油田接轉站內能耗分析及節能研究

趙洪濱，江 婷，楊 倩，楊 微，黃 輝，李 奇

油田接轉站內能耗分析及節能研究

趙洪濱1，江 婷1，楊 倩1，楊 微1，黃 輝2，李 奇2

（1. 中國石油大學(北京) 機械與儲運工程學院，北京 102249； 2. 中國石油化工股份有限公司 石油勘探開發研究院，北京 100083）

油氣集輸工藝接轉站的能量供應通常采用加熱爐消耗原油的供熱方式，用能效率相對較低。為了全面了解接轉站的能耗狀況，本文以江蘇油田某集油站為研究對象，結合熱力學第一定律和第二定律基本理論，首先建立了油田集輸系統不同設備的數學模型，然后結合現場采集的數據，對集油站能耗的現狀進行了定量分析，得到了接轉站年內不同時期的能耗，并進一步討論了氣溫、油田采出液含水率、伴熱熱水溫度和原油采出液溫度對單位能耗的有關影響規律。并創新性地利用? 分析方法找出了接轉站內用能薄弱環節。研究表明：加熱爐耗油量隨一年四季變化較明顯，原油采出液單位能耗隨含水率和加熱爐溫升的增加線性增加，伴熱熱水單位能耗隨伴熱熱水加熱爐溫升增加而增加，并在此基礎上給出了減少集輸過程能耗的相關措施。

接轉站；能耗分析；節能研究

1 接轉站流程簡介

目前我國大多數主力油田經過許多年的開發建設，已經進入高含水開發階段[1,2]，原油產量逐年遞減，含水不斷上升，油田地面各生產系統的負荷率普遍下降，運行效率低，系統能耗升高。隨著油田開發的繼續進行，產量遞減而能耗升高的矛盾將越來越突出[3-6]。針對油田面臨的這種生產狀況，油田企業應進一步完善集輸流程，降低系統能耗，優化運行參數，調整與改造現有的集輸系統，大力推行節能降耗技術，使之與油田生產實際相結合，達到降低生產成本、提高系統效率、節約能源的目的。本文在研究油田接轉站內部能耗時，創新性地采用了?分析的方法，從熱力學第一定律和第二定律兩方面分析接轉站能耗及其部分影響規律。

目前，油田生產過程能耗偏高，采用的是粗放式生產方式，對用能的具體損失分布沒有定量的研究，同時，所消耗的能量都是常規的油和電，在生產、輸送石油的同時，消耗了大量的寶貴能源。某接轉站內部的流程圖如圖1所示。

油田井口輸送過來的油田采出液和伴熱熱水經加熱爐加熱，油田采出液加熱至滿足外輸要求后由外輸泵輸送出站，伴熱熱水分成兩部分，一部分用來給站內儲油罐和燃油罐保溫，另一部分去往油田給油田采出液伴熱從而滿足油井至接轉站段的集輸要求。因此進入加熱爐的伴熱熱水是由站內保溫水和油田伴熱水混合而成。

表1給出了該接轉站內各設備的型號及功率。

2 集輸系統能耗評價模型

集輸系統接轉站中加熱爐是重要的耗能設備，占據了系統總耗能量中很大的比例，屬于集油站主要的節能對象。加熱爐通過燃料燃燒和對流換熱兩部分完成化學能向被加熱介質熱能的轉換，這個過程伴有排煙損失、化學不完全燃燒損失、散熱損失、機械不完全燃燒損失等能量損失過程，基于此分析建立了如下加熱爐能量模型。

3 接轉站加熱爐熱負荷分布規律

圖2 為2013.04-2014.03某油田接轉站內加熱爐全年總熱負荷及平均氣溫散點圖。從圖中可以看出，加熱爐總熱負荷總體呈現夏天低冬天高的狀態，與年日平均氣溫趨勢正好相反，這說明，雖然石油是儲存在地下，但是將其開采出來的過程中其運輸的熱負荷與氣溫呈現反比的關系。圖3給出了加熱爐月日平均總熱負荷，從圖中可以看出，加熱爐總熱負荷月日平均值冬季明顯較高，夏季較低。在2013年8月達到最低值，為275.20 kW；在2013年11月達到最高值，為459.12 kW。因此加熱爐總熱負荷受一年四季影響較大，而且具有較明顯的趨勢。

