一、枝狀熱源供熱的現(xiàn)狀

    某油田位于長(zhǎng)江中下游地區(qū)和淮河入江流域，地下構(gòu)造復(fù)雜，油藏?cái)鄩K小，地面油井分布散，地面供熱管網(wǎng)大部分采用枝狀供熱形式。以MTZ油田為例，該油田有1個(gè)接轉(zhuǎn)站(含供熱站)、5個(gè)計(jì)量房、40口油井，其中26口油井位于淮河向入江水道內(nèi)，原油凝固點(diǎn)為40℃，采用熱水伴熱保溫。油井用熱主要是集油管線的伴熱，集油管線采用三管流程。油井熱水循環(huán)系統(tǒng)熱負(fù)荷占總供熱量的70%，這部分熱量中不足20%用于油井產(chǎn)出液加熱，其余熱量都無償損失。所以如何合理地對(duì)油井供熱，是促進(jìn)油田節(jié)能工作有效開展的關(guān)鍵。
    目前，油井熱水循環(huán)系統(tǒng)最主要的問題是水力失調(diào)。為了確保安全正常生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)不得不采取提高供熱溫度，在小溫差、大排量下運(yùn)行，增加了集油、伴熱管線與土壤之間的溫差，增加了熱水循環(huán)泵的用電量，因而造成了能源的浪費(fèi)。如果水力失調(diào)的問題能得到解決，真正做到按需供熱，那么供熱平均溫度在現(xiàn)有基礎(chǔ)上可以降低10℃左右，可節(jié)能15%～20%，同時(shí)熱水循環(huán)流量可降低15%左右，水泵電費(fèi)可節(jié)約30%以上。
    

二、油田枝狀供熱系統(tǒng)水力失調(diào)現(xiàn)象突出

    采油現(xiàn)場(chǎng)主要問題是熱水流量分配不均勻，導(dǎo)致有的地方過熱，有的地方供熱不足，所以屬于不一致失調(diào)。
    該油田采油現(xiàn)場(chǎng)整個(gè)管網(wǎng)除截止閥與閘閥外沒有其他調(diào)控設(shè)備，所以不存在動(dòng)態(tài)失調(diào)的問題，純屬穩(wěn)態(tài)失調(diào)。失調(diào)原因有以下幾點(diǎn):
    (1)由于油田供熱管網(wǎng)采用枝狀結(jié)構(gòu)，回水管線又必須給油管線伴熱，油水管線直徑存在匹配問題，因而不可能完全通過調(diào)整管徑實(shí)現(xiàn)水力平衡。
    (2)油田現(xiàn)有的供熱系統(tǒng)全部采用截止閥與閘閥調(diào)節(jié)，沒有定流量或定壓裝置，缺乏有效調(diào)節(jié)手段。
    (3)在進(jìn)行熱水采暖水力管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，是根據(jù)最不利環(huán)路進(jìn)行流量阻力計(jì)算的，最后確定總阻力損失和流量，但是沒有進(jìn)行管網(wǎng)水力平衡計(jì)算，由于考慮到保證最不利點(diǎn)輸送熱水，由此選擇水泵型號(hào)，難免使近端用戶壓頭過大。設(shè)計(jì)過程中考慮油田下一步新發(fā)現(xiàn)油井的可能性，預(yù)留了一部分供熱能力，從而使泵等耗能設(shè)備選型偏大。
    (4)由于管道阻力部件的實(shí)際阻力系數(shù)與設(shè)計(jì)阻力系數(shù)存在較大差異，而在現(xiàn)有系統(tǒng)中尚未應(yīng)用管道阻力部件，因此在根源上造成系統(tǒng)的水力失調(diào)。
    (5)新增油井、老油井報(bào)廢以及油井啟停等使供熱管網(wǎng)發(fā)生變化，油井的產(chǎn)量、含水是不斷變化的，因而對(duì)供熱的要求也在不斷變化，需要經(jīng)常進(jìn)行供熱調(diào)節(jié)，否則容易造成水力不平衡。
    (6)枝狀結(jié)構(gòu)末端的油井由于其距離集油站較遠(yuǎn)，熱水管線散熱較多，供熱溫度比近點(diǎn)的溫度要低，而原油所要流過的距離卻比近的油井長(zhǎng)幾十倍甚至上百倍，是最需要熱量的地方，所以最難供的地方恰好是最需要的地方。
    

