一、枝状热源供热的现状

    某油田位于长江中下游地区和淮河入江流域，地下构造复杂，油藏断块小，地面油井分布散，地面供热管网大部分采用枝状供热形式。以MTZ油田为例，该油田有1个接转站(含供热站)、5个计量房、40口油井，其中26口油井位于淮河向入江水道内，原油凝固点为40℃，采用热水伴热保温。油井用热主要是集油管线的伴热，集油管线采用三管流程。油井热水循环系统热负荷占总供热量的70%，这部分热量中不足20%用于油井产出液加热，其余热量都无偿损失。所以如何合理地对油井供热，是促进油田节能工作有效开展的关键。
    目前，油井热水循环系统最主要的问题是水力失调。为了确保安全正常生产，现场不得不采取提高供热温度，在小温差、大排量下运行，增加了集油、伴热管线与土壤之间的温差，增加了热水循环泵的用电量，因而造成了能源的浪费。如果水力失调的问题能得到解决，真正做到按需供热，那么供热平均温度在现有基础上可以降低10℃左右，可节能15%～20%，同时热水循环流量可降低15%左右，水泵电费可节约30%以上。
    

二、油田枝状供热系统水力失调现象突出

    采油现场主要问题是热水流量分配不均匀，导致有的地方过热，有的地方供热不足，所以属于不一致失调。
    该油田采油现场整个管网除截止阀与闸阀外没有其他调控设备，所以不存在动态失调的问题，纯属稳态失调。失调原因有以下几点:
    (1)由于油田供热管网采用枝状结构，回水管线又必须给油管线伴热，油水管线直径存在匹配问题，因而不可能完全通过调整管径实现水力平衡。
    (2)油田现有的供热系统全部采用截止阀与闸阀调节，没有定流量或定压装置，缺乏有效调节手段。
    (3)在进行热水采暖水力管网系统设计时，是根据最不利环路进行流量阻力计算的，最后确定总阻力损失和流量，但是没有进行管网水力平衡计算，由于考虑到保证最不利点输送热水，由此选择水泵型号，难免使近端用户压头过大。设计过程中考虑油田下一步新发现油井的可能性，预留了一部分供热能力，从而使泵等耗能设备选型偏大。
    (4)由于管道阻力部件的实际阻力系数与设计阻力系数存在较大差异，而在现有系统中尚未应用管道阻力部件，因此在根源上造成系统的水力失调。
    (5)新增油井、老油井报废以及油井启停等使供热管网发生变化，油井的产量、含水是不断变化的，因而对供热的要求也在不断变化，需要经常进行供热调节，否则容易造成水力不平衡。
    (6)枝状结构末端的油井由于其距离集油站较远，热水管线散热较多，供热温度比近点的温度要低，而原油所要流过的距离却比近的油井长几十倍甚至上百倍，是最需要热量的地方，所以最难供的地方恰好是最需要的地方。
    

三、解决供热管网水力失调的途径

    1.用附加静态阻力消除用户剩余的资用压头
    附加静态阻力的措施是增加静态阻力设备，这样可以消除用户剩余的资用压头。静态阻力设备包括节流孔板、普通阀门、调节阀、平衡阀等。它们的共同特点是:通过人工调节设定其开度，匹配各个管段的阻力，消除剩余压头，即可实现水力平衡。
    静态阻力设备实施起来工作量较大。首先，对于需要经常进行调节的系统，每次调节对静态阻力设备的参数要求均不一样，势必要重新加工；其次，静态阻力元件的设计、计算有一定的误差，因而不一定可靠；再次，由于系统本身结垢、腐蚀等造成的机械杂质沉积、管线直径变化、管线表面粗糙度改变，从而在运行过程中即使泵出口压力相同，压降分布也是变化的。
    由于油田油井枝状供热管网的流量、剩余压头相差很大，对于热水流量极低，在整个系统中所占比例小于0.1%的热用户，可以采用静态方法去实现。因此，该方法可作为其他方法的补充。
    2.用附加压头提高用户不足的资用压头
    当系统循环水泵实际扬程不够时，需要用附加压头的方法提高用户不足的资用压头。它的特点是除了具有“附加阻力”平衡技术所能获得的节能效果外，可使总水泵电耗大大降低，节能效果更显著。
    但是，对于油田枝状供热系统，由于规模较小，供热点比较分散且没有规律性，通过增加附加压头的方法虽然有一定的经济收益，但在管理上存在一定的难度，尤其是国内小排量水泵的低压端密封技术不够好。
    3.动态调控设备
    主要包括自力式流量控制阀、自力式压差控制阀等。它们能够根据阀门前后(或系统)压差的变化自动调节阀门的阻力，保持流量或压差的恒定，流量或压差还可以随时设定调整。变阻力设备适用于动态系统中克服动态失调，也可用于稳态系统克服稳态失调。
    最常用的是自力式流量控制器和自力式压差控制器。下面以自力式流量控制器的使用为例。自力式流量控制器中可使用专用工具调节手动孔板，根据流量刻度尺标定数值来控制通过该设备的水流量。流量一经设定，其值恒定不变。无论供热管网负荷及压力如何变化，只要在用户入口的回水管路上加装该流量控制器，系统就可以在动态调节功能的作用下自动实现平衡。
    自力式流量控制器最小控制流量为0.06m³/h，实际有效调节区域要考虑到0.1m³/h以上，因此对于小流量调节并不适用。但是，每一个支路又必须安装调控设备，因为不安装调控设备可能引起水力失调。
    4.变频式水泵与自力式流量阀相结合的调节方法
    主要思路是用自力式流量阀来控制各支路的流量，用离心式变频水泵来提供动力，控制泵出口压力恒定，对于热用户压差过大的采用静态流量调节阀等节流部件来降压。这种控制方法应该是最简单、调节工作量最小的。
    

四、现场实施方案及效果

    1.技术上的效果
    有效解决了水力失调问题，可以实现热量的按需分配。
    对单井进行供热调节不再对其他油井有影响。油井启停时，停止或恢复供热，只需要开关该支路上的任一阀门，即可实现，不需要进行流量调节。因为正常运行时只有自力式流量调节阀、新型节流元件起作用，其他的阀门不起调节作用，只起切断作用。而自力式流量调节阀的开度与流量存在一定的函数关系，新型节流元件的阻力特性是固定的，因此，调节后很容易恢复到原来的状态。
    任一个计量站阀门开关，在最不利回路过剩压头大于5m的情况下，不影响其他计量站的流量，这样对供热调配提供了方便。
    原来考虑到水力失调问题，进行热网调节工作要在整个采油队范围内进行，要由队干部进行调节，每个班组均想多分配一点流量，因此供热调配非常困难。现在队部只负责控制到计量站，计量站以内有不合理的各班组进行调节，这样调动了班组供热调节的积极性，班组对同一计量站内供多的调少一点、供少的多供一点，通过慢慢摸索，在确保生产的情况下逐步减少了用热量，提高了热利用效率。
    2.经济效益分析
    该技术总投资20万元，在MTZ油田实施后自用原油消耗量如表1所示。从表1中可以看出，1月9日至21日，由于热负荷较大，需要运行两台锅炉才能满足生产需要，而这期间锅炉运行负载率低，单位时间内燃油消耗量大，难以满足同工况下对比要求。因此，该技术应用前后自用原油消耗量以单台锅炉运行为准。依照表中统计数据计算，平均每天节约自用原油0.67m³/d，实现年节燃油量达到207t，投资回收期仅为3.5个月，取得了较好的节能效果。
    

<CTSM>    表1  燃油量统计表
    注:备注中1#、2#为工业锅炉编号，h表示运行时间(小时)</CTSM>
    3.现场试验存在的不足
    尽管我们对流量计进行了部分调整，但是现场热计量工作不到位仍然给供热调节造成了很大的困难。由于油井耗能由电能与热能两部分构成，减少了热能的供应就必然增加电能的消耗，如何优化、争取总能耗最低是非常关键的，鉴于热能无法准确计量，给这种优化造成困难。
    目前由于部分油井流量计不能满足计量要求，现场调节主要以计量站为单位根据开度-流量曲线来估测流量，作为流量调节的依据。具体的方法为:首先根据理论计算得到的各计量站的流量，查自力式流量调节阀的流量曲线，得到自力式流量调节阀打开的圈数，然后先将自力式流量调节阀全关，再打开到规定的圈数。这种方法可以满足调节的要求。
    

五、结束语

    热水供热系统的水力失调是供热系统能源利用效率低的主要原因，从根本上讲是由于流量分配不均造成的，需要针对具体问题具体分析，找到有效的解决办法。一般可以通过附加阻力元件或附加压头的方法进行缓解，对于需要经常进行调节的系统，要采用动态水力平衡设备实现动态平衡。