油田站场供热模式浅析

摘要:随着油田企业耗能的不断扩大,如何降低能耗、提高企业的能源利用率成为企业的首要问题。本文从技术经济的角度对油田企业的站场供热模式进行了分析,提出了油田站场供热热能利用率的倾向性结论意见。

关键词:油田供热;蒸汽锅炉;真空炉;热媒炉;高温热水炉;供热模式;传热强度;热效率

中图分类号:TQ424文献标识码:A文章编号:1009-2374 (2010)10-0088-04

一、油田供热介绍

目前,我国的能源利用率与国际先进水平相比还很落后,平均能源利用率只有约32%,与先进水平相比约低10%左右。特别是石油化工行业既是产能大户也是耗能大户,与其他行业相比还有很大差距,这也意味着在节能降耗上还有很大潜力可挖,因此,如何在石油化工行业采取节能措施,提高热能利用率,对提高我国的能源利用率和石油行业的持续发展有着重要意义。

近几年来随着长庆油田产建规模的快速发展,每年产建规模均在百万吨以上,年油气总产能规模在2003年达到了油气当量1000万吨的水平,2009年更是达到了油气当量3000万吨的水平。伴随着油田的储存、运输的发展,油田站场供热也得到快速发展。特别是自1990年以来,油田站场供热的供热模式也随着供热技术的不断进步呈现出“百花齐放”的状态,由相对单一的蒸汽炉供热、加热炉供热的供热方式,逐步发展到蒸汽炉供热、热媒炉 (导热油炉)供热、真空加热炉(含分体式真空炉)供热、高温热水炉供热等多种供热方式并存的局面。另外,各种供热炉的单台供热能力也在发生变化,有小型设备大型化的趋势,特别是作为油田专用设备的真空加热炉 (含分体式真空炉)的单台供热能力由1.25MW提高到7MW,已达到或接近部分小型蒸汽炉和热媒炉的单台供热能力。在上述供热模式的使用过程中,油田站场的供热已逐渐显出供热工艺流程不统一、不同站场供热设备难以调配、管理困难等问题,且部分供热模式还存在工程投资高,运行成本高、热能利用率低等较为严重的问题。因此,为使长庆油田的供热模式趋于安全、经济、合理,如何合理确定油田站场的供热模式成为当前急需解决的重要问题。

二、油田供热的现状、存在的问题及对比分析

长庆油田产能建设的站场供热由早期的蒸汽锅炉供热模式逐步发展到20世纪80年代的蒸汽、热水相结合供热模式;之后,在供热技术的进步推动下,到20世纪90年代中期,在油田的大、中型站场 (如油气集输联合站、集中处理站、长输管线的首、末站和中间站)逐步在部分站场开始尝试使用高温热水炉、热媒炉、真空炉、分体式真空炉等多种供热模式;小型站场 (如增压点、计量站、供水站等)基本上均采用常压开式供热模式。为了贴近实际情况和分析问题,同时考虑到小型站场供热已经较为成熟,只将1991年以来各种供热模式的使用情况和存在问题进行分析。

(一)各供热模式在联合站、集中处理站、长输管线使用状况

各供热模式在油田使用状况见表1:

表1各供热模式在油田使用统计表

项目 使用的站场数量 供热模式的使用频率 代表性站场

蒸汽炉供热 12 28.57% 靖一联、靖二联、王窑集中处理站、靖惠管道首末站、洛川分输站、悦乐联合站、华池集油站等

热媒炉供热 3 7.14% 靖惠管道中间站、西一联、西二联

真空加热炉 26 61.90% 油一联合站、侯市集油站、扬米间集油站、云盘山联合站、姬塬集油站、白云山联合站等

高温热水炉 1 2.39% 白玉山集油站

(二)油田应用的几种供热模式的供热工艺原理及相应优缺点

1.蒸汽锅炉供热模式:主要用在联合站、集中处理站、长输管道的首末站等一些大、中型站的供热 (包括原油加热、保温和站内采暖)。其原理是锅炉产生的蒸汽分别进入生产换热装置和热水换热机组,经降温后变为凝结水流至软化凝结水罐,再由给水泵升压后送至锅炉加热蒸发,如此往复循环,达到站内供热的目的, 原则性热力流程图如图1所示:

图1蒸汽炉供热模式原则性流程图

蒸汽炉供热模式的优点是:自动化程度较高;介质温度高,有利于提高传热强度;供热负荷与需用热负荷有较好的适应性,在基本负荷有保证的情况下,不会出现“大马拉小车”现象;工艺成熟,便于操作和站内管线吹扫;热介质为水,既便宜且就地取用方便。

