一、枝狀熱源供熱的現(xiàn)狀

    某油田位于長江中下游地區(qū)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，地面供熱管網大部分采用枝狀供熱形式。以MTZ油田為例，該油田有1個接轉站(含供熱站)、5個計量房、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)熱負荷占總供熱量的70%，這部分熱量中不足20%用于油井產出液加熱，其余熱量都無償損失。所以如何合理地對油井供熱，是促進油田節(jié)能工作有效開展的關鍵。
    目前，油井熱水循環(huán)系統(tǒng)最主要的問題是水力失調。為了確保安全正常生產，現(xiàn)場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)有基礎上可以降低10℃左右，可節(jié)能15%～20%，同時熱水循環(huán)流量可降低15%左右，水泵電費可節(jié)約30%以上。
    

二、油田枝狀供熱系統(tǒng)水力失調現(xiàn)象突出

    采油現(xiàn)場主要問題是熱水流量分配不均勻，導致有的地方過熱，有的地方供熱不足，所以屬于不一致失調。
    該油田采油現(xiàn)場整個管網除截止閥與閘閥外沒有其他調控設備，所以不存在動態(tài)失調的問題，純屬穩(wěn)態(tài)失調。失調原因有以下幾點:
    (1)由于油田供熱管網采用枝狀結構，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整管徑實現(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節(jié)，沒有定流量或定壓裝置，缺乏有效調節(jié)手段。
    (3)在進行熱水采暖水力管網系統(tǒng)設計時，是根據最不利環(huán)路進行流量阻力計算的，最后確定總阻力損失和流量，但是沒有進行管網水力平衡計算，由于考慮到保證最不利點輸送熱水，由此選擇水泵型號，難免使近端用戶壓頭過大。設計過程中考慮油田下一步新發(fā)現(xiàn)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際阻力系數(shù)與設計阻力系數(shù)存在較大差異，而在現(xiàn)有系統(tǒng)中尚未應用管道阻力部件，因此在根源上造成系統(tǒng)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發(fā)生變化，油井的產量、含水是不斷變化的，因而對供熱的要求也在不斷變化，需要經常進行供熱調節(jié)，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，熱水管線散熱較多，供熱溫度比近點的溫度要低，而原油所要流過的距離卻比近的油井長幾十倍甚至上百倍，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、解決供熱管網水力失調的途徑

    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)阻力設備，這樣可以消除用戶剩余的資用壓頭。靜態(tài)阻力設備包括節(jié)流孔板、普通閥門、調節(jié)閥、平衡閥等。它們的共同特點是:通過人工調節(jié)設定其開度，匹配各個管段的阻力，消除剩余壓頭，即可實現(xiàn)水力平衡。
    靜態(tài)阻力設備實施起來工作量較大。首先，對于需要經常進行調節(jié)的系統(tǒng)，每次調節(jié)對靜態(tài)阻力設備的參數(shù)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(tǒng)本身結垢、腐蝕等造成的機械雜質沉積、管線直徑變化、管線表面粗糙度改變，從而在運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的流量、剩余壓頭相差很大，對于熱水流量極低，在整個系統(tǒng)中所占比例小于0.1%的熱用戶，可以采用靜態(tài)方法去實現(xiàn)。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不足的資用壓頭
    當系統(tǒng)循環(huán)水泵實際揚程不夠時，需要用附加壓頭的方法提高用戶不足的資用壓頭。它的特點是除了具有“附加阻力”平衡技術所能獲得的節(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，對于油田枝狀供熱系統(tǒng)，由于規(guī)模較小，供熱點比較分散且沒有規(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不夠好。
    3.動態(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。它們能夠根據閥門前后(或系統(tǒng))壓差的變化自動調節(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設定調整。變阻力設備適用于動態(tài)系統(tǒng)中克服動態(tài)失調，也可用于穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)克服穩(wěn)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用工具調節(jié)手動孔板，根據流量刻度尺標定數(shù)值來控制通過該設備的水流量。流量一經設定，其值恒定不變。無論供熱管網負荷及壓力如何變化，只要在用戶入口的回水管路上加裝該流量控制器，系統(tǒng)就可以在動態(tài)調節(jié)功能的作用下自動實現(xiàn)平衡。
    自力式流量控制器最小控制流量為0.06m³/h，實際有效調節(jié)區(qū)域要考慮到0.1m³/h以上，因此對于小流量調節(jié)并不適用。但是，每一個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(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力，控制泵出口壓力恒定，對于熱用戶壓差過大的采用靜態(tài)流量調節(jié)閥等節(jié)流部件來降壓。這種控制方法應該是最簡單、調節(jié)工作量最小的。
    

四、現(xiàn)場實施方案及效果

    1.技術上的效果
    有效解決了水力失調問題，可以實現(xiàn)熱量的按需分配。
    對單井進行供熱調節(jié)不再對其他油井有影響。油井啟停時，停止或恢復供熱，只需要開關該支路上的任一閥門，即可實現(xiàn)，不需要進行流量調節(jié)。因為正常運行時只有自力式流量調節(jié)閥、新型節(jié)流元件起作用，其他的閥門不起調節(jié)作用，只起切斷作用。而自力式流量調節(jié)閥的開度與流量存在一定的函數(shù)關系，新型節(jié)流元件的阻力特性是固定的，因此，調節(jié)后很容易恢復到原來的狀態(tài)。
    任一個計量站閥門開關，在最不利回路過剩壓頭大于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。
    原來考慮到水力失調問題，進行熱網調節(jié)工作要在整個采油隊范圍內進行，要由隊干部進行調節(jié)，每個班組均想多分配一點流量，因此供熱調配非常困難?，F(xiàn)在隊部只負責控制到計量站，計量站以內有不合理的各班組進行調節(jié)，這樣調動了班組供熱調節(jié)的積極性，班組對同一計量站內供多的調少一點、供少的多供一點，通過慢慢摸索，在確保生產的情況下逐步減少了用熱量，提高了熱利用效率。
    2.經濟效益分析
    該技術總投資20萬元，在MTZ油田實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足生產需要，而這期間鍋爐運行負載率低，單位時間內燃油消耗量大，難以滿足同工況下對比要求。因此，該技術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(tǒng)計數(shù)據計算，平均每天節(jié)約自用原油0.67m³/d，實現(xiàn)年節(jié)燃油量達到207t，投資回收期僅為3.5個月，取得了較好的節(jié)能效果。
    

<CTSM>    表1  燃油量統(tǒng)計表
    注:備注中1#、2#為工業(yè)鍋爐編號，h表示運行時間(小時)</CTSM>
    3.現(xiàn)場試驗存在的不足
    盡管我們對流量計進行了部分調整，但是現(xiàn)場熱計量工作不到位仍然給供熱調節(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鍵的，鑒于熱能無法準確計量，給這種優(yōu)化造成困難。
    目前由于部分油井流量計不能滿足計量要求，現(xiàn)場調節(jié)主要以計量站為單位根據開度-流量曲線來估測流量，作為流量調節(jié)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(jié)閥的流量曲線，得到自力式流量調節(jié)閥打開的圈數(shù)，然后先將自力式流量調節(jié)閥全關，再打開到規(guī)定的圈數(shù)。這種方法可以滿足調節(jié)的要求。
    

五、結束語

    熱水供熱系統(tǒng)的水力失調是供熱系統(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行緩解，對于需要經常進行調節(jié)的系統(tǒng)，要采用動態(tài)水力平衡設備實現(xiàn)動態(tài)平衡。