高含硫氣田集輸系統能耗分析與評價

梁金國，林日億，王修張，劉德緒，尹家文，龔金海，王方正

(1.中國石油大學 儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580;2.中原油田設計院，河南 濮陽 457001;3.中石化天然氣川氣東送管道分公司，武漢 430070)

目前，國內正在開發的一些較大氣田(如普光氣田)的氣井地理位置復雜且氣候條件比較特殊，氣田硫化氫、二氧化碳的含量都非常高。這些復雜的工況條件導致了氣田集輸系統布置相當復雜，造成了高含硫氣田集輸系統的運行效率低，能耗高。天然氣集輸系統的效率從廣義上講是指整個集輸系統的能量利用率，是系統能量消耗的重要衡量指標。由天然氣集輸系統效率定義［1］，可定性得出天然氣集輸系統的站效與管效決定了整個集輸系統的效率。因此，集輸系統效率的提高要著眼于集氣站設備效率的提高和處理流程能耗的降低［2，3］。本文針對高含硫氣田集輸運行效率低，系統能耗高的現狀，應用熱力學能量平衡原理和方程進行能耗分析，旨在為高含硫氣田高效、低耗的運行提供技術保障。

1 集氣系統

高含硫氣田集輸系統［4］因考慮H2S 氣體危害及腐蝕一般采用全濕氣加熱保溫混輸工藝:井口天然氣先進入集氣站，經加熱、節流、分離、計量后外輸至集氣末站分水;含飽和水蒸氣的酸氣至凈化廠凈化。

2 集氣系統能量分析

能量分析，是指依據能量轉換和傳遞理論，對設備或系統用能過程的有效性和合理性進行評價和分析。能量分析法分為能量平衡分析法和分析法［5］。

2.1 能量平衡分析法

2.1.1 能量平衡分析模型

能量平衡分析法主要利用熱力學第一定律。對于一個系統來說，進出系統的能量變化等于系統內部的能量變化。而對于穩定系統，系統內部能量不變，因此進入系統的能量等于離開系統的能量。其能量平衡方程式［5］可表示:

式(1)中，Qwr、Qw分別為由介質帶入、帶出系統的能量(kW);Qsup為外界供給系統的能量(kW);Qpc為系統排出的能量(kW)。

2.1.2 集輸系統內主要設備及系統的能量平衡分析

對于高含硫天然氣田，天然氣處理工藝包括:節流閥節流、添加緩蝕劑、添加水合物抑制劑、加熱爐加熱、清管、計量分離、輸送等。為了便于整個系統的用能狀況的能量平衡分析，建立能量平衡模型［6，7］。模型以井排來天然氣混合物為入口，以外輸濕天然氣為出口，其間涉及天然氣的加熱、節流閥的降溫，降壓以及火炬的燃燒損失等，為一個開口的穩定流系統。

天然氣集輸系統的能量收支平衡方程:

式(2)中，Q1為天然氣混合物進站時帶入的總能量(kW);Qr為燃料燃燒釋放出的總能量(kW);Qe為電能帶入系統的等價熱量(kW);Q2為濕天然氣帶出系統的能量(kW);Qhj為火炬損失能量(kW);Qjrl為加熱爐能量損失(kW);Qqt為系統其他的散熱損失(kW)。

2.2 集輸系統分析

式(3)和式(4)中，Exin為進入系統的(kJ/(K·s);Exsup為供給，由源或具有源作用的物質供給系統的，如燃料、電(或功)等(kJ/(K·s));Exbr為帶入，由除源以外的物質帶入體系的(kJ/(K·s));Exef為有效，被系統有效利用或有帶出的可被有效利用的(kJ/(K·s));Exefc為有效耗，指將原料加工成產品過程中理論上必須消耗的(kJ/(K·s));Exlin為內部損，系統內部由于存在不可逆的因素造成的損失(kJ/(K·s));Exlout為外部損，系統向外界排出的未被有效利用的(kJ/(K·s))。

圖1 集輸系統黑箱分析模型

圖1 中，Egw為天然氣混合物帶入(kW);Eg為外輸天然氣帶出(kW);Ew為污水帶出(kW);Ef為集輸系統供給燃料(kW);Ee為集輸系統供給電(kW);El為集輸系統總損(kW)。

