用“三環(huán)節(jié)”法分析集油站能耗

黃 春

勝利油田分公司孤島采油廠

用“三環(huán)節(jié)”法分析集油站能耗

黃 春

勝利油田分公司孤島采油廠

結(jié)合集油站各用能設(shè)備的特點(diǎn)以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工藝流程，將用能系統(tǒng)劃分為能量轉(zhuǎn)換與傳輸、能量利用、能量回收三個(gè)環(huán)節(jié)，建立“三環(huán)節(jié)”物理結(jié)構(gòu)模型及數(shù)學(xué)模型。利用能量分析診斷出系統(tǒng)用能的薄弱環(huán)節(jié)，可通過(guò)改進(jìn)加熱爐運(yùn)行狀況、回收高溫外輸原油及污水余熱等措施以達(dá)到節(jié)能的效果。某集油站改造后年節(jié)省燃料油1 060 t，節(jié)約電量67 100 kW·h，回收利潤(rùn)可達(dá)420萬(wàn)余元。

“三環(huán)節(jié)”法；集油站；能耗；節(jié)能

華賁[1-2]所提出的“三環(huán)節(jié)”法是一種具有代表性的過(guò)程能量分析方法，已被應(yīng)用于石油行業(yè)能量系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及其改造中，可達(dá)到較好的節(jié)能降耗效果。基于熱力學(xué)第二定律，“三環(huán)節(jié)”法以全局優(yōu)化為目的，依據(jù)能量在全局系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)變，從能流的變化方向?qū)^(guò)程系統(tǒng)的用能狀況進(jìn)行本質(zhì)、定量的描述。該方法可與較多優(yōu)化技術(shù)（例如人工智能方法）配合使用，得到更為良好的能量分析效果，從而更為準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)用能瓶頸并進(jìn)行改進(jìn)。因此，開(kāi)展了利用“三環(huán)節(jié)”法對(duì)某一集油站進(jìn)行能耗分析，對(duì)其用能狀況進(jìn)行優(yōu)化的研究工作。

1 集油站能耗分析

1.1 能量系統(tǒng)劃分

以某集油站為例，利用“三環(huán)節(jié)”法對(duì)集油站進(jìn)行能耗分析、優(yōu)化。依據(jù)“三環(huán)節(jié)”法，將該集油站能量系統(tǒng)進(jìn)行劃分，具體劃分見(jiàn)表1所示。

表1 某集油站能量系統(tǒng)“三環(huán)節(jié)”劃分

1.2 物理結(jié)構(gòu)

依據(jù)表1中對(duì)該站能量系統(tǒng)的劃分，結(jié)合通用“三環(huán)節(jié)”能量結(jié)構(gòu)模型及實(shí)際生產(chǎn)工藝流程可知，供入系統(tǒng)的能量主要包括電能EPE、井排來(lái)液能Ein及燃料能EPR。在該環(huán)節(jié)中的能量損失則包括機(jī)泵損失EWP、排煙損失EWX、散熱損失EWD、化學(xué)不完全燃燒熱損失EWC。進(jìn)入并參與完成主要工藝過(guò)程的能量的總和稱作工藝總用能EN，是反映能量工藝?yán)盟降闹笜?biāo)[3]。工藝總用能包括工藝有效供能及回收循環(huán)能。在能量利用環(huán)節(jié)也存在相應(yīng)的直接損失，這一環(huán)節(jié)的直接損失就是指設(shè)備的散熱損失。回收利用的能量ERU包括回收循環(huán)能和回收輸出能EE兩部分，回收循環(huán)能ER主要是由換熱器回收的穩(wěn)定后原油帶出的熱量，并用來(lái)加熱未穩(wěn)定原油。回收輸出能EE是指外輸原油的能量，即EY。不能回收排棄能EJ包括設(shè)備散熱損失EJD及污水帶出系統(tǒng)的能量EJWS兩部分。

1.3 數(shù)學(xué)模型

依據(jù)集油站能量系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)，建立數(shù)學(xué)模型[4]。

（1）能量轉(zhuǎn)換和傳輸環(huán)節(jié)。供入系統(tǒng)的能量EP=EPE+Ein+EPR；能量損失EW=EWP+EWX+EWD+EWC；工藝有效利用能EU=EP-EW。

（2）能量工藝?yán)铆h(huán)節(jié)。工藝總用能EN=EU+ER。

（3）能量的回收環(huán)節(jié)。回收利用能量ERU=ER+EY。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的分析計(jì)算，可繪制出該集油站“三環(huán)節(jié)”能流分布圖，如圖1所示。

圖1 集油站“三環(huán)節(jié)”能流分布

2 能耗評(píng)價(jià)及節(jié)能措施

可分別利用能量轉(zhuǎn)換率ηU（工藝過(guò)程有效利用部分的效率）、能量利用率ηT（能量工藝?yán)玫某潭龋⒛芰炕厥章师荝（能量回收階段的效率）來(lái)評(píng)價(jià)能量轉(zhuǎn)換與傳輸環(huán)節(jié)、能量利用環(huán)節(jié)、能量回收環(huán)節(jié)；三個(gè)環(huán)節(jié)的分析指標(biāo)分別為熱能有效消耗率ξCh、電能有效消耗率ξCe、單位工藝能耗λ（外輸單位質(zhì)量的原油所要損耗的工藝能量）、有效回收利用率（有效回收的能量的回收率）。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，評(píng)價(jià)指標(biāo)及分析指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 集油站“三環(huán)節(jié)”法評(píng)價(jià)及分析指標(biāo)