由于進入加熱爐中被加熱的流體有伴熱熱水和油田采出液，因此研究兩者所占配比具有較大的意義。圖4為2013.04-2014.03加熱爐中采出液和伴熱熱水噸液熱負荷散點圖，由圖中可以看出，加熱爐中采出液熱負荷在40～15 MJ/t的范圍內變化，加熱爐中伴熱熱水熱負荷在50～90 MJ/t的范圍內變化采出液的噸液熱負荷高于伴熱熱水的噸液熱負荷，這是由于采出液外輸過程中要求溫度在 80 ℃左右，因此加熱溫差大，在加熱爐中，采出液盤管的位置處于內側，接觸的火焰溫度高，伴熱熱水管在外側，接觸的換熱氣體溫度稍低。

圖5 給出了加熱爐中原油采出液、伴熱熱水月日平均熱負荷，加熱爐中采出液月平均熱負荷在20 14年3月份達到最高值，為117.99 MJ/t；在2013年8月份達到最低值，為65.33 MJ/t。加熱爐中伴熱熱水月平均熱負荷在2013年11月份達到最高值，為54.90 MJ/t；在2013年8月份達到最低值，為2 6.00 MJ/t。

4 集輸系統能耗影響因素

4.1 采出液含水率對采出液能耗的影響規律

油田開發后期，采出液含水率較高，原油產量遞減。圖6(a)給出了采出液含水率對采出液單位噸液能耗的影響，從圖中可以看出，采出液單位噸液能耗隨含水率的增加線性增加。

采出液含水率每增加10%，油田采出液單位能耗增加0.204 MJ/t/K。圖6(b)給出了采出液含水率對采出液單位能耗的影響，可以得到，當采出液含水率一定時，采出液單位能耗隨加熱爐采出液溫升增大而增大，當加熱爐采出液溫升一定時，采出液單位能耗隨采出液含水率增高而增加。例如當采出液含水率為0.8，加熱爐采出液溫升為20 ℃時，采出液單位能耗為75.44 MJ/t。

4.2 加熱爐流體溫升對能耗的影響規律

圖7(a)給出了伴熱熱水在加熱爐中的溫升對其單位能耗的影響，從圖中可以看出，隨著伴熱熱水溫升的增加，伴熱熱水能耗呈線性增長。加熱爐伴熱熱水溫升1 ℃，伴熱熱水單位能耗增加4.18 MJ。由于伴熱熱水是為了對井口采出的油田采出液伴熱，因此，只要控制在滿足伴熱要求的范圍內使水溫升最小即可控制集輸系統能耗。

圖 7(b)給出了油田采出液在加熱爐中的溫升對其單位能耗的影響，采出液含水率取該接轉站內平均含水率85%。從圖中可以看出，隨著加熱爐油田采出液溫升的增加，其能耗呈線性增長。加熱爐油田采出液溫升每升高1 ℃，油田采出液單位能耗增加3.874 MJ/t。在接轉站內給油田采出液增壓升溫是為了滿足下游集輸管線的需求，因此，只要控制在滿足集輸要求的范圍內使采出液溫升最小即可控制集輸系統能耗。

針對本文中的接轉站，對于熱負荷較大的冬季，通過計算可得，理想伴熱熱水溫升為 10 ℃，單位熱負荷為41.8 MJ/t；油田采出液溫升為20 ℃，單位熱負荷為77.48 MJ/t。對于熱負荷較小的夏季，理想伴熱熱水溫升為7℃，單位熱負荷為29.26 MJ/t；油田采出液溫升為15 ℃，單位熱負荷為58.11 MJ/t。而該油田為粗放式生產，對油田伴熱熱水溫度和流量沒有一個嚴格的控制，因此如果加強油田對于伴熱熱水的監控調節系統，如有些井含水率較高，產液量極大，對于這些井可以取消管道熱水伴熱，依靠油井生產時的自身壓力和溫度將采出液通過管線輸送；在主管線分叉處安裝伴熱熱水流量計和流量控制閥，這樣便于分配伴熱熱水量，避免流量過大引起的耗散，并在加熱爐安裝溫度監測系統，嚴格控制加熱爐出液溫度，那么油田的能耗在一定程度上可以有所減小。

4.3 油田集輸系統典型工況?分析

圖8給出了接轉站內一個典型日的能流圖，從圖中可以看出燃料的化學能中有 46.6%轉化成了伴熱熱水的內能，18.9%轉化成了采出液的內能，還有34.42%以各種形式散失到環境中。

表2給出了典型工況日加熱爐的運行參數及?效率等計算參數，由表中可得，加熱爐的?損失為599.097 kW，?效率為11.31%，而一次能源效率為65.57%；從一次能源效率來說效率已經相對較高了，但是?效率卻很低。這是由于能量不僅有量的多少，還有質的高低，化學?的品質高于內能?，因此傳統加熱爐設備是對能量品質的一種浪費。