三、解決供熱管網(wǎng)水力失調(diào)的途徑

    1.用附加靜態(tài)阻力消除用戶剩余的資用壓頭
    附加靜態(tài)阻力的措施是增加靜態(tài)阻力設(shè)備，這樣可以消除用戶剩余的資用壓頭。靜態(tài)阻力設(shè)備包括節(jié)流孔板、普通閥門、調(diào)節(jié)閥、平衡閥等。它們的共同特點(diǎn)是:通過人工調(diào)節(jié)設(shè)定其開度，匹配各個(gè)管段的阻力，消除剩余壓頭，即可實(shí)現(xiàn)水力平衡。
    靜態(tài)阻力設(shè)備實(shí)施起來工作量較大。首先，對(duì)于需要經(jīng)常進(jìn)行調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，每次調(diào)節(jié)對(duì)靜態(tài)阻力設(shè)備的參數(shù)要求均不一樣，勢(shì)必要重新加工；其次，靜態(tài)阻力元件的設(shè)計(jì)、計(jì)算有一定的誤差，因而不一定可靠；再次，由于系統(tǒng)本身結(jié)垢、腐蝕等造成的機(jī)械雜質(zhì)沉積、管線直徑變化、管線表面粗糙度改變，從而在運(yùn)行過程中即使泵出口壓力相同，壓降分布也是變化的。
    由于油田油井枝狀供熱管網(wǎng)的流量、剩余壓頭相差很大，對(duì)于熱水流量極低，在整個(gè)系統(tǒng)中所占比例小于0.1%的熱用戶，可以采用靜態(tài)方法去實(shí)現(xiàn)。因此，該方法可作為其他方法的補(bǔ)充。
    2.用附加壓頭提高用戶不足的資用壓頭
    當(dāng)系統(tǒng)循環(huán)水泵實(shí)際揚(yáng)程不夠時(shí)，需要用附加壓頭的方法提高用戶不足的資用壓頭。它的特點(diǎn)是除了具有“附加阻力”平衡技術(shù)所能獲得的節(jié)能效果外，可使總水泵電耗大大降低，節(jié)能效果更顯著。
    但是，對(duì)于油田枝狀供熱系統(tǒng)，由于規(guī)模較小，供熱點(diǎn)比較分散且沒有規(guī)律性，通過增加附加壓頭的方法雖然有一定的經(jīng)濟(jì)收益，但在管理上存在一定的難度，尤其是國(guó)內(nèi)小排量水泵的低壓端密封技術(shù)不夠好。
    3.動(dòng)態(tài)調(diào)控設(shè)備
    主要包括自力式流量控制閥、自力式壓差控制閥等。它們能夠根據(jù)閥門前后(或系統(tǒng))壓差的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門的阻力，保持流量或壓差的恒定，流量或壓差還可以隨時(shí)設(shè)定調(diào)整。變阻力設(shè)備適用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中克服動(dòng)態(tài)失調(diào)，也可用于穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)克服穩(wěn)態(tài)失調(diào)。
    最常用的是自力式流量控制器和自力式壓差控制器。下面以自力式流量控制器的使用為例。自力式流量控制器中可使用專用工具調(diào)節(jié)手動(dòng)孔板，根據(jù)流量刻度尺標(biāo)定數(shù)值來控制通過該設(shè)備的水流量。流量一經(jīng)設(shè)定，其值恒定不變。無論供熱管網(wǎng)負(fù)荷及壓力如何變化，只要在用戶入口的回水管路上加裝該流量控制器，系統(tǒng)就可以在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)功能的作用下自動(dòng)實(shí)現(xiàn)平衡。
    自力式流量控制器最小控制流量為0.06m³/h，實(shí)際有效調(diào)節(jié)區(qū)域要考慮到0.1m³/h以上，因此對(duì)于小流量調(diào)節(jié)并不適用。但是，每一個(gè)支路又必須安裝調(diào)控設(shè)備，因?yàn)椴话惭b調(diào)控設(shè)備可能引起水力失調(diào)。
    4.變頻式水泵與自力式流量閥相結(jié)合的調(diào)節(jié)方法
    主要思路是用自力式流量閥來控制各支路的流量，用離心式變頻水泵來提供動(dòng)力，控制泵出口壓力恒定，對(duì)于熱用戶壓差過大的采用靜態(tài)流量調(diào)節(jié)閥等節(jié)流部件來降壓。這種控制方法應(yīng)該是最簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)工作量最小的。
    

