引言稠油开采过程中蒸汽辅助开发是重要手段，目前注汽系统已经形成了固定与活动、亚临界与超临界、普通湿蒸汽与高干度相结合的多种成熟的注汽技术。稠油热采注蒸汽压力最高达到26 MPa，蒸汽温度高达390 ℃。管道保温材料有硅酸铝、钛陶瓷、气凝胶等多种类型[1]。注汽管道的热损失是井口注汽干度降低的主要原因，也是制约能效提升的重要原因。注汽能耗占采油厂的能耗比重居高不下。据统计，2017年某采油厂注汽系统能耗占总能耗的73.8%。随着各级部门对节能降耗的逐步重视，注汽系统高能耗已成为采油厂节能降耗的主要制约因素，也成为采油厂能效提升的主要增长点，注汽管道输送热效率越来越受到重视。1影响输送热效率的因素分析（1）保温材料及厚度选择。注汽管道保温效果的影响因素较多，主要包括：保温材料的导热系数λ、保温层表面放热系数α、管道所处环境常年平均气温ta、常年平均风速V、高度系数、保温层厚度δ以及施工质量等。在同样热损失的情况下，导热系数λ及保温层表面放热系数α越大，保温层厚度σ越厚。所处环境常年平均气温越低、常年平均风速越大，管道架得越高，保温层厚度就越厚。然而，地区的平均风速、常年温度以及架高系数均为定值，保温材料的导热系数λ及保温层厚度δ成为影响保温效果的主要因素，这两项直接影响材料选用和保温费用，对于某一保温材料，选用最佳的保温层厚度，就可达到既节约能源又减少投资的目的[2]。（2）管托。注汽管线滑动和固定管托多采用现场制造，管托和管线、底板直接连接。管托底板与支架支撑面直接接触，造成的热损较大。2010年克拉玛依油田对DN100注汽管线所用管托进行测试，普通管托散热损失为237.2 W，保温管托散热损失为68.8 W，保温管托散热损失仅占普通管托散热损失的30%。 注汽管托现状如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.004.F001图1注汽管托现状（3）阀门保温。根据现场实地调查，运行10年以上管线部分存在阀门裸露现象，阀门外露不保温，表面温度高，即为一处散热点。注汽阀门现状如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.004.F002图2注汽阀门现状（4）注汽井口保温。根据现场实地调查，目前胜利油田在运行10年以上注汽井口采用玻璃丝棉缠绕的方式保温，热损失大，且玻璃丝棉防水性能差，使用2～3次后即需要更换。井口保温现状如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.004.F003图3井口保温现状（5）其他。除以上主要因素以外，施工不认真、保温材料错缝绑扎不合理、操作不熟练、引入测量误差、阀门关闭不严、蒸汽漏损等因素均有可能造成注蒸汽系统输送效率的降低。以上情况发生频率较低，不属于造成输送热效率低的主要因素。2提高输送热效率的措施2.1保温材料优化2014年胜利油田某油田应用3 km钛陶瓷绝热保温材料，解决了硅酸铝不抗压、易变形的问题，但钛陶瓷绝热保温材料采用硬质、块状结构，注汽高温状态下，由于注汽管线受热膨胀，保温材料（80 cm/节）对接处缝隙增大，热量散失骤增；同时该材料仅表层喷涂憎水剂，因施工等原因易造成表层破损、防水性能失效等问题。气凝胶毡新型保温材料具有低密度、高孔隙率、低热导率和低折射率的特性，是一种新型轻质纳米多孔材料，材料密度最小仅为3.55 kg/m3，保温性能比较好。该材料于2002年在美国开始工业化生产，主要应用于航天领域[3]。2004年国内开始引进，2006年国内开始气凝胶产品的研发，2009年开始工业化生产与应用。2016年我国国家发改委将气凝胶列入国家重点节能低碳技术推广项目(第229号，蒸汽节能输送技术)[3]。对硅酸铝、钛陶瓷、气凝胶保温材料性能对比如表1、图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.004.T001表1注汽管道保温材料性能对比材料类别硅酸铝钛陶瓷气凝胶导热系数/［W/(m·℃)]常温0.040.0380.019200 ℃0.0820.0800.026300 ℃0.1150.1110.034容重/(kg/m3)120～150190180～200防水性不防水仅表面防水完全防水抗压强度形变10%200～500 kPa380 kPa60 kPa使用寿命7～8年8～10年≥15年10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.004.F004图43种保温材料散热损失对比从表1可以看出，硅酸铝热损失较大，不宜选用。钛陶瓷管壳硬质保温材料，管道在高温作用下变形受限，易破裂受损。综合考虑，优先采用气凝胶保温材料。当无特殊工艺要求时，保温厚度计算应采用“经济厚度”法计算。“经济厚度”可以保证保温层投资费用和管道散热损失费用之和最小，同时保温层外表面温度不得超过60 ℃，防止烫伤；且散热损失不得超过《设备及管道保温技术通则》（GB/T 4272）要求的允许散热损失量。对于采用气凝胶保温的管道，应进行防烫伤校核，外表面温度t需低于60 ℃，且需低于外护层材料允许使用温度。以DN80注汽管线为例，对防烫保温厚度及注汽管线气凝胶毡经济保温厚度进行计算，具体如表2、表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.004.T002表2DN80注汽管道气凝胶防烫保温厚度计算保温材料气凝胶保温材料导热系数/[W/(m·℃)]0.026管道外表面温度/℃370防烫伤温度/℃60.00环境温度（室内）/℃30防烫保温厚度计算值/m0.026 410.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.004.T003表3DN80注汽管道气凝胶经济保温厚度计算保温材料气凝胶保温材料导热系数/[W/(m·℃)]0.026管道外表面温度/℃370环境温度/℃12.2年运行时间/d120热价/(元/GJ)80保温材料单位造价/(元/m3)23 000运行期平均风速/(m/s)3.4保温层表面放热系数/[W/(m2·℃)]24.50保温层预测运行寿命/a7年贷款利率/%6工程投资年摊销率/%16.90计算温差/℃357.8经济保温厚度计算值/m0.033 1由表2、表3可以看出，气凝胶毡经济保温厚度为33.1 mm，防烫保温厚度为26.4 mm。气凝胶毡厚度规格有6 mm、8 mm、10 mm、12 mm等，考虑到施工要求及降低工程投资，气凝胶保温厚度选择30 mm，单层气凝胶毡厚度为10 mm。对硅酸铝保温材料及气凝胶保温材料经济性能进行理论计算对比，具体如表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.004.T004表4DN80注汽管道保温层改造前、后经济性对比项目改造前（硅酸铝）改造后（硅酸铝）改造后（气凝胶）性能分析保温层厚度/mm11011030保温后直径/mm309309149保温后表面积/(m2/m)0.970.970.47平均环境温度/℃12.2管道面散热损失/(W/m2)285169259管道散热损失/(W/m)277164121对比改造前节能率/%-38.856.1蒸汽流量/(t/h)10每千米干度降/%1264.5经济分析主材、辅材费用/(万元/km)-21.623.98施工安装费用/(万元/km)-8.668.90合计费用/(万元/km)-30.2633.50正常使用年限/a-77年折合成本/(万元/a)-4.324.78燃料热值/(MJ/kg)-4141年平均运行时间/d120每公里年节省燃料量/（t/a）-30.3438.52燃油价格/(元/t)-2 1612 161年节约费用/(万元/n)-6.568.32由表2～表4分析结果可以看出，考虑采用新型保温材料气凝胶对注汽管线进行保温改造。注汽管道应先进行手动除锈，除锈标准应达到St3级。除锈完毕后及时涂覆耐温400 ℃常温干燥型铝粉有机硅耐热漆2道，充分干燥后方可进行保温。保温结构为：铝箔玻纤布1层+10 mm厚气凝胶毡1层+铝箔玻纤布1层+10 mm厚气凝胶毡1层+10 mm厚气凝胶毡1层+铝箔玻纤布1层+防水卷材1层+玻璃丝布2层。注汽管道保温结构示意图如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.004.F005图5注汽管道保温结构示意图2.2注汽管托、阀门、井口保温优化将现有的普通管托改造为保温管托。管托底部采用绝热复合材料保温，具有耐压性、耐腐蚀性等。保温管托示意图如图6所示。阀门和采油井加装保温套（见图7）， 井口加装保温套（见图8）。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.004.F006图6保温管托示意图10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.004.F007图7注汽阀门加装保温套10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.004.F008图8井口加装保温套3优化结果分析胜利油田某采油厂采用以上优化方法对注蒸汽管网进行了节能技术改造，胜经能源监测站对注汽管网改造前、后散热损失进行了检测，管网平均散热损失由改造前的5.26%降到了改造后的2.04%，管网散热损失减少了61.2%，节能率为3.22%。按照年注蒸汽量400 万t计算，若采用以上优化方法对整个胜利油田注汽管网进行节能技术改造，年节省热量将达到3.4×1011 kJ，折合燃气量1.0×107 m3，折合标煤7.52×103 吨标准煤，达到了节约燃料，提高热能利用率，节能减排和降低生产成本的目的。