油田地面多相混输加热系统优化研究

杨 扬

（四川科宏石油天然气工程有限公司，四川 成都 610200）

近几年在党中央一系列生态环保政策的引导之下，社会对企业的绿色生产问题越来越关注。为了实现经济价值和生态价值的统一，油田公司对节能环保要求不断提高，减少工程投资、降低系统能耗是地面集输系统设计最主要的任务之一。为了优化简化地面集输系统，应当加快研制多相混输设备，进行多相流基础理论研究等。此外，在油田地面建设的工程中，加热炉技术水平和热效率的提高成了研究热点[1]。

黄辉等（2015）在总结了当前地面集输系统优化工程的基础之上强调了推广简化油井计量以及串联管网技术、加快研制多相混输设备及软件等的重要性，期望通过油气集输标准化设计研究达到减少工程投资、降低系统能耗的目的。

刘元甲（2017）的研究系统地分析了现有加热炉构造特点并开创性优化了炉体结构和受热面布置，针对目前加热炉控制系统存在的问题创新性地制定了控制方案，以期最终实现加热炉自动恒温进行。

王明信等（2007）介绍了萨北油田对不同情况地脱水系统、转油站系统采用的优化调整措施并分析了效果，在总结老油田优化调整经验的基础上，提出了优化调整工作所应当遵循的原则[2]。

本文在了解国内外多相混输加热系统研究现状的基础上，对多相混输加热系统进行了深入研究，并调研了一些油田加热炉现状，然后提出了冷凝式水套炉优化及配套优化和技术开发方案并进行了推广实验，根据实际应用的情况进行了效益分析同时提出相应的优化措施建议[3-4]。

1 国内外多相混输加热系统

1.1 国外研究现状

加热炉是多相混输加热系统的基础设备，目前来说，国外对于加热炉的优化改进研究较为成熟。在发达国家，冷凝式锅炉的投用率较高且使用寿命大多在15年以上[5]。在发达国家，不少高校、研究院和企业逐步开展加热炉的数学模型与仿真研究并开展模糊控制算法及智能控制系统的研究。石化生产专职多采用集散控制系统，但是极少数能真正实现加热炉自动控制，无法达到最优的节能操作状态。

1.2 国内研究现状

目前国内对于冷凝式加热炉的研究数量比较少，许多油田目前水套加热炉的热力设计计算方法主要为经验值法，会导致相应设计的盲目性。从国内的一些研究来看，目前我国的油田还未形成统一的普遍认同的成熟的精确计算方法。同时，大多数油田的供热设备还未实现高效、安全、经济、环保的目标[6]。

大多数油田的加热炉型是由卧式水套加热炉、真空分体相变加热炉、导热油加热炉等不同类型组成。但是和国外加热炉相比，在钢耗量和效率方面优势远不如国外的一些先进油田。国内水套炉在设计安装方面存在效率低下、热能损耗严重、受热面抗腐蚀性差等一系列问题。因此，开展冷凝卧式常压水套加热炉开发及应用研究的意义十分重大，不仅符合国内油田供热设备实现高效、安全、经济、环保的转变，同时符合工业加热炉的国际发展方向。

某油田加热设备见图1。

图1 某油田加热设备

2 冷凝式水套炉优化及配套技术

2.1 燃烧系统

水套炉主要采用两种形式燃烧系统`，一种是全自动微正压燃烧器，一种是自然通风负压燃烧系统。水套加热炉的高效运行需要配备一定的安全措施，包括用热负荷自动调节燃烧火焰大小、熄火保护装置以及低液位联锁保护等。为了实现水套加热炉的高效运行就要实现较高的自动化程度，因此燃烧系统为全自动微正压燃烧系统并配备全自动燃烧器。此外，为了配合现场的安全运行，应当在水套炉前燃烧系统设置长明灯等装置以确保安全运行[7]。

2.2 加热炉自动控制系统

为了更好地提高加热炉的热效率以及降低热损耗，增加的安全联锁系统能很好地提升运行安全性。首先要控制好出口温度，影响加热炉出口介质温度的干扰因素较多，包括工艺介质的流量、温度、组分；燃油或燃气的热值、压力；烟囱的抽力等，因此在大多数的情况下，出口介质温度的标准较高。其次是要控制好燃烧过程，可以通过降低过量空气系数至工艺允许的最小值来实现炉子燃烧的高效率。氧气含量监测系统平稳运行的关键在于仪表监测和高效的执行机构。联锁保护系统的设备较多，主要包括主控平台、保护熄火装置、液位变送器、压控以及鼓风机等等。