四、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施方案及效果

    1.技術(shù)上的效果
    有效解決了水力失調(diào)問題，可以實(shí)現(xiàn)熱量的按需分配。
    對(duì)單井進(jìn)行供熱調(diào)節(jié)不再對(duì)其他油井有影響。油井啟停時(shí)，停止或恢復(fù)供熱，只需要開關(guān)該支路上的任一閥門，即可實(shí)現(xiàn)，不需要進(jìn)行流量調(diào)節(jié)。因?yàn)檎＿\(yùn)行時(shí)只有自力式流量調(diào)節(jié)閥、新型節(jié)流元件起作用，其他的閥門不起調(diào)節(jié)作用，只起切斷作用。而自力式流量調(diào)節(jié)閥的開度與流量存在一定的函數(shù)關(guān)系，新型節(jié)流元件的阻力特性是固定的，因此，調(diào)節(jié)后很容易恢復(fù)到原來的狀態(tài)。
    任一個(gè)計(jì)量站閥門開關(guān)，在最不利回路過剩壓頭大于5m的情況下，不影響其他計(jì)量站的流量，這樣對(duì)供熱調(diào)配提供了方便。
    原來考慮到水力失調(diào)問題，進(jìn)行熱網(wǎng)調(diào)節(jié)工作要在整個(gè)采油隊(duì)范圍內(nèi)進(jìn)行，要由隊(duì)干部進(jìn)行調(diào)節(jié)，每個(gè)班組均想多分配一點(diǎn)流量，因此供熱調(diào)配非常困難。現(xiàn)在隊(duì)部只負(fù)責(zé)控制到計(jì)量站，計(jì)量站以內(nèi)有不合理的各班組進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣調(diào)動(dòng)了班組供熱調(diào)節(jié)的積極性，班組對(duì)同一計(jì)量站內(nèi)供多的調(diào)少一點(diǎn)、供少的多供一點(diǎn)，通過慢慢摸索，在確保生產(chǎn)的情況下逐步減少了用熱量，提高了熱利用效率。
    2.經(jīng)濟(jì)效益分析
    該技術(shù)總投資20萬元，在MTZ油田實(shí)施后自用原油消耗量如表1所示。從表1中可以看出，1月9日至21日，由于熱負(fù)荷較大，需要運(yùn)行兩臺(tái)鍋爐才能滿足生產(chǎn)需要，而這期間鍋爐運(yùn)行負(fù)載率低，單位時(shí)間內(nèi)燃油消耗量大，難以滿足同工況下對(duì)比要求。因此，該技術(shù)應(yīng)用前后自用原油消耗量以單臺(tái)鍋爐運(yùn)行為準(zhǔn)。依照表中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算，平均每天節(jié)約自用原油0.67m³/d，實(shí)現(xiàn)年節(jié)燃油量達(dá)到207t，投資回收期僅為3.5個(gè)月，取得了較好的節(jié)能效果。
    

<CTSM>    表1  燃油量統(tǒng)計(jì)表
    注:備注中1#、2#為工業(yè)鍋爐編號(hào)，h表示運(yùn)行時(shí)間(小時(shí))</CTSM>
    3.現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)存在的不足
    盡管我們對(duì)流量計(jì)進(jìn)行了部分調(diào)整，但是現(xiàn)場(chǎng)熱計(jì)量工作不到位仍然給供熱調(diào)節(jié)造成了很大的困難。由于油井耗能由電能與熱能兩部分構(gòu)成，減少了熱能的供應(yīng)就必然增加電能的消耗，如何優(yōu)化、爭(zhēng)取總能耗最低是非常關(guān)鍵的，鑒于熱能無法準(zhǔn)確計(jì)量，給這種優(yōu)化造成困難。
    目前由于部分油井流量計(jì)不能滿足計(jì)量要求，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)主要以計(jì)量站為單位根據(jù)開度-流量曲線來估測(cè)流量，作為流量調(diào)節(jié)的依據(jù)。具體的方法為:首先根據(jù)理論計(jì)算得到的各計(jì)量站的流量，查自力式流量調(diào)節(jié)閥的流量曲線，得到自力式流量調(diào)節(jié)閥打開的圈數(shù)，然后先將自力式流量調(diào)節(jié)閥全關(guān)，再打開到規(guī)定的圈數(shù)。這種方法可以滿足調(diào)節(jié)的要求。
    

五、結(jié)束語

    熱水供熱系統(tǒng)的水力失調(diào)是供熱系統(tǒng)能源利用效率低的主要原因，從根本上講是由于流量分配不均造成的，需要針對(duì)具體問題具體分析，找到有效的解決辦法。一般可以通過附加阻力元件或附加壓頭的方法進(jìn)行緩解，對(duì)于需要經(jīng)常進(jìn)行調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，要采用動(dòng)態(tài)水力平衡設(shè)備實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡。