量传递给油盘管中的原油，使油获得热量，温度随之升高[4]。

水套加热炉加热介质一般分为燃料煤和燃料气，加热过程属于明火加热，存在安全隐患。多数井场无伴生气或伴生气不稳定，因此采用燃料煤加热，人工操作，存在热量不连续、不稳定，炉体散热快，热能损失大，会污染环境等缺点，使用较少[5]。

2.2 石油防爆电磁加热器

石油防爆电磁加热器(图1)是一种利用电磁感应原理将电能转换为热能的装置，其主体为棒式往复式管状结构，由铁磁性热载棒体和钢套管与高强度法兰组合焊接加工制成[6]。

图1 石油防爆电磁加热器

石油防爆电磁加热器热载体由高温热电缆缠绕在铁磁性钢管棒芯上，套入护套钢管内形成磁场闭合回路。由于铁磁性钢管的自身特性，电流通过高温电缆回路作用于电磁热载棒体上，使铁磁性钢管迅速产生强烈的磁滞涡流及磁阻热效应，而热载体释放的杂散磁场经外套钢管屏蔽吸收并产生圆环内集肤效应热，用来直接加热原油[7]。石油防爆电磁加热器表面发热均匀，无明火，且具有高效节能、安全防爆、使用寿命长等特点。

2.3 太阳能辅助原油加热装置

太阳能辅助原油加热装置由真空管太阳能集热器和空气源热泵加热机组2部分组成。

2.3.1真空管太阳能集热器

真空管太阳能集热器是一种通过吸收太阳能提升工质温度的装置，将太阳能转变为热能，可通过联集管内的传热工质或先通过热管与传热工质进行热交换将热能传输至储热箱。在真空管玻璃壁与吸热体之间抽成一定的真空度，以抑制空气的对流和传导热损。真空管太阳能集热器的特点是结构简单、制造方便、可靠性强、集热效率高、保温效果好且使用寿命长，既可在中高温环境下使用，也可在寒冷地区冬季运行[8]。

2.3.2空气源热泵加热机组

空气源热泵加热机组循环过程见图2。电能输入压缩机后，压缩机做功，不断将低压端的低温、低压冷媒气体吸入，加压变成高温、高压冷媒气体。高温、高压的冷媒气体在冷凝器中释放热量变成中温、高压的液体，此时冷凝器中低于冷媒温度的水不断循环，吸收高温冷媒气体放出的热量，从而达到制热水的目的[9]。经过与低温水热交换，冷媒温度降低，逐渐由气态变成液态。中温、高压的冷媒液体经过膨胀阀(节流阀)流入低压端，迅速降低冷媒的压力，变为低温、低压的液体。低温、低压液体在蒸发器中吸热蒸发后变为低温、低压的气体，室外的空气经过蒸发器表面被冷却而降温。低温、低压气体再被压缩机吸入，如此循环往复[10]。

图2 空气源热泵加热机组循环过程

2.3.3太阳能+空气源热泵加热系统

(1)工作原理 将太阳能加热系统与空气源热泵加热系统通过串并联配置方式使用，即将太阳能加热系统作为主级加热设备，将热泵加热机组作为次级加热设备(图3)。结合太阳能加热的特点，将冷水定时、定量补充到系统水箱内，并经过所配置的太阳能加热系统进行强制循环加热。在阴雨天或者日照较弱的季节，通过系统水箱温度控制器控制热泵运行，循环水泵将系统水箱内的水通过热泵循环加热，在达到使用温度之后，热泵停止运行。在日照良好的季节，太阳能加热系统可使水箱内储存水的温度达到使用温度，因此无需开启热泵机组加热，从而达到充分利用太阳能，降低热泵机组辅助加热能耗的目的[11]。

图3 太阳能+空气源热泵加热系统

(2)性能特点 ①高效节能。机组输出能量与输入电能之比，即能效比COP全年平均超过3.5，最高可达6.0，节能效果显著，投资回收期短。②四季皆宜。此加热系统主要由太阳能系统提供热水，在夜晚、阴雨天气、冬季环境温度较低及太阳能资源不足时，热水由空气源热泵机组供应，可四季全天候使用。在环境温度-20～45 ℃的地区均可高效制热水。③安全环保。此加热系统只使用太阳能及少量电能，对环境没有任何影响。在运行过程中无废液、废渣、废热和废气排放，为新型节能环保型热水产品。④智能控制。机组由微电脑自动控制运行(自动能量调节系统)，可根据水箱水温和用水情况自动启停、自动加热、自动恒温，无需专人看守[12]。

