基于集肤电伴热的集输管道节能评价研究

姜天雪 （大庆油田有限责任公司第五采油厂）

我国原油多为高凝、高黏、高含蜡的“三高”原油，特别是陆上油田开发进入中后期，油井采出液呈高含水特点，因此在集输过程中的热能消耗占比较大，约占地面系统能耗的85%～95%[1-2]，对热能消耗进行优化研究对于解决油气田生产过程中的流动保障问题具有重要意义。

常规集输工艺有井口电加热、双管枝状掺水和单管环状掺水等，根据掺水点位置的不同环状掺水方式还可细分[3]，但这些均属于在管道起点进行集中加热，受轴向温降的影响，油流在流动的过程，温度不断降低至析蜡点甚至凝固点，故集输管道面临原油胶凝、蜡沉积和压降过大等问题。内置式集肤电伴热系统是一种新的金属管道加热技术，其原理是基于邻近效应和集肤效应的共同作用[4]，产生的焦耳热来自伴热管表面和内部的电阻热及交变磁场产生的磁阻热。集肤电伴热具有加热效率高、控温准确、发热均匀、维修费用低等优点，目前已在国外海上油气田广泛应用[5-8]。但在我国只有渤海油田投入了一条集肤电伴热海底管道，该项技术在陆上油田的应用还较少，对两种工艺加热效能的分析也较少。

1 温降计算

集中加热和集肤电伴热两种加热方式的温降曲线见图1，其中管道首末两端的沿线温降梯度是不同的，起点温度与环境温度的差值较大，温降较快，但在管道末端差值变小，故温降较小，且集肤电伴热的整体温降梯度较小。假设管输量、起点温度、末点温度不随时间变化，油流与周围介质的总传热系数保持不变，将集肤电伴热中的伴热管等效为线热源，伴热功率不随时间和里程发生变化，由此得到集肤电伴热的热平衡公式：

图1 温降曲线Fig.1 Temperature drop curve

式中：K为总传热系数，W/(m2·℃)；D为管道内径，m；T为油流的平均温度，℃；T0为环境温度，℃；x为管道长度的微元，m；G为质量流量，kg/s；c为原油比热容，J/(kg·℃)；q为集肤电伴热的伴热功率，W/m2；g为重力加速度，m/s2；i为水力坡降。

公式（1）左边为微元dx段管道通过管壁向周围环境的散热量，右边第一项为该管段降温dT所释放的热量，第二项为集肤电伴热产生的热量（相当于对管道内壁面积进行整体加热），第三项为dx段管道介质摩擦产生的热量，其中摩擦生热可以忽略不计。将式（1） 两边进行积分后，得到温降公式：

式中：T_out和T_in分别为集肤电伴热应用后的管道起点温度和末点温度，℃；L为管道长度，m。

公式（2）与标准苏霍夫公式类似[9]，不同的是集肤电伴热使沿线整体温度提升，等效于环境温度提升。对于集中加热方式的温降公式为：

式中： ΔT为集中加热方式相较于集肤电伴热方式的起点升温，℃。

由于两种加热方式的末点温度相同，遂将公式（2）～（3）联立得到：

其中，总是大于1，由此可知ΔT始终大于0，说明在相同末点温度的前提下，集中加热方式的热能消耗较大。相同管线的集肤电伴热总负荷为：

集中加热总负荷为：

式中：Pd、Pc分别为集肤电伴热和集中加热的总负荷，W；ηd、ηc均为热效率，%。考虑到井口电加热或加热炉的热效率通常在95%以上，集肤电伴热的热效率同样较高，因此认为ηd=ηc。此外，集肤电伴热理想下可视为等温输送，T_in和T_out两者相等，将公式（4）～（6）联立，得到两者的节能占比ε为：

式中a=KπDL/Gc。可见节能比与K、D、L呈负相关，与G、c呈正相关。在a为0～10 的范围内，对节能比ε的取值，节能比和a的关系见图2。可见ε均小于1，且a越大、ε越小，在a大于6 时，集肤电伴热方式的节能效果已经非常明显。

图2 节能比和a 值的关系Fig.2 Relation between energy conservation ratio and a value

2 影响因素分析

通过控制变量法，考察不同因素对节能比的影响，固定取值如下：K=1.5 W/(m2·℃)、D=150 mm、L=10 km、G=10 kg/s、c=2 000 J/(kg·℃)。其中，总传热系数根据GB 50350—2015《油田油气集输设计规范》中附录E 的要求，对于埋地硬质聚氨酯泡沫塑料保温管道的总传热系数取值为0.84～2.51 W/(m2·℃)；设计规范中要求集输管道最小管径为50 mm，范围50～200 mm；管道长度根据现场实际情况选取；质量流量根据管道经济流速范围选取；比热容参照该油田不同区块的原油物性，取值1 500～3 000 J/(kg·℃)。

2.1 不同总传热系数的影响

不同因素总传热系数对节能比的影响见图3。随着总传热系数的增加，节能比呈直线下降，且管径越大、管道长度越长、质量流量越小、比热容越小，节能比的下降幅度越大，说明这些因素变化时集肤电伴热的节能效果更为明显。在总传热系数小于1.0 W/(m2·℃)时，总传热系数对节能比的影响不大。考虑到有些埋地环境的地温较高，对于总传热系数可常年1.0 W/(m2·℃)以下的敷设环境，采用集中加热方式更为经济。

图3 不同因素总传热系数对节能比的影响Fig.3 Influence of total heat transfer coefficient of different factors on energy conservation ratio

