油田稠油生产站场采暖节能改造技术与应用

赵立新（中国石油天然气集团公司西北油田节能监测中心）

油田生产冬季保温需求相对较大，生产站场大都采用蒸汽采暖方式，采暖蒸汽量可以达到60.7×104t。所用蒸汽为生产用高温、高压蒸汽，存在能耗高、热能利用率低、管理难度大、不安全等缺点。为确保油田站场采暖选用合适的采暖方式，合理控制降低采暖能耗，经过对站场采暖技术的对比分析，总结各项采暖技术的优缺点及适应性，为今后站场采暖改造工作提出了指导性意见。

1 油田稠油生产站场采暖技术分析

油田稠油生产站场主要分为三类：稠油处理站与污水处理站、供热站、采油计量站。每一类站场的热能来源、热能品质及采暖方式各不相同。

1.1 供热站蒸汽采暖

早期的油田稠油站场采暖工艺设计均为蒸汽采暖，即以注汽锅炉生产的高温高压蒸汽为热源，在站内经两级减压后（降至0.4～0.6 MPa）进入站内采暖系统，散热后的蒸汽凝结成水，凝结水经疏水阀进入回水系统，由回水管网排入排空池，经一次循环后直接外排。

1.2 蒸汽加热采暖技术

1.2.1 蒸汽换热

注汽管线换热是通过在锅炉蒸汽出口管线上安装1 台夹套式换热装置，将换热装置内的水加热并利用循环泵对站区进行供暖。

1.2.2 蒸汽自动掺热

蒸汽自动掺热是采用直混式蒸汽相变加热器加热循环水，将蒸汽掺入到加热罐中冷凝，凝结水与热网水混合，进行直接接触式换热。该换热方式可解决结垢及凝结水回收问题[1]，工艺流程见图1。

图1 蒸汽自动掺热采暖系统流程

1.2.3 汽动加热

汽动加热是利用蒸汽经过喷嘴膨胀后形成的高速汽流作为动力源（图2），在变截面混合腔中与低压水流直接接触后形成超音速的汽液两相流，在流动受阻塞时产生凝结激波，实现冷水的升压和加热[2]。

1.3 污水余热利用采暖技术

1.3.1 稠油处理站污水热泵采暖

稠油处理时将会产生大量高温含油污水，经处理达标后才能回用或排放，其温度在40～50℃之间。利用热泵采暖既能回收部分低品位热量，又能达到冬季供暖的目的。目前热泵采暖包括压缩式热泵采暖和溴化锂吸收式热泵采暖。

图2 汽动加热原理

图3 压缩式热泵工作原理

1）压缩式热泵。其工作原理为逆卡诺循环原理，通过消耗一部分外界能量（如电能）把环境介质中贮存的能量加以提取，再通过传热工质循环系统提高温度进行利用，装置所消耗的功仅为输出功的一小部分。因此，采用热泵采暖可以节约大量高品位能源。

热泵性能一般用COP（能效比）来评价，压缩式热泵的COP 一般在3～6 左右[3]。压缩式热泵工作原理见图3。

2） 溴化锂吸收式热泵。它是以天然气、蒸汽、高温水等为驱动热源，吸收低品位热源的热量，制取较高温度的热水，实现由低温向高温进行热量传递的设备[4]。其工作原理见图4。

图4 直燃型溴化锂吸收式热泵工作原理

在实际应用中，热泵采暖是通过吸收污水中的余热制取高温采暖水，可代替热水锅炉供暖，达到节能减排的目的。吸收式增热型热泵机组的COP 可达到1.8，节能效果显著。

1.3.2 污水处理站高温净化污水采暖

1）高温净化污水直接采暖。在稠油生产的采出液中含有大量高温污水，将这部分污水分离、净化、软化后，可以作为供热站生产蒸汽的给水水源；并且由于这部分高温软化污水的温度较高，可以代替蒸汽直接用于采暖。

2）高温净化污水换热采暖。虽然高温采出水（温度大于80 ℃）达到直接供暖要求，但考虑到净化污水中可能含有H2S 气体，直接用于采暖系统存在一定的安全隐患，因此采用间接换热的供热形式。其工艺流程见图5。

图5 高温污水换热采暖工艺流程

对于水温介于65～75 ℃的高温污水，换热后的温度达不到常规采暖温度，采用风机进行强制对流散热，能适应低温介质进行采暖，一般要求水温在55～65 ℃之间即可满足采暖要求。

3）热管换热器加热污水采暖。利用热管换热器加热回用的软化污水，并使软化污水在原保温系统内循环。该采暖技术适用于软化污水温度不能满足采暖要求的场所。其工艺流程为：将来自污水处理站的净化污水输送到供热站注汽锅炉，在注汽锅炉烟气热管换热器的热水出口处加装1 条管线，再将经热管换热器加热的污水来液通过增压泵送到供暖系统中，经供暖系统循环后输至柱塞泵进口处，以继续用于生产之中（图6）。

图6 利用热管换热器加热污水采暖工艺流程

1.4 采油计量站采出液余热利用采暖技术

1.4.1 高温采出液换热采暖

采用换热器将高温采出液与软化清水换热，加热后的软化清水作为采暖介质，用泵加压循环至各计量站，可取代蒸汽取暖。其工艺流程见图7。

图7 高温采出液换热采暖工艺流程

高温采出液换热采暖技术改造中采用的换热器类型有螺旋板式、宽流道板式和盘管式三种。

1）螺旋板式换热器。它是用两张平行的金属板卷制成的两个螺旋形通道，冷热流体之间通过螺旋板壁进行换热的换热器[5]。采用螺旋板式换热器，需在室外建设彩板房对换热器及管道泵进行保温。在现场实际使用中发现，由于高温采出液中杂质较多，导致换热器部分堵塞影响换热效果，值守站室内温度仅有15 ℃，达不到野外值守站的室内要求温度。

2）宽流道板式换热器。它采用粗波纹结构设计，板片外廓基本由水平波纹构成，介质可以无限制地流过板片的换热表面而不发生堵塞现象。采用宽流道板式换热器，需在室外建设彩板房对换热器及管道泵进行保温。在现场实际使用中发现，该换热器适应性较差，采出液中油稠、含砂量大，容易导致热源管网及设备发生刺漏和堵塞事故，后期维护运行工作量大。

3） 盘管式换热器。在站区生活水罐上焊接进、出水口管线，出水口连接管道泵，管线以盘管的方式缠绕在缓冲罐外壁上，并涂覆导热胶泥；利用缓冲罐热量传导换热对管线中的水加热来对站区供暖，最后回水至生活用水灌（图8）。该供暖方式工艺流程相对简单，管理方便，采暖换热效果较好；可同时对站区生活水进行保温，暖气进水温度达75 ℃，还可实现生活用水全天候保温。

图8 盘管式换热器

1.4.2 采出液直接采暖

油井采出液温度一般在60～110℃之间，满足计量站采暖要求，适用于两级布站模式的计量站。单井采出液进计量间后可混合进集油罐，其工艺流程见图9。

该采暖技术具有单井或多井同时改入保温系统的不同方式，其温度可根据需要进行调节；同时还具有投资少、功能性强、操作简单等优势，经济效益可观。但由于油井采出液可能含有H2S，存在一定的安全隐患，更适合无人值守巡检计量站，并应定期检测采暖系统壁厚。

2 采暖技术评价

通过多种形式采暖工艺的现场应用，对比各项采暖技术优缺点，综合评价各项采暖技术后，得出各项采暖技术综合分析结果，如表1 所示。

3 稠油站场采暖技术优选

综合分析油田稠油生产站场及各类采暖技术的适应性，形成以下初步结论：

1）稠油处理站与污水处理站采暖。其共同特点是都有大量的低品位余热利用资源可应用；根据污水温度和采暖负荷等情况，可选择热泵余热采暖技术、高温污水换热与强制对流结合采暖技术。

2）供热站采暖。对于没有回用污水余热利用资源的供热站，可采用蒸汽加热采暖技术进行改造。对于已进行高温回用污水改造的供热站，在不影响锅炉安全运行的情况下，可进行热泵余热利用采暖技术改造，也可进行蒸汽加热采暖技术改造。

图9 采出液直接供暖流程示意图

表1 各项采暖技术的优缺点和综合评价

3）各采油计量站。可分为中心计量站与托管计量站，中心计量站可供操作人员值班与休息，托管计量站无人值守，操作人员只进行现场操作，操作完毕后则回中心计量站。考虑到安全因素，在中心计量站应考虑选用高温采出液换热采暖技术，无人值守计量站可根据采出液温度选择采出液换热采暖或直接采暖技术。

根据已完成改造的21 座稠油站场6 类采暖技术的检测结果，对各种采暖技术应用的经济效益做了对比（表2）。

表2 不同采暖技术的应用综合效果

根据各种采暖技术的应用条件及其安全性和经济效益的综合比较，得出不同类型稠油站场采暖改造和新建稠油站场采暖工艺设计的依据（表3）。

4 结论

由于油田生产现场实施的各类采暖方式的技术特点、使用条件、使用效果和经济效益各不相同并各有特征，因此，各类采暖技术在生产现场都有自己的适用范围。特别是稠油处理站与污水处理站、供热站、采油计量站的生产环境、余热资源差别较大，设计单位应在采暖技术及采暖方式的选择上切合实际，选择最佳的技术和方式。