孫海英 李玉春 李蛟鸞 王欽勝 孟嵐

（1.大慶油田設(shè)計院有限公司；2.大慶油田質(zhì)量安全環(huán)保部）

大慶油田地處高寒地區(qū)，為滿足生產(chǎn)運行需求，原油站場廠房內(nèi)均設(shè)置了采暖設(shè)施，采暖溫度通常設(shè)定為5～16 ℃[1-3]。但在生產(chǎn)過程中，廠房的流動介質(zhì)及運行的機泵均會向室內(nèi)散熱。若在采暖設(shè)計中未能充分考慮此部分工藝散熱就會導(dǎo)致冬季生產(chǎn)時廠房內(nèi)溫度偏高，造成能源浪費[4-5]。

以往的研究中針對工業(yè)廠房采暖設(shè)計提出了多項措施，其中包括合理選擇采暖負荷計算方法[6]、優(yōu)選采暖介質(zhì)[7]、優(yōu)化采暖等方式以提高熱效率。例如采用電輻射板、可控溫的紅外線燃氣輻射[8-9]以及太陽能采暖系統(tǒng)[10]等方式做到節(jié)約能源、降低生產(chǎn)運行成本的目的。但以上研究均是從工業(yè)廠房采暖設(shè)計角度提出了各種措施，均未將采暖設(shè)計與工藝散熱相關(guān)聯(lián)，也未提出工藝散熱綜合利用措施。

為降低廠房采暖用熱，同時不對廠房進行改造，通過對不同規(guī)模站場的各類廠房內(nèi)工藝過程、采暖用熱量、管道中流動不同介質(zhì)時在保溫與不保溫條件下的溫降和散熱量的計算，并在最冷月跟蹤監(jiān)測不同類生產(chǎn)廠房室內(nèi)溫度，經(jīng)對比分析表明，在滿足工藝用熱的前提下，對已建廠房優(yōu)化管道的保溫設(shè)計，充分利用工藝無效散熱補償采暖用熱，優(yōu)化采暖設(shè)計多專業(yè)協(xié)同操作，同時依據(jù)工藝散熱分析結(jié)果及室內(nèi)采暖溫度界限，通過生產(chǎn)管理等手段調(diào)節(jié)采暖用水量或關(guān)停采暖設(shè)施實現(xiàn)采暖節(jié)能，并滿足操作維修對環(huán)境溫度的需要。

1 生產(chǎn)廠房內(nèi)散熱源及散熱量分析

1.1 散熱源分析

原油站場生產(chǎn)廠房內(nèi)通常設(shè)有機泵、管道及附件等，廠房內(nèi)主要工藝介質(zhì)為原油、含水油、含油污水、清水及伴生氣，介質(zhì)操作溫度為5～80 ℃，除未經(jīng)加熱的清水及伴生氣外，原油、含水油、含油污水、摻水及伴熱用水的溫度均高于室內(nèi)環(huán)境溫度，在生產(chǎn)過程中此類熱介質(zhì)會通過管道及管閥件外壁向室內(nèi)散熱，同時廠房內(nèi)運行的機泵也會向室內(nèi)散熱。因此，生產(chǎn)廠房內(nèi)機泵、管道、管閥件均為散熱源。

1.2 散熱量分析

1.2.1 管道散熱量計算

每米管道散熱量計算公式見式（1）：

式中：Q為單位長度管道散熱量，W；K為總傳熱系數(shù)，W/m·℃；d為管道外徑，m；ta為介質(zhì)平均溫度，℃；t0為周圍環(huán)境溫度，℃。

1.2.2 管道附件散熱量計算

為簡化計算，管道附件只考慮閥門及法蘭的散熱，并將其折算為當(dāng)量管道長度并按照管道散熱量公式計算散熱量，管道附件的折算長度見表1。注：表中閥門折算長度指閥體折算長度，不包括法蘭。

表1 管道附件的折算長度Tab.1 Converted length of pipe accessories

1.2.3 管道散熱量簡化計算方法

為進一步簡化計算，方便工程應(yīng)用，計算公式中采用管道散熱系數(shù)，對公式（1）進行簡化，得出以下管道散熱量計算公式：

式中：α為管道散熱系數(shù)，W/m·℃；L為管道長度，m； Δt為管道內(nèi)介質(zhì)溫度與環(huán)境溫度的差值，℃。

管道散熱量系數(shù)即管道內(nèi)介質(zhì)溫度與室內(nèi)環(huán)境溫度相差1℃時單位長度管線表面散失的熱量，室內(nèi)管道散熱量系數(shù)經(jīng)驗值見表2。

表2 室內(nèi)管道散熱量系數(shù)經(jīng)驗值Tab.2 Heat dissipation coefficient and experience value of indoor pipeline

1.2.4 電動機散熱量計算

生產(chǎn)廠房內(nèi)運轉(zhuǎn)的電動機會向周圍環(huán)境散熱，散熱量計算：

式中：Q為電動機散熱量，kW；η1為電動機容量利用系數(shù)，電動設(shè)備最大實耗功率與安裝功率之比，一般可取0.7～0.9；η2為負荷系數(shù)，電動設(shè)備小時平均實耗功率與設(shè)計最大實耗功率之比，一般可取0.5～0.8；η3為同時使用系數(shù)，即房間內(nèi)同時使用的安裝功率與總安裝功率之比；η4為考慮排風(fēng)帶走熱量的系數(shù)，一般可取0.5；N為電動機安裝功率（應(yīng)按廠房內(nèi)連續(xù)運行的機組最低配置情況下的裝機功率確定）kW；η為電動機效率，與電動機型號、負荷情況有關(guān)，一般取0.75～0.9。

由以上公式可計算出生產(chǎn)廠房內(nèi)工藝設(shè)施的散熱量。

2 工藝優(yōu)化措施

2.1 管道保溫設(shè)計優(yōu)化

在生產(chǎn)過程中，轉(zhuǎn)油站主要介質(zhì)為未脫氣原油、含水油、伴生氣，轉(zhuǎn)油放水站主要介質(zhì)增加了含油污水，脫水站主要介質(zhì)為凈化油、伴生氣及含油污水。結(jié)合工藝過程對原油站場廠房內(nèi)油水管道在保溫和不保溫兩種情況下散熱量及介質(zhì)溫降進行計算，結(jié)果表明不同工藝介質(zhì)由于溫度、流量、管道規(guī)格、長度等不同的保溫管道溫降為0.5～3 ℃，不保溫管道溫降為4～10 ℃。原油在整個生產(chǎn)過程中需要一定的熱量用于脫水和輸送，伴生氣溫度低且熱值低對散熱貢獻很小，可忽略，含油污水需維持一定溫度滿足輸送和污水處理要求，但原油處理站場污水溫度通常在40 ℃左右，高于污水處理需要，污水管道室內(nèi)按不保溫計算溫降約在4 ℃左右，此溫降不影響污水處理和輸送。

由此確定室內(nèi)含油污水管道、天然氣管道按不保溫設(shè)計；含水油管道、凈化油管道、污油管道、摻水（熱洗）管道、進行保溫設(shè)計。優(yōu)化后污水管道取消保溫層后增加了散熱量，進一步降低采暖用熱，對生產(chǎn)沒有任何影響。

2.2 降低室內(nèi)采暖溫度

《工業(yè)企業(yè)設(shè)計衛(wèi)生標準》GBZ1—2010 提出的冬季寒冷環(huán)境工作地點采暖溫度不應(yīng)低于5 ℃的要求是基于室內(nèi)工作人員的勞動強度、工作時間以及工作人員人均占有的面積決定的。在站場正常運行過程中，工作人員在生產(chǎn)廠房內(nèi)的工作主要是生產(chǎn)操作、巡檢及維修。隨著油田自動化、智能化水平的提高，站場實施“集中監(jiān)控、定期巡檢”及“無人值守”的管理方式，工作人員在生產(chǎn)廠房內(nèi)的工作時間大大減少，因此生產(chǎn)廠房采暖溫度在《油田油氣集輸設(shè)計規(guī)范》GB 50350—2015 推薦采暖溫度的基礎(chǔ)上降低2～4 ℃，且罐前（間）閥室、閥組間不設(shè)采暖設(shè)施。

3 采暖節(jié)能措施實施情況

3.1 新建站場廠房

選取5 個典型新建原油站場，對站場內(nèi)主要廠房計算采暖熱負荷及工藝設(shè)施散熱負荷進行計算，對站場規(guī)模較大的廠房，如轉(zhuǎn)油放水站、脫水站的油水泵房、操作間，因設(shè)備及管道數(shù)量多，管道規(guī)格大，工藝設(shè)施散熱量大，工藝散熱滿足采暖用熱，取消了采暖設(shè)施的設(shè)計。對于站場規(guī)模較小的生產(chǎn)廠房，如轉(zhuǎn)油站油水泵房，因工藝設(shè)施較少，散熱量小，需設(shè)采暖設(shè)施，但考慮了工藝散熱，可以減少散熱片的數(shù)量。并選擇環(huán)境溫度較低的1 月份對生產(chǎn)廠房內(nèi)實際溫度進行了監(jiān)測。典型站場廠房采暖計算與實測結(jié)果對比見表3。

通過實例分析可知，經(jīng)過對原油站場生產(chǎn)廠房內(nèi)工藝設(shè)施散熱的詳細計算，并結(jié)合工藝管道保溫設(shè)計及采暖溫度的優(yōu)化措施，對于工藝生產(chǎn)設(shè)施相對集中的生產(chǎn)廠房通過工藝散熱可補償室內(nèi)采暖用熱，不再設(shè)置采暖設(shè)施。經(jīng)過跟蹤實測，生產(chǎn)廠房內(nèi)溫度滿足生產(chǎn)要求。

3.2 已建站場廠房

為了進一步確定已建站場生產(chǎn)廠房內(nèi)工藝設(shè)施散熱對室內(nèi)采暖的貢獻，選取了已建的7 座典型站場進行分析，給出了工藝廠房內(nèi)工藝設(shè)施散熱占總采暖熱負荷比例以及考慮工藝設(shè)施散熱效果后節(jié)約的燃氣量。廠房內(nèi)工藝設(shè)施散熱及應(yīng)用效果見表4，可見不同規(guī)模站場工藝廠房內(nèi)工藝設(shè)施散熱不同，小型轉(zhuǎn)油站工藝設(shè)施散熱量占采暖用熱量的42%～53%，即可節(jié)約同比例的采暖用熱負荷。大型站場生產(chǎn)廠房內(nèi)工藝設(shè)施散熱量與采暖用熱量相當(dāng)，可取消采暖設(shè)計。根據(jù)結(jié)論研究，各單位對生產(chǎn)廠房采暖用熱進行精細化管理，動態(tài)監(jiān)測廠房室內(nèi)溫度，充分利用工藝散熱，關(guān)停部分或全部暖氣片，將室溫控制在設(shè)計范圍內(nèi)。經(jīng)過冬季跟蹤實測，生產(chǎn)廠房內(nèi)溫度均滿足生產(chǎn)需求。

表4 廠房內(nèi)工藝設(shè)施散熱及應(yīng)用效果Tab.4 Heat dissipation of process facilities and application effect in production plant

4 結(jié)論

大慶油田自2016 年起，新建的大中型原油站場均應(yīng)用了優(yōu)化后的采暖設(shè)計方式，對生產(chǎn)設(shè)施散熱進行了精確計算，用于補償廠房采暖用熱。對于站場規(guī)模較小工藝設(shè)施較少的生產(chǎn)廠房，工藝散熱不能滿足全部采暖用熱時，設(shè)置了少量采暖設(shè)施。對于站場規(guī)模較大工藝設(shè)施較多的生產(chǎn)廠房，工藝散熱能滿足全部采暖用熱時，生產(chǎn)廠房取消采暖設(shè)施，以上生產(chǎn)廠房通常包括油氣閥組間、油水泵房、容器操作間。經(jīng)過冬季最冷月對生產(chǎn)廠房內(nèi)溫度實測驗證，室內(nèi)溫度10～18 ℃，能夠滿足生產(chǎn)需求，實施效果達到預(yù)期。根據(jù)分析結(jié)果對已建站場生產(chǎn)廠房內(nèi)采暖設(shè)施進行了優(yōu)化調(diào)整，關(guān)停大部分采暖設(shè)施，油田400 多座原油站場在充分利用工藝散熱后，關(guān)停部分或全部采暖設(shè)施，降低采暖熱負荷，年可節(jié)約天然氣1 400×104m3實現(xiàn)了節(jié)能減耗、降本增效的目標。