一、枝狀熱源供熱的現狀

    某油田位于長(cháng)江中下游地區和淮河入江流域，地下構造復雜，油藏斷塊小，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)接轉站(含供熱站)、5個(gè)計量房、40口油井，其中26口油井位于淮河向入江水道內，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(xiàn)的伴熱，集油管線(xiàn)采用三管流程。油井熱水循環(huán)系統熱負荷占總供熱量的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(wú)償損失。所以如何合理地對油井供熱，是促進(jìn)油田節能工作有效開(kāi)展的關(guān)鍵。
    目前，油井熱水循環(huán)系統最主要的問(wèn)題是水力失調。為了確保安全正常生產(chǎn)，現場(chǎng)不得不采取提高供熱溫度，在小溫差、大排量下運行，增加了集油、伴熱管線(xiàn)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。如果水力失調的問(wèn)題能得到解決，真正做到按需供熱，那么供熱平均溫度在現有基礎上可以降低10℃左右，可節能15%～20%，同時(shí)熱水循環(huán)流量可降低15%左右，水泵電費可節約30%以上。
    

二、油田枝狀供熱系統水力失調現象突出

    采油現場(chǎng)主要問(wèn)題是熱水流量分配不均勻，導致有的地方過(guò)熱，有的地方供熱不足，所以屬于不一致失調。
    該油田采油現場(chǎng)整個(gè)管網(wǎng)除截止閥與閘閥外沒(méi)有其他調控設備，所以不存在動(dòng)態(tài)失調的問(wèn)題，純屬穩態(tài)失調。失調原因有以下幾點(diǎn):
    (1)由于油田供熱管網(wǎng)采用枝狀結構，回水管線(xiàn)又必須給油管線(xiàn)伴熱，油水管線(xiàn)直徑存在匹配問(wèn)題，因而不可能完全通過(guò)調整管徑實(shí)現水力平衡。
    (2)油田現有的供熱系統全部采用截止閥與閘閥調節，沒(méi)有定流量或定壓裝置，缺乏有效調節手段。
    (3)在進(jìn)行熱水采暖水力管網(wǎng)系統設計時(shí)，是根據最不利環(huán)路進(jìn)行流量阻力計算的，最后確定總阻力損失和流量，但是沒(méi)有進(jìn)行管網(wǎng)水力平衡計算，由于考慮到保證最不利點(diǎn)輸送熱水，由此選擇水泵型號，難免使近端用戶(hù)壓頭過(guò)大。設計過(guò)程中考慮油田下一步新發(fā)現油井的可能性，預留了一部分供熱能力，從而使泵等耗能設備選型偏大。
    (4)由于管道阻力部件的實(shí)際阻力系數與設計阻力系數存在較大差異，而在現有系統中尚未應用管道阻力部件，因此在根源上造成系統的水力失調。
    (5)新增油井、老油井報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，因而對供熱的要求也在不斷變化，需要經(jīng)常進(jìn)行供熱調節，否則容易造成水力不平衡。
    (6)枝狀結構末端的油井由于其距離集油站較遠，熱水管線(xiàn)散熱較多，供熱溫度比近點(diǎn)的溫度要低，而原油所要流過(guò)的距離卻比近的油井長(cháng)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)水力失調的途徑

    1.用附加靜態(tài)阻力消除用戶(hù)剩余的資用壓頭
    附加靜態(tài)阻力的措施是增加靜態(tài)阻力設備，這樣可以消除用戶(hù)剩余的資用壓頭。靜態(tài)阻力設備包括節流孔板、普通閥門(mén)、調節閥、平衡閥等。它們的共同特點(diǎn)是:通過(guò)人工調節設定其開(kāi)度，匹配各個(gè)管段的阻力，消除剩余壓頭，即可實(shí)現水力平衡。
    靜態(tài)阻力設備實(shí)施起來(lái)工作量較大。首先，對于需要經(jīng)常進(jìn)行調節的系統，每次調節對靜態(tài)阻力設備的參數要求均不一樣，勢必要重新加工；其次，靜態(tài)阻力元件的設計、計算有一定的誤差，因而不一定可靠；再次，由于系統本身結垢、腐蝕等造成的機械雜質(zhì)沉積、管線(xiàn)直徑變化、管線(xiàn)表面粗糙度改變，從而在運行過(guò)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，對于熱水流量極低，在整個(gè)系統中所占比例小于0.1%的熱用戶(hù)，可以采用靜態(tài)方法去實(shí)現。因此，該方法可作為其他方法的補充。
    2.用附加壓頭提高用戶(hù)不足的資用壓頭
    當系統循環(huán)水泵實(shí)際揚程不夠時(shí)，需要用附加壓頭的方法提高用戶(hù)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)所能獲得的節能效果外，可使總水泵電耗大大降低，節能效果更顯著(zhù)。
    但是，對于油田枝狀供熱系統，由于規模較小，供熱點(diǎn)比較分散且沒(méi)有規律性，通過(guò)增加附加壓頭的方法雖然有一定的經(jīng)濟收益，但在管理上存在一定的難度，尤其是國內小排量水泵的低壓端密封技術(shù)不夠好。
    3.動(dòng)態(tài)調控設備
    主要包括自力式流量控制閥、自力式壓差控制閥等。它們能夠根據閥門(mén)前后(或系統)壓差的變化自動(dòng)調節閥門(mén)的阻力，保持流量或壓差的恒定，流量或壓差還可以隨時(shí)設定調整。變阻力設備適用于動(dòng)態(tài)系統中克服動(dòng)態(tài)失調，也可用于穩態(tài)系統克服穩態(tài)失調。
    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(zhuān)用工具調節手動(dòng)孔板，根據流量刻度尺標定數值來(lái)控制通過(guò)該設備的水流量。流量一經(jīng)設定，其值恒定不變。無(wú)論供熱管網(wǎng)負荷及壓力如何變化，只要在用戶(hù)入口的回水管路上加裝該流量控制器，系統就可以在動(dòng)態(tài)調節功能的作用下自動(dòng)實(shí)現平衡。
    自力式流量控制器最小控制流量為0.06m³/h，實(shí)際有效調節區域要考慮到0.1m³/h以上，因此對于小流量調節并不適用。但是，每一個(gè)支路又必須安裝調控設備，因為不安裝調控設備可能引起水力失調。
    4.變頻式水泵與自力式流量閥相結合的調節方法
    主要思路是用自力式流量閥來(lái)控制各支路的流量，用離心式變頻水泵來(lái)提供動(dòng)力，控制泵出口壓力恒定，對于熱用戶(hù)壓差過(guò)大的采用靜態(tài)流量調節閥等節流部件來(lái)降壓。這種控制方法應該是最簡(jiǎn)單、調節工作量最小的。
    

四、現場(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問(wèn)題，可以實(shí)現熱量的按需分配。
    對單井進(jìn)行供熱調節不再對其他油井有影響。油井啟停時(shí)，停止或恢復供熱，只需要開(kāi)關(guān)該支路上的任一閥門(mén)，即可實(shí)現，不需要進(jìn)行流量調節。因為正常運行時(shí)只有自力式流量調節閥、新型節流元件起作用，其他的閥門(mén)不起調節作用，只起切斷作用。而自力式流量調節閥的開(kāi)度與流量存在一定的函數關(guān)系，新型節流元件的阻力特性是固定的，因此，調節后很容易恢復到原來(lái)的狀態(tài)。
    任一個(gè)計量站閥門(mén)開(kāi)關(guān)，在最不利回路過(guò)剩壓頭大于5m的情況下，不影響其他計量站的流量，這樣對供熱調配提供了方便。
    原來(lái)考慮到水力失調問(wèn)題，進(jìn)行熱網(wǎng)調節工作要在整個(gè)采油隊范圍內進(jìn)行，要由隊干部進(jìn)行調節，每個(gè)班組均想多分配一點(diǎn)流量，因此供熱調配非常困難?，F在隊部只負責控制到計量站，計量站以?xún)扔胁缓侠淼母靼嘟M進(jìn)行調節，這樣調動(dòng)了班組供熱調節的積極性，班組對同一計量站內供多的調少一點(diǎn)、供少的多供一點(diǎn)，通過(guò)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)濟效益分析
    該技術(shù)總投資20萬(wàn)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，由于熱負荷較大，需要運行兩臺鍋爐才能滿(mǎn)足生產(chǎn)需要，而這期間鍋爐運行負載率低，單位時(shí)間內燃油消耗量大，難以滿(mǎn)足同工況下對比要求。因此，該技術(shù)應用前后自用原油消耗量以單臺鍋爐運行為準。依照表中統計數據計算，平均每天節約自用原油0.67m³/d，實(shí)現年節燃油量達到207t，投資回收期僅為3.5個(gè)月，取得了較好的節能效果。
    

<CTSM>    表1  燃油量統計表
    注:備注中1#、2#為工業(yè)鍋爐編號，h表示運行時(shí)間(小時(shí))</CTSM>
    3.現場(chǎng)試驗存在的不足
    盡管我們對流量計進(jìn)行了部分調整，但是現場(chǎng)熱計量工作不到位仍然給供熱調節造成了很大的困難。由于油井耗能由電能與熱能兩部分構成，減少了熱能的供應就必然增加電能的消耗，如何優(yōu)化、爭取總能耗最低是非常關(guān)鍵的，鑒于熱能無(wú)法準確計量，給這種優(yōu)化造成困難。
    目前由于部分油井流量計不能滿(mǎn)足計量要求，現場(chǎng)調節主要以計量站為單位根據開(kāi)度-流量曲線(xiàn)來(lái)估測流量，作為流量調節的依據。具體的方法為:首先根據理論計算得到的各計量站的流量，查自力式流量調節閥的流量曲線(xiàn)，得到自力式流量調節閥打開(kāi)的圈數，然后先將自力式流量調節閥全關(guān)，再打開(kāi)到規定的圈數。這種方法可以滿(mǎn)足調節的要求。
    

五、結束語(yǔ)

    熱水供熱系統的水力失調是供熱系統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，需要針對具體問(wèn)題具體分析，找到有效的解決辦法。一般可以通過(guò)附加阻力元件或附加壓頭的方法進(jìn)行緩解，對于需要經(jīng)常進(jìn)行調節的系統，要采用動(dòng)態(tài)水力平衡設備實(shí)現動(dòng)態(tài)平衡。