圖2 中，Ef1、Ef2分別為加熱爐供給燃料和火炬供給燃料(kW);Ee1～Ee4為各設備所需電(kW);El1～El4為各設備損值(kW)。

圖2 集輸系統灰箱分析模型

2.3 實例計算分析

由于氣田地面集輸系統的集氣站眾多，而且大同小異，本文以某氣田SC1 站(該站有5 口采氣井)為例進行計算分析整個集氣站、官網和系統的能量和量。

2.3.1 集氣站計算

表1 SC1 集氣站能量平衡分析

表2 SC1 集氣站能量流動分布

由表1 和表2 可以看出各種能量損失中，火炬損失量最大，能耗損失系數為56. 99%，其次是加熱爐損失系數為11.84%。由此可知天然氣集輸系統能耗的薄弱環節為火炬系統和加熱爐。對此，應在確保安全的情況下對火炬和加熱爐開展技術改造，提高熱能利用率。

2.3.2 管網計算

集氣管網包括3 條管線，通過管網用能分析，得到管網能量分析和分析結果(如表5)。

表3 SC1 集氣站分析評價指標

表3 SC1 集氣站分析評價指標

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表4 SC1 集氣站損計算結果

表4 SC1 集氣站損計算結果

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表5 天然氣集輸系統管網分析

2.3.3 集輸系統計算

集輸系統的能耗分析包括集氣站的能耗與管網能耗的總和，因此需要將整個系統能量進行累加并計算，根據計算結果繪制能流圖(圖3)和流圖(圖4)。

圖3 集輸系統能流圖

由圖3 可以看出各種能量損失中，火炬損失量最大，能耗損失系數為58.78%，其次是加熱爐損失系數為11.69%。由此可知天然氣集輸系統能耗的薄弱環節為火炬系統和加熱爐。

由圖4 可以看出，集輸系統中存在的節流閥和火炬系統產生的損失效率過大(一級節流損失率為4.74%、二級節流損失率為7.09%、三級節流損失率為4.34%、火炬損失率為10.24%)導致天然氣集輸系統的效率為負值，因此不能用其表示站的可用能情況，只能采用熱力學完善度這個指標來表示，整個集輸系統的熱力學完善度為0.70，說明天然氣集輸系統是一個可逆程度非常低的系統。

圖4 集輸系統流圖

3 集氣站的模糊綜合評價

為了更全面評價天然氣集輸系統，這里采用模糊綜合評價法綜合評價高含硫天然氣集輸系統。模糊綜合評價法［9］就是以模糊數學為基礎，將事物的定性評價轉化為定量評價，其優點是模型簡單，容易掌握，多于因素復雜問題評價效果好。

高含量天然氣集輸系統的考核指標［10-12］，主要有經濟指標、效率指標和生產約束指標三類。對于集氣站，以往的評價指標為站的效率、萬立方天然氣耗電量、萬立方天然氣耗氣量和火炬耗氣量。而考慮高含硫量天然氣濕氣集輸系統的實際情況，要考慮外輸氣體溫度和外輸氣體壓力。通過以上幾個評價指標進行評價分析，各集氣站評價結果見表6。

表6 各集氣站評價

由表6 可見，集氣站指標達到“良”的站有9 座，占69.23%;達到“中”的站有2 座，占15.38%;“及格”和“不及格”各有一座站，分別為7.69%。其中得分最多的站是SA2站，為86.75 分;“不及格”的站為SC5，得分為57.93。通過上述結果可以確定需要整改的站為SC4 和SC5 站。

4 結論

基于熱力學第一、第二定律，建立了高含硫氣田集輸系統能量與分析模型，對天然氣集輸系統開展了計算分析，得到了能耗分布，繪制了能流圖和流圖。系統用能的薄弱環節為火炬系統和加熱爐系統，可在保證安全的條件下減少火炬用氣量和改善加熱爐的燃燒工況來提高集氣站的效率。在能耗分析的基礎上，基于模糊數學方法和集氣站評價指標，建立基于集氣站評價指標的模糊數學綜合評價模型，對天然氣集輸系統進行評價與管理。對于所評價的某氣田，其集氣站達到“良”的集氣站得比例為69.23%，屬于中上等水平。

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