2.3 热管冷凝和冷凝液排水装置

热管冷凝装置大致分为两类，一类是常规管式冷凝装置，但是常规冷凝经济性差不宜采用；一类是热管式冷凝装置，更加适合冷凝式水套加热炉要求，传热强度大以及体积小。热管冷凝装置属于冷凝式水套加热炉的关键部件，要求耐腐蚀并且尽量节约安装空间。除了热管冷凝装置之外，密封冷凝液排水也属于冷凝式水套加热炉开发的关键部件，通过及时排出冷凝装置产生的腐蚀性冷凝液以减少冷凝液对水套加热炉的腐蚀。该装置设计难点在于要考虑装置本身的防腐性，因此材料的选择十分关键，目前来说体积小、性能可靠的内置水封式密封冷凝液排水装置是最优选择。

2.4 保温和防腐技术

水套加热炉的保温效果会直接影响原油、天然气及被加热炉介质的流动温度，保温材料和保温工艺技术的选择十分重要。其中管线和装置的设计温度应当不高于保温原料的使用温度。在防腐技术方面，加热炉烟道等金属内壁腐蚀的机理是氢去极化腐蚀、氧去极化腐蚀以及温度的影响。腐蚀速率由水解生成碳酸的速度和扩散至管道表面的速度共同决定的。此外，含水蒸气的烟气随着对流过程排出烟囱时，会有部分在烟道、烟箱内反复扩散流动，容易发生酸性腐蚀和氧化腐蚀。因此，优化的新方案要考虑。

2.5 实际应用与效益分析

优化了冷凝式水套加热炉之后，研究区油田多相混输加热系统运行平稳，运行成本相较之前也有所降低，初步实现了建设节能绿色高效新型油田的目标。通过分析实际运行的一些数据不难发现新的设计措施效果良好，并且在运行的过程中没有出现爆管泄漏事故。除了部分烟箱出现了渗水现象，这是由于垫片质量出现一些问题。此外，腐蚀损坏现象未出现，冷凝液均排放正常。

表1 加热炉优化前后热效率对比

通过收集方案运行前后的数据，如燃料费用等，进行计算可知改良后的冷凝式水套炉技术能节约成本115 万元左右，经济效益良好。实际上，从经济效益和运行情况来看，冷凝式水套加热炉可以在各大油田进行推广应用，不仅适应了油田节能降耗的发展趋势，同时其开发也有效提升了地面工艺设备的技术程度。

3 优化措施建议

3.1 设置相应的工人培训课程

在水套炉运行的过程中虽然具备了一定的自动化水平，但是在现场运行的过程中由于操作工人的不规范操作而存在一定的安全风险。因此，为了降低加热系统在运行过程中的风险，不管是化工企业还是各大油田都应当设置一定的培训课程，不断提高工作人员的操作水平，减少设备运行过程中的风险和安全隐患。

3.2 加大资金和技术投入做好设备维护

冷凝式水套炉的优化级配套技术的开发与转型升级离不开资金技术的支持。设备的升级以及维护需要投入大量的人力物力财力资源，包括燃烧系统长明灯装置的安装、加热炉自动控制系统的安全连锁系统、热管冷凝以及冷凝液排水装置以及保温和防腐技术所涉及的相关材料等，这些都需要配备安全系数较高、质量较好的材料以及技术人员进行合理的操作和设备维护

3.3 坚持较高的考核指标要求

在实际应用的过程中，化工企业或者油田都应当坚持较高的考核指标要求，如加热炉的热效率尽量达到80%以上。本研究提出的新的优化方案能够有效提高系统效率，达到节能降耗的目标，同时很好地解决了生产过程中能源消耗过大、设备不匹配、工艺不合理等问题。因此，化工企业在日常的生产过程中对于设备应当坚持较高的考核指标要求，坚持系统节能的方法，不断提高炉子的效率。

4 结束语

本文提出的改进方案包括燃烧系统、热管冷凝装置、冷凝液排水装置、保温和防腐技术的优化，在实际运用的过程中取的良好的经济效益，具有一定的推广意义。