2.2 不同管道长度的影响

不同因素管道长度对节能比的影响见图4。与总传热系数对节能比的影响规律类似，随着管道长度的增加，节能比呈下降趋势，且总传热系数越大、管径越大、质量流量越小、比热容越小，节能比的下降幅度越大。在管道长度为1 km 时，不同因素对节能比的影响较小，说明小范围内的集输管道加热技术应综合考虑集中加热和集肤电伴热的工艺投资、维护费用和回报周期等条件。对于集输管道长度小于5 km 时，采用集中加热方式更为经济。

图4 不同因素管道长度对节能比的影响Fig.4 Influence of pipeline length of different factors on energy conservation ratio

2.3 不同质量流量的影响

不同因素质量流量对节能比的影响见图5。随着质量流量的增加，节能比呈指数增长，并在质量流量增加至一定程度后，不同因素下的节能比趋于稳定，总传热系数越大、管径越大、管道长度越长、比热容越小，节能比的下降幅度越大。无论总传热系数、管径和比热容如何变化，在质量流量大于20 kg/s 时，其节能比总是高于0.8，说明在管内处于大流量甚至满流的情况下，集肤电加热的节能效果不明显，此时采用集中加热方式更为经济；在质量流量小于20 kg/s 时，节能随质量流量的变化较大，此时采用集肤电伴热方式更为经济。考虑到原油比热容与节能比呈正相关，其规律与质量流量类似，故在此不再进行赘述。

图5 不同因素下质量流量对节能比的影响Fig.5 Influence of mass flow of different factors on energy conservation ratio

3 实例应用

3.1 管道基本情况

以大庆油田第五采油厂西干渠附近杏斜区块所辖的12.5 km 的集输管道为例，对集肤电伴热的加热效果进行评价。管径D114×6 mm，保温材料采用聚氨酯泡沫，设计输量500 m3/h。在管道起点处铺设了集肤电伴热系统装置，整体由交流电源、耐热电缆、伴热钢管、接线盒和集肤电流层等组成，伴热钢管与输油管道的钢管层进行焊接，并由保温层实施包裹，伴热钢管与耐热电缆通过接线盒形成闭合回路。

管道所在地区的冬季土壤（埋深1 m）最低温度为-3.2 ℃，夏季土壤最高温度为20 ℃，根据原油凝固点设计集肤电伴热系统的运行温度为45 ℃±5 ℃，最高不超过60 ℃。管道冬季最大散热量为60 W/m，则最大热负荷需求为750 kW，集肤电伴热的伴热功率为75 W/m，则最大热负荷补偿为937.5 kW，满足管道在极端环境下的热需求。

3.2 电伴热效果评价

2022 年1 月20 日16：00，管道停止电伴热，利用SCADA 系统统计管道起点和末点的温度变化情况见表1。管道实施集肤电伴热时，起点和末点的温差在3～6 ℃之间；停止电伴热时，在起点温度基本不变的情况下，末点温度逐渐降低，两点温差扩大到6～13 ℃，待1 月22 日6∶00 时，末点温度已降低至39.12 ℃，低于40 ℃，此后电伴热自动启动，末点温度有所回升。从上述分析可知，采用集肤电伴热可使末点温度提升3～7 ℃，平均提升5 ℃左右。如采用常规集中加热方式，需将起点温度提升至70 ℃左右，而站内加热炉的额定负荷为1 160 kW，根据公式（6）计算同等条件下采用集中加热方式的热负荷为1 298.6 kW，说明现有站内加热炉无法满足集中加热的需求，站内加热炉处于超负荷运转，容易产生机械故障和热疲劳。与集肤电伴热的热负荷937.5 kW 相比，集中加热方式增加了361.1 kW，进一步验证了集肤电伴热节能效果的有效性。此外，电伴热停止工作后，在38 h 后温度才突破设定的下限温度，如采用集中加热方式，在10 h 左右就达到了停输再启动的临界点，集肤电伴热方式在安全停输时间上也优于集中加热方式。

表1 管道温度变化情况Tab.1 Changes in pipe temperature℃

3.3 全年热负荷核算

进一步核算两种加热方式下的管道全年热负荷见图6。集中加热方式每月的热负荷基本一致，在7 月份温度较高时，热负荷出现最小值，这与土壤温度升高，总传热变小有关[10]；集肤电伴热方式1—9 月的热负荷基本一致，10—12 月的热负荷相比较小，说明此加热方式受环境温度的影响较小；节能比呈先增加后减小的变化趋势，并在7 月份和10 月份分别达到最大值和最小值，进一步说明了采用集肤电伴热在冬季时的节能效果更好。

图6 不同加热方式的节能效果对比Fig.6 Comparison of energy conservation effects of different heating methods

相较于集中伴热，集肤电伴热方式每年可节约热能15 543.55 kW，相当于关停13 台1 160 kW 的管式加热炉，根据《中国石油天然气生产企业温室气体排放核算方法与报告指南（试行）—2015》对碳排放量进行核算，可年减少碳排量10.215 t CO2。

4 结论

1）根据热平衡原理，从理论上推导了集中加热和集肤电伴热的热负荷，提出采用节能比衡量集肤电伴热的节能效果；对于同一条管道，集肤电伴热的节能效果较为明显；与传统新建计量间的集中加热方式相比，所需的建设成本更小，运行费用更低。

2）相较于集中伴热，集肤电伴热方式每年可节约热能为15 543.55 kW， 年减少碳排量为10.215 t CO2。

3） 集肤电伴热需在管道中心设置加热装置，日常运行中应重点关注其密封性和完整性，是否影响今后的清管作业周期及清防蜡措施的实施还有待探讨。