3 井口加热装置现场使用经济性估算

3.1 水套加热炉

常压立式水套加热炉总热负荷0.10 MW，温油流量2～3 m3/h，原油进口温度5 ℃、出口温度35 ℃，水进口温度70 ℃、出口温度90 ℃，油盘管工作压力6.3 MPa，燃料种类为煤和气，热效率不小于89%。

按燃煤水套加热炉每天用煤量250 kg计算，每2 h加煤1次，每次加煤量20 kg。煤燃烧时将化学能转化为内能，完全燃烧20 kg煤释放出的热量为5.8×108J。若这些热量的80%被1 500 kg、4 ℃的水完全吸收，使水温升高，根据热量计算公式，升温后水的温度为78 ℃。

若进入盘管前油水混合液温度10 ℃，体积流量3 m3/h，不计热损失，经过水套炉热传导后油水混合液温度上升到33 ℃。根据热量传递过程能量守恒定律，按安塞油田冬季燃煤期约182 d计算，年用煤量45.5 t，费用4.5万元[13]。

3.2 石油防爆电磁加热器

高效节能石油防爆电磁加热器的额定电压为380 V，额定功率30 kW，额定工作压力4.0 MPa，温度控制范围10～100 ℃，功率因数不小于0.95，热效率不小于90%，适用产液量25 m3/d。

将1 m3井口混合液从10 ℃加热到35 ℃，加热1 h的电加热功率为29.2 kW。安塞油田冬季加热期约182 d，年用电127 546 kW·h，费用8.9万元[14]。

3.3 太阳能辅助原油加热装置

太阳能辅助原油加热装置适用井场日产液量不大于40 m3，共16组集热器，供电电压380×(1±20%) V，集热器采光面积64 m2，供电频率(50±5)Hz，辅助电加热额定功率48 kW，运行环境温度-40～60 ℃，集热器规格58 mm×2 100 mm×36 mm，辅助空气源热泵额定功率8.3 kW、额定循环水量6.5 m3/h、制热量38 kW、性能系数4.58。

根据中国气象辐射资料年册(2001)，延安市冬季平均日辐照度10.4 kW·h/(m2·d)。1支集热管的有效吸热面积为0.122 m2，则每组集热器36支管子的吸热面积为4.39 m2，按集热效率96%、玻璃透光率93%、热损率7%计算，集热器平均集热效率为91%。系统热量损失率取为15%，则太阳能集热器每天的集热量为515 kW，平均1 h的集热量为21.5 kW。

按井组每天产进液量40 m3计算，平均每小时产进液量1.667 m3，根据水加热功率的计算公式得水上升温度为11 ℃。井口液从10 ℃起经太阳能加热1 h升温到20 ℃，再经过空气源热泵加热0.5 h升温到30 ℃达到拉运及集输要求。空气源热泵每天工作12 h，每天热泵系统能耗1.67×109J，每日消耗电量102 kW·h，冬季空气源热泵消耗总电量为18 564 kW·h，费用1.3万元[15]。

4 井口加热装置现场应用综合效果比较

不同井口加热装置在安塞油田现场应用比较见表2。

表2 不同井口加热装置现场应用综合效果比较

由表2看出，太阳能辅助原油加热装置安全环保，自动化程度高，以使用寿命10 a为基准，其总费用最低，是水套加热炉总费用的56%，是高效节能石油防爆电磁加热器总费用的31%，可在安塞油田丛式井场推广应用。

5 结语

安塞油田原油生产目前面临着较大的安全环保压力，投资成本高，处置难度大，要满足生产现场节能降耗、绿色环保的需求，需引进新技术、新工艺。合理利用太阳能可以减少能源浪费，而且经济效益和环保效益显著。除建立井口加热装置外，还应在井筒中加入清蜡剂等化学助剂，定时对油井进行热洗，以彻底解决高回压油井冬季原油集输及拉运过程中存在的结蜡问题。