稠油采輸系統的熱力學分析

曹 鵬，吳 明

稠油采輸系統的熱力學分析

曹 鵬，吳 明

（遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院，遼寧 撫順，113001）

稠油采輸系統輸送大量能源，同時也消耗大量能量。分析了具體案例，計算了稠油采輸系統三個子系統的熱效率和?效率，并對稠油采輸系統的熱效率和?效率的影響因素進行分析。研究結果表明：在注氣鍋爐子系統方面，給水流量和蒸汽壓力對系統影響較大；在集輸子系統方面，蒸汽干度對系統影響較大；在集輸子系統方面，加熱爐進風溫度對系統影響較小。

稠油采輸；熱效率；?效率；影響因素

稠油采輸系統作為原油采輸的主要方式，發揮著重要的作用。其自身輸送大量能源，但從原油的收集到加工為符合輸出要求的合格原油的過程，也消耗大量的電能和熱能。在稠油生產過程中，稠油采輸系統各環節均存在不同程度的能量損失。對于石油企業而言，節能降耗是降低成本和提高經濟效益的關鍵。對稠油采輸系統能耗的影響因素進行分析，找出系統用能的薄弱環節，能為改造現役油氣采輸系統提供依據，以便達到降低生產成本、提高經濟效益的目的。

1956年，南斯拉夫學者Z.Rant正式命名了一個新參數“exergy”(即?)[1]，?這個評價能量價值的物理量和?分析，是在1957年傳入我國的[2]。楊東華[3]提出了四種工程意義明確而又嚴密的?效率定義，并分別對各種具體情況提出了各類熱工設備的合理的?效率。20世紀80年代中期，Soma J在他建立的能量超越方程[4]的基礎上，首次提出了?傳遞的概念[5]定義，項新耀[6]引用“?阻”的概念，以熱力學與傳輸原理相結合的方法為基礎，提出了?傳遞分析。基于以上研究，本文建立油田稠油采輸系統“灰箱”模型，討論了三個子系統中不同因素對熱效率和?效率的影響及其變化規律，以期為提高油田采輸系統能源利用效率提供一定的理論依據。

1 稠油采輸系統模型的建立

1.1 稠油采輸系統“灰箱”模型建立

稠油采輸系統首先由注汽鍋爐產生具有一定狀態的濕蒸汽，然后注入到油層中，將熱量傳遞給油層，使稠油溫度升高而具有一定的流動性，再從油層采出稠油混合物經過集輸系統進行油品混合物的分離，最后得到所需要的稠油和天然氣。

將稠油采輸系統分成三個部分，即注汽鍋爐子系統，注采子系統，集輸子系統。將它們看成三個黑箱模型，則可將整個系統當做灰箱模型進行分析。稠油采輸系統的灰箱模型如圖1所示。

式中：EN為系統的總供給?，kJ/h；ENi為第i個子系統的供給?，kJ/h；ELj為第j個子系統的?損，kJ/h；El為注汽鍋爐子系統的傳熱及不可逆燃燒?損，kJ/h；ETy為注汽鍋爐子系統的排煙?損，kJ/h；El1為注采子系統的?損，kJ/h；El2為集輸子系統的?損，kJ/h；Ew為集輸子系統的分離出污水帶走的?，kJ/h；Ez為系統的總有效?，kJ/h。

注汽鍋爐子系統供給?為：

注汽鍋爐子系統有效?為：EZ1=Eq-Es(5)

注汽鍋爐子系統?損為：

式中：Ef為注汽鍋爐的燃料?，kJ/h；ER為進入注汽鍋爐空氣的物理顯?，kJ/h；Eq為注汽鍋爐產生蒸汽的?，kJ/h；Es為進入注汽鍋爐的給水?，kJ/h；Ir為注汽鍋爐燃燒不可逆的內部?損失，kJ/h；I0為注汽鍋爐其他外部?損失，kJ/h；Ic為注汽鍋爐傳熱?損失，kJ/h。

注采子系統供給?為：EN2=Eq+Ed1(7)采子系統有效?為：

注采子系統?損為：EL2=El1(9)式中：Ed1為注采子系統消耗的電?，kJ/h；Q為注采子系統加熱油層的熱量，kJ/h；Toil為油層的溫度，K；Tc為采出油品混合物的溫度，K。

集輸子系統供給?為：集輸子系統原油提高的能量定義為有效?，則：

集輸子系統?損為：EL3=El2-Ew(12)

式中：Ef2為進入集輸子系統的燃料?，kJ/h；Ed2為集輸子系統消耗的電?，kJ/h；ER1為進入集輸子系統空氣的物理顯?，kJ/h；E`0為進入集輸子系統的油品混合物物流?，kJ/h；E0為采出混合流的物流?，kJ/h。

1.2 數學模型的建立

與熱力學第一定律建立的能量方程、能量分析方法以及用能評價準則相對應，從工程應用角度，跟據熱力學第二定律和?概念相應地建立了?方程、?分析方法以及用?評價準則，而有[7]：

式中Esup為供給?，Eef為有效?，Eloss為損失?，ηε為用?效率。

式中Ex,sup為供給能，Ex,ef為有效能，Ex,loss為損失能，λε為用能效率。

1.3 基礎數據

稠油采輸系統基礎數據如表1所示。

1.4 算例分析

注汽鍋爐子系統，注采子系統和集輸子系統的熱平衡和?平衡計算結果分別如表2，表3，表4所示。

2 稠油采輸系統熱效率和?效率影響因素分析

2.1 注氣鍋爐子系統熱效率和?效率影響因素

在注汽鍋爐子系統中給水壓力、給水溫度、給水流量、進風溫度、蒸汽壓力、蒸汽干度、過量空氣系數對熱效率和?效率均有影響，其中給水流量對效率影響較大。給水壓力每增加 0.5MPa熱效率降低0.017%，?效率降低0.017%。給水溫度每增加10℃熱效率降低0.30%左右，?效率增加0.41%左右。進風溫度每增加10℃，熱效率提高0.24%左右，?效率提高0.23%左右。蒸汽壓力每增加0.5MPa，熱效率下降 0.62%左右，?效率下降0.28%左右。蒸汽干度每增加5%，熱效率降低0.39%左右，?效率降低0.05%左右。過量空氣系數每增加0.5，熱效率下降0.15%左右，?效率降低非常小。

2.1.1 給水流量的影響

給水流量每增加 0.2t，熱效率和?效率分別提高0.70%和 0.30%左右。給水流量與注氣鍋爐子系統熱效率和?效率的關系見圖2。

2.2 注采子系統熱效率和?效率影響因素

注采子系統中注氣壓力和蒸汽干度對熱效率和?效率有影響，其中蒸汽干度是主要影響因素，注氣壓力每增加0.5MPa，熱效率增加0.45%左右，?效率增加0.07%左右。

2.2.1 蒸汽干度的影響

蒸汽干度從 55%提高到 60%,熱效率和?效率分別下降0.80%和0.20%，蒸汽干度從95%提高到100%，熱效率和?效率分別下降0.65%和0.16%，隨著蒸汽干度的增加，蒸汽干度對熱效率和?效率的影響減小。蒸汽干度與注采子系統熱效率和?效率的關系見圖3。

Thermodynamic Analysis of Heavy Oil Recovery and Transportation System

CAO Peng, WU Ming
（College of Petroleum and Nature Gas Engineering,Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

Heavy oil recovery and transportation system transports large amounts of energy, but also consume a lot of energy. Through analysis of the specific case, the thermal efficiency and exergy efficiency of three subsystems in the heavy oil recovery and transmission system were calculated, and influence factors on thermal efficiency and exergy efficiency of the heavy oil recovery and transportation system were analyzed. The results show that: in the gas injection boiler subsystem, water flow and steam pressure has greater impact on the system; in the injection-production subsystem, steam dryness has greater impact on the system; in the gathering subsystem, the heating furnace inlet air temperature has less influence on the system less influence.

Heavy oil recovery and transportation; Thermal efficiency; Exergy efficiency; Influencing factors

TE 832

： A

： 1671-0460（2015）05-1135-03

2014-12-7

曹鵬（1990-），男，遼寧撫順人，碩士研究生，2012年畢業于遼寧石油化工大學油氣儲運專業，研究方向：油氣集輸。E-mail：279813661@qq.com。