表2中數(shù)據(jù)顯示，能量轉(zhuǎn)換與傳輸環(huán)節(jié)中能量利用存在較大的損耗，以電能損耗和熱能損耗為主。針對(duì)該站主要耗能設(shè)備（加熱爐和泵機(jī)組）進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，其結(jié)果表明：水套加熱爐及穩(wěn)定加熱爐因吹灰裝置失效而使得排煙溫度較高，水套爐因未根據(jù)燃燒調(diào)整配風(fēng)、燃燒系統(tǒng)密封不嚴(yán)及設(shè)備故障等原因造成過(guò)量空氣系數(shù)偏高，增大了加熱爐排煙熱損失，不能達(dá)到《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測(cè)規(guī)范（SY/T 6275—2007）》要求；共監(jiān)測(cè)11臺(tái)泵，其中只有2臺(tái)循環(huán)泵未達(dá)到要求的合格指標(biāo)；所監(jiān)測(cè)的泵機(jī)組中共有2臺(tái)泵機(jī)組，負(fù)載率低，未達(dá)到要求的合格指標(biāo)。能量利用環(huán)節(jié)中，其能量利用情況良好，表明所采用工藝流程較為合理。能量回收環(huán)節(jié)中，外輸原油及高溫污水帶出較多熱量，使得能量回收率、有效回收利用率低下，但具有較大的回收潛力。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及分析認(rèn)為，可通過(guò)以下措施進(jìn)行改進(jìn)，以達(dá)到節(jié)能降耗的目的：①該集油站加熱爐設(shè)備陳舊，已經(jīng)超過(guò)其經(jīng)濟(jì)壽命，加熱爐效率低下，需更換設(shè)備，對(duì)其運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并對(duì)現(xiàn)有設(shè)備爐體進(jìn)行改造；②循環(huán)泵因其內(nèi)部或者管線結(jié)垢情況嚴(yán)重，使得管線阻力特性改變，能耗增大，需進(jìn)行除垢；③泵機(jī)組負(fù)載率低，需選擇合適的電機(jī)進(jìn)行匹配；④高溫污水所攜帶余熱可用于加熱來(lái)液，提高來(lái)液進(jìn)入加熱爐溫度，提高加熱爐效率并節(jié)約燃料；⑤外輸原油所攜帶余熱可用于加熱未穩(wěn)定原油。計(jì)算預(yù)測(cè)出該集油站節(jié)能潛力，見(jiàn)表3。

表3 集油站改造前、后節(jié)能預(yù)測(cè)

節(jié)能改造后，該集油站可每年節(jié)省燃料油約為1 060 t，節(jié)約電量為67 100 kW·h，年回收利潤(rùn)可達(dá)420萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益較大，認(rèn)為“三環(huán)節(jié)”法可推廣應(yīng)用于集油站的能耗分析中。

3 結(jié)論及建議

集油站是油氣集輸系統(tǒng)中能耗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。分析集油站的工藝流程特點(diǎn)，以及各個(gè)工藝環(huán)節(jié)中的主要能耗設(shè)備，診斷出工藝流程環(huán)節(jié)和設(shè)備本身存在的問(wèn)題，可通過(guò)節(jié)能改造帶來(lái)較大的益處。

（1）應(yīng)用“三環(huán)節(jié)”法對(duì)集油站整體用能情況進(jìn)行過(guò)程能量分析。結(jié)合集油站各用能設(shè)備的特點(diǎn)以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工藝流程，將用能系統(tǒng)劃分為能量轉(zhuǎn)換與傳輸、能量利用、能量回收三個(gè)環(huán)節(jié)，建立“三環(huán)節(jié)”物理結(jié)構(gòu)模型及數(shù)學(xué)模型。

（2）通過(guò)能量分析診斷出系統(tǒng)用能的薄弱環(huán)節(jié)，可通過(guò)改進(jìn)加熱爐運(yùn)行狀況、回收高溫外輸原油及污水余熱等措施以達(dá)到節(jié)能的效果，“三環(huán)節(jié)”法用于集油站能耗分析能夠取得較大的經(jīng)濟(jì)效益，適于推廣應(yīng)用。

[1]華賁．工藝過(guò)程用能分析與綜合[M]．北京：北京烴加工出版社，1989.

[2]華賁．過(guò)程能量綜合的研究進(jìn)展和展望[J]．石油化工，1996，25（1）：62-76.

[3]華賁．煉油廠能量系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)研究與應(yīng)用[M]．北京：中國(guó)石化出版社，2008.

[4]鄧毅．造紙企業(yè)能量系統(tǒng)“三環(huán)節(jié)”結(jié)構(gòu)模型的建立和用能分析研究[D]．廣州：華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2003.

（欄目主持張秀麗）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.6.032