圖9 給出了典型日系統?損失分布，伴熱熱水所得?和原油所得?分別為62.696 kW 和22.412 kW，所占總?投入的比例為11.64%。

從圖9 可以看出，接轉站內加熱爐?損失為88.69%，而第一定律所給的熱損失只有34.43%，因此油田接轉站目前的能量品質損失較大。這是由于，目前大部分油田都采用直接燃燒原油來加熱采出液和油田伴熱熱水，燃燒過程和傳熱過程?損失都比較大，所以再改進油田接轉站伴熱方式時可以采用更好的替代方式替代傳統這種直接燃燒原油供熱的方式，比如采用因地制宜，采用太陽能和生物質能輔助的方式來加熱油田采出液和伴熱熱水，以尋求更高的?效率。

5 結 論

加熱爐耗油量和加熱爐熱負荷隨一年四季變化較明顯，夏季加熱爐耗油量低，冬季加熱爐耗油量高，環境對接轉站加熱爐能耗有明顯的影響。當采出液含水率一定時，采出液單位能耗隨加熱爐采出液溫升增大而增大，當加熱爐采出液溫升一定時，采出液單位能耗隨采出液含水率增高而增加。例如當采出液含水率為0.8，加熱爐采出液溫升為20 ℃時，采出液單位能耗為75.44 MJ/t。可以在加熱爐安裝溫度監測系統，嚴格控制加熱爐出液溫度，減小系統能耗。隨著伴熱熱水溫升的增加，伴熱熱水能耗呈線性增長。加熱爐伴熱熱水溫升 1℃，伴熱熱水單位能耗增加4.18MJ。加強油田對于伴熱熱水的監控調節系統，控制油田伴熱熱水溫度和流量，減小系統能耗。系統?損失主要在于加熱爐內燃燒過程、傳熱過程以及排煙；另外，管路的換熱損失也較大，而水泵、油泵的?損失相對較小。可以利用可再生能源替代傳統能源或者采用新型工藝流程，提高系統?效率。

［1］ 魏立新，劉揚．油田集輸系統生產運行方案優化方法[J]．大慶石油學院學報，2005，29(3)：47-49．

［2］ 劉萬豐．油氣集輸系統生產運行方案優化方法[J]．油氣田地面工程，2010，29(2)：32-33．

［3］ 王靜，王陸，馬文英．油氣集輸系統生產運行方案優化方法[J]．能源科技，2014(03)：44．

［4］ 單孝森．大慶采油三廠集輸系統能量利用最優化研究[D]．大慶：大慶石油學院，2007：9-38．

［5］ 袁永惠. 油氣集輸能量系統的熱力學評價與分析[D].大慶：大慶石油學院，2009.

［6］張蘭雙，魏立新，王秀文,等.原油集輸系統效率計算與能耗分析軟件開發[J].油氣田地面工程，2005,24（11）：13-15.

Research on Energy Consumption and Saving in an Oilfield Transfer Station

ZHAO Hong-bin1，JIANG Ting1，YANG Qian1，YANG Wei1，HUANG Hui2，LI Qi2
（1. College of Mechanical and Transportation Engineering, China University of Petroleum, Beijing 102249，China；2. China Petroleum and Chemical Co., Ltd., Research Institute of Petroleum Exploration Development, Beijing 100083，China）

The power in an oilfield transfer station is usually supplied from crude oil combustion in heat furnace, but the energy efficiency is relatively low. In order to comprehensively understand and analyze energy consumption condition in the station, a transfer station in Jiangsu oilfield was chosen as the research object. Combined with basic theories of the thermodynamics first law and second law, the mathematical models of different devices in gathering and transportation system were established firstly, and then combined with the on-site data, the quantitative analysis on the current situation of energy consumption was carried out, and the energy consumption at different period in a year was obtained. Meanwhile influence of different factors such as oilfield produced fluid volume, ground temperature, heat tracing hot water temperature and produced crude oil temperature on the unit energy consumption was analyzed, the system energy loss factor was found out by the exergy analysis. The results show that the oil consumption of heat furnace obviously changes with the four seasons in a year; unit energy consumption of the produced crude oil linearly increases with increasing of the moisture content; and unit energy consumption of the heat tracing hot water increases with increasing of the heat furnace temperature. Finally based on the above analysis results, some relevant measures were recommended to reduce the energy consumption during gathering and transportation process.

Oilfield transfer station; Energy consumption analysis; Energy saving research

TE 832

： A

： 1671-0460（2015）05-1096-05

國家自然科學基金，項目號：No.51274224。

2014-11-27

趙洪濱（1964-），男，北京人,副教授，博士，1988年畢業于清華熱能系，研究方向：從事系統節能工作。E-mail：hbzhao@cup.edu.cn。