北五原油集輸脫水站提高熱能利用探討

田三忠，武明民，楊 陽，王新建，宋成龍

（1.成都理工大學，四川成都 610059；2.中國石油長慶油田分公司第三采油廠，寧夏銀川 750006）

靖安油田北五轉原油集輸系統始建于2004 年，是以靖一聯合站為主體終點的原油集輸系統，目前日處理液量占靖安油田侏羅系集輸系統的近1/2。2014 年對北五原油接轉站實施了改建脫水站工程，改建完成后，由于北五原油脫水站加溫系統采用天然氣加溫，受干氣量少，集輸管線管程過長等因素影響，北五原油脫水站自投用以來，外輸溫度始終低于下游要求溫度，給下游站點集輸系統運行帶來很大壓力。本文主要針對北五原油脫水站目前工藝流程及生產參數來探討該系統熱值消耗，探尋一套符合北五原油脫水站的運行模式，以期提高集輸系統熱能利用率，實現靖安油田侏羅系集輸系統的節能運行。

1 集輸生產現狀調查

1.1 集輸系統現狀

北五原油脫水站主要負責塞248 區塊、ZJ4 新區、楊66 區塊及新56 區塊的原油集輸任務，由較集中的8 個增壓點以及7 個井組單井組成，日處理液量達到1 492 m3，油量670 m3/d，水量820 m3/d。污水回注1 205 m3/d，需要靖一聯補充污水400 m3/d。

北五原油脫水站目前利用三相分離器進行油水分離，對產進原油進行統一加溫加藥之后，進入三相分離器進行油水分離，分離出原油外輸至下游站點靖一聯合站，管線規格φ159×6×11.2 km，日集輸液量670 m3。分離出污水處理后進行就地回注。

目前北五轉三相分離器進液溫度63 ℃，所投加藥品為長慶化工集團提供的破乳劑YT-100，投加濃度為200 mg/L。三相分離器出口原油含水0.5 %，污水含油50 mg/L，各項指標均達標。

1.2 熱值利用消耗現狀

北五原油脫水站基本集輸流程為原油經過總機關閥組，首先進入80 m2換熱器加溫，然后進入60 m3緩沖罐，再經過加熱爐加溫進入三相分離器，最后油水分離后，凈化油進入儲油罐外輸，污水進入除油罐、凈化污水罐回注。由北五原油脫水站流程簡圖可以看出（見圖1），原油在進入三相分離器之前有兩次加溫過程，即80 m2產進換熱器和兩具真空加熱爐，而在三相分離器后端并沒有加溫設備。由于三相分離器出口凈化油在站內無法加溫，外輸原油溫度低，不能滿足下游站點要求，北五原油脫水站只能提高三相分離器進口原油溫度，來盡量滿足原油外輸溫度要求，目前三相分離器進口液量溫度63 ℃，已經達到站點加溫上限。

1.3 目前生產存在問題

由于連續產能開發和后端燃煤點氣化改造的實施，靖安油田加溫用氣量逐年上升，已經不能滿足生產生活需要。北五原油脫水站干氣壓力下降，給站點生產生活帶來挑戰，必須用盡可能少的天然氣達到最好的加溫效果，實現原油集輸系統平穩運行。

圖1 北五原油脫水站流程簡圖

1.3.1 站內集輸系統熱能利用率低 北五原油脫水站日處理液量1 492 m3，其站內閥組匯管溫度僅為27.5 ℃，將全部液量加溫到63 ℃進行原油脫水，之后凈化油外輸至靖一聯進行下一步處理，污水處理后回注。該過程分離產生凈化油672 m3/d，污水820 m3/d，利用熱能定律：Q=CMΔt。

式中：Q：熱量（焦耳，J）；C：比熱容（焦耳/千克·攝氏度，J/kg·℃），C水=4 200 J/kg·℃，C油=1 800 J/kg·℃；Δt：溫度差（攝氏度，℃）。

計算：Q水=4 200×820×（63-27.5）×1 000=1 229×108J；Q油=1 800×672×0.857 3×（63-27.5）×1 000=368×108J；Q水+Q油=1 597×108J。

得出，北五原油脫水站將1 492 m3液量從27.5 ℃提溫至63 ℃需要熱量1 597×108J（3 820×104kcal），需要消耗天然氣4 140 m3，其中污水升溫所占能量為77%，油升溫所占能量比例為23 %。

表1 加藥濃度為200 mg/L 時溫度對原油脫水影響

1.3.2 原油脫水溫度過高導致熱能消耗增大 目前，北五轉三相分離器運行采用集中加溫加藥，其中加藥為破乳劑YT-100，由長慶化工集團提供。在相同破乳劑投加濃度下，做溫度對原油破乳效果實驗，實驗破乳劑加藥濃度為200 mg/L。實驗效果（見表1，圖2）。

圖2 破乳劑濃度100 mg/L 時溫度對原油脫水影響效果圖

從實驗數據顯示，破乳劑YT-100 的最佳脫水溫度為42 ℃。而在實際操作中，為了滿足原油外輸溫度，只能提高三相分離器前端溫度，實際運行溫度為63 ℃，遠高于最佳脫水溫度，造成了熱能消耗過大，熱能利用率