蒸汽炉供热模式的缺点是:虽供热设备自身热效率高,但整体热能利用率较低;对自控水平以及给水水质要求较高;锅炉的单台容量确定要受到站内基本供热负荷制约,否则运行中会出现“大马拉小车”现象;此外,由于跑、冒、漏及凝结水的二次蒸发,致使凝结水难以全部回收,凝结水回收率最好的系统也只能达到70%左右;辅助设备较多。

2.真空锅炉 (含分体式真空炉)供热模式:在现有的一些集油站、转油站、加热站等一些中小型站的供热 (包括原油加热和站内采暖),基本上采用真空加热炉进行供热。其供热原理是:燃烧产生的高温烟气将锅内的加热沸腾,产生蒸汽,蒸汽通过加热盘管把热量传给被加热介质后冷凝成水,水又落下,再次被加热成蒸汽,如此往复循环形成热平衡状态,同时由于蒸汽冷凝,在炉壳内形成真空产生负压。原则性热力流程图如图2所示:

图2真空炉供热模式原则性流程图

真空炉供热模式的优点是:热效率高 (可达88%~90%);热交换在锅内进行,初始热能损耗小,无热力管网热损失,整体热能利用率高;实现了加热介质和被加热介质的变相传热,传热强度大、效率高,有效减小了换热套管的面积,并使加热炉的体积得到有效减小;此外,由于水在炉内封闭循环,水损失小且不需进行水处理。

真空炉供热模式的缺点是:炉内介质温度较低,加热温差较小;单台设备价格较高,另由于加热炉内油加热盘管和采暖加热盘管制造时已固定成型,油、水加热负荷被相对固定,不能根据油加热负荷和采暖负荷的大小进行合理的动态热量分配,始终需根据较大一侧负荷确定炉子负荷,使得“大马拉小车”的现象始终在其中一侧出现,从而易造成设备选型扁大和运行中的能源浪费;受炉子体积制约,加热盘管面积受到限制,故单台容量较小 (目前一体式最大为1.25MW、分体式最大7MW)。

3.热媒炉 (导热油炉)供热模式:主要用在联合站、集中处理站、长输管道的首末站等一些大、中型站的供热 (包括原油加热、保温和站内采暖)。热媒炉 (导热油炉)原理是燃料在炉内燃烧产生的高温烟气加热炉内快速流动的热媒 (导热油),热媒 (导热油)获得热量后用循环系统将其分别送入生产换热装置和热水换热机组等用热设备,热媒 (导热油)与用热介质充分换热后重新进入热媒炉 (导热油炉),如此往复循环,达到站内供热的目的,原则性热力流程图如图3所示:

图3热媒炉供热模式原则性流程图

热媒炉供热模式的优点是:导热油可提供高达350℃的高温热源而系统压力只有5~8MPa,系统安全性较高;一套热媒炉系统可提供不同温度段的用热设备,并可根据热端热负荷变化自动调节系统热量分配;与蒸汽炉相比系统用水处理规模小、维护费用低,非常适用于水资源非常短缺的油田站场供热;导热油稳定性好,对炉子本体基本无腐蚀,炉子使用寿命长;运行过程中基本不存在跑漏现象,整体系统热能利用率较高。

热媒炉供热模式的缺点是:由于炉子介质平均温度较高,导致热媒炉排烟温度高,使热媒炉自身热效率在相同条件下热效率较低 (设计效率一般在81%~85%之间);导热油为专用油价格较贵成本高,且介质老化更换对环境影响大,不宜就地处理;辅助设备仍然较多,设备价格较高,工程投资较大。直接用于大罐保温时,会引起加热器原油侧结焦,降低传热效率。

4.高温热水炉供热模式:高温热水炉供热是结合蒸汽、和热媒炉的特性,为减少水处理规模,避免蒸汽供热模式由于跑帽漏造成的大量水损失和热能损失,同时避免热媒炉供热模式采用价格高的专用导热油,利用水在不同的压力下具有不同的饱和温度这一特性,推出了高温热水炉供热这一供热模式。可用于联合站、集中处理站、集油站、长输管道的首末站等一些大、中型站的供热 (包括原油加热、保温)。高温热水炉工作原理是燃料在炉内燃烧产生的高温烟气加热炉内流动的热水,水获得热量后成为相应饱和压力下的高温热水 (温度可达130℃~160℃,相应饱和压力为0.202~0.63MPa),用循环系统将其分别送入生产和采暖等用热设备,高温热水与用热介质充分换热后重新进入高温热水炉加热,如此往复循环,达到站内供热的目的,原则性热力流程图如图4所示:

图4高温热水炉供热模式原则性流程图

高温热水炉供热模式的优点是:单体设备热率高,设备价格低,系统工艺可靠,安全性较高;可根据热端热负荷变化自动调节系统热量分配;与蒸汽炉相比系统用水处理规模小,维护费用低,适用于水资源短缺的油田站场供热;与真空炉相比具有传热温差大的优势,特别有利于有较大生产保温负荷的站场供热;使用的热载体为水,而水性能稳定,经过适当处理可避免水对炉子的腐蚀;运行过程中载热体循环使用只有轻微的跑漏现象,故整体系统热能利用率也较高。

高温热水炉供热模式的缺点是:为了防止运行过程中出现汽化,提高了供热末端的工作压力,从而使整个供热系统在较高压力下工作;辅助设备仍然较多。

(三)各供热模式的主要性能参数对比

为了便于比较和说明问题,选用相近供热能力的供热设备进行性能参数对比。具体见表2:

表2供热设备性能参数对比表

项目 蒸汽炉 真空炉 热媒炉 高温热水炉

供热能力 4t/h 3MW 3MW 3MW

热载体

温度

热效率 89% 90% 84% 89.5%

燃气消耗量(m3/h) 362.36 358.33 383.92 360.34

燃油消耗量(kg/h) 305.15 301.75 323.32 303.44

排烟温度 180℃ 170℃ 240℃ 175℃

炉壳工作压力MPa 1.0 -0.03

~-0.01 0.5~0.8 1.0

设备价格

(万元) 34.6 79 85 36.5

对外传热方式 外部

换热 炉内换热 外部换热 外部换热

适用燃料种类 煤、油、气 油、气、(煤) 油、气 煤、油、气

从表中可以看出,除热媒炉外这几种供热模式的设备自身热效率基本接近;热媒炉的传热温差最大,但由于排烟较高导致热效率最低,燃料耗量最大;真空炉热效率虽最高,但其热载体温度最低,只适用于被加热介质升温不太高的站场。

三、油田现用各供热模式的静态经济性分析

为了定量说明问题,我们假设在某一联合站选用2台3MW 燃油供热设备,站内采暖、保温负荷为2MW。进行经济对比分析。

1.基础数据。根据联合站生产特点,为便于比较,在经济性分析中统一采用如下基础数据:

运行时间按每年300天计;夏季按120天计;冬季按180天计;

每天运行时间按18小时计;

运行台数:夏季按一台运行;冬季按两台运行;

燃油价格:2000元/t;

电价:0.50元/度;

水价:2.7元/t;

人员工资 (含福利):1.14×22000=25080元/人・年;

需用构筑物建筑面积:

蒸汽炉 280m2;

真空炉80m2;

热媒炉150m2;

高温热水炉150m2;

设备折旧费按20年直线折旧进行计算。

维修费按设备折旧费的30%计算。

2.工程投资对比。按相同的供热能力和相同的外部供热条件来设置主、附设备和配套设施,对工程投资进行估算,具体如表3。

表3工程投资对比表

项目 蒸汽炉 真空炉 热媒炉 高温热水炉

供热主设备(万元) 34.6×2 79×2 85×2 36.5×2

水处理设备(万元) 8×2 0.5

(电子型) 4 6

生水泵(万元) 0.6×2 / 0.6×2 0.6×2

循环水泵(万元) 0.85×2 0.85×2 0.85×2 0.85×2

补水泵(万元) 0.3 0.3 0.3 0.3

采暖换热器(万元) 1.2 / 1.5 2

分汽缸(万元) 2.5 / / /

凝结水回收装置(万元) 4.5 / / /

20m3生水罐(万元) 3.81 3.81 3.81 3.81

安装、主材费(万元) 35 30 45 48

土建部分(万元) 33.6 9.6 18 18

电气、仪表部分(万元) 5.5 4.0 4.5 4.5

其他部分(万元) 40 40 40 40

总投资(万元) 214.51 247.91 290.01 198.51

注:表中投资不含热力管网投资;其他部分主要包括供排水、消防、防腐、工程管理、勘察设计等部分费用。

3.主要经济指标对比。主要经济指标计算夏季按运行一台计算,冬季按运行两台计算。各供热模式具体经济指标见表4。

表4主要经济指标对比表

项目 蒸汽炉 真空炉 热媒炉 高温热水炉

燃料消耗量(t / a) 2900.2 2607.12 2793.5 2621.7

耗水量(m3/a) 2793 1632 1632 1965

耗电量(104kW・h / a) 68.35 61.86 90.43 67.93

导热油耗量(m3/a) / / 8 /

需用人员(人) 10 6 6 6

注:导热油耗量按一次灌注,每十年更新一次,将其用量分摊到各年。

4.运行费用对比。各供热模式的运行费用计算见表5:

表5运行费用计算对比表

项目 蒸汽炉 真空炉 热媒炉 高温热水炉

燃料费(万元 / a) 580.04 521.43 558.63 524.34

用水费(万元 / a) 0.76 0.44 0.44 0.53

耗电量(万元 / a) 34.18 30.93 45.22 33.97

导热油费用(万元 / a) / / 0.85 /

人工费(万元 / a) 25.08 15.05 15.05 15.05

折旧费(万元 / a) 11.91 13.77 16.11 11.03

修理费(万元 / a) 3.57 4.13 4.83 3.31

运行费用(万元 / a) 655.54 585.75 641.13 588.23

注:表中费用没有计算税费。

四、油田现用各供热模式经济性分析的结论

1.从上面各供热模式的工作原理、优缺点以及简单技术经济分析,不难看出,在供热能满足油田站场工艺用热需求的条件下,从工程投资和运行费用两项指标来看,鉴于供热模式的优缺点,在油田产建设计中,大、中型站场 (油气集输联合站、集中处理站、长输管线的首、末站和中间站、集油站等),应首先选用真空炉和高温热水炉这两种供热模式。

2.我们认为这两种供热模式,既克服了导热油炉加热介质价格贵和更换介质对环境影响大的缺点,也克服了蒸汽锅炉供热的冷凝水回收困难损失大的缺点。另外由于这两种供热模式与蒸汽供热方式相比介质损失小 (特别是真空炉水在炉内循环几乎无水损失),且对补充水要求相对降低,因此相应水处理设备规模大大减小,使工程投资也相应减小。

3.真空炉和高温热水供热模式与蒸汽锅炉供热和导热油炉供热模式相比,具有明显的技术经济优势,运行费用低,工程建设投资小,且整体系统热能利用率高。

真空炉和高温热水供热模式在油田部分站场已得到使用,虽然规模不大,采用的站场目前还不是很普遍,但使用效果均反映良好。达到了节能供热的目的。可见真空炉和高温热水供热模式的推广使用是可行的。

当然真空炉和高温热水供热模式也存在一些问题,如热介质温度与蒸汽锅炉供热和导热油炉供热相比较低,无法满足被加热介质升温高的工艺要求;另换热温差偏低,需增加盘管或换热器的换热面积等问题。因此在实际选取供热模式过程中,还应从实际出发,采用符合具体工艺要求和当地实际的供热模式。

五、油田供热模式的选用几点建议

以上分析结果虽是根据实际应用情况作出的,但仍带有部分理想和假设的成分,没有对采用不同燃料 (如燃煤、燃气)时的情况进行分析,也没有考虑油价波动的影响。因此,该结论也不能带有绝对性,只是一种供热模式的选择趋势。在油田站场供热模式选用中,还应具体情况具体确定。

1.在供热模式的选取中,应考虑被加热介质的温升问

题,不能为了提高传热强度和减小换热器面积,而提高热源热载体的温度,使得具有技术经济优势的供热模式被排除在外,人为造成供热模式的选用不合理。

2.在确定集输工艺流程时,应克服温差越大,传热系数就越大的思想,确定温差应以满足需要为准。

3.在供热模式的选取过程中,不能仅从工程投资和运行的经济性方面考虑,还应考虑当地的环境资源情况,例如水资源特别短缺时,就应将热媒炉供热模式作为选取方案之一。

4.由于我国油气资源为严重短缺资源,而目前的联合

站、集中处理站、集油站等的供热基本采用燃油或燃气,每年消耗了大量油、气资源,既不经济也不符合国情。由于煤资源在我国相对丰富,且价格便宜,因此,建议在交通方便且距煤源较近的油气集输站场采用燃煤供热方式,并尽快在油田展开试验和推广,这样既有利于节省短缺的油、气资源,也有利于降低油田站场供热成本。

作者简介:朱治科 (1965-),男,河北永年人,西安长庆科技工程有限责任公司公用工程设计部工程师,研究方向:热能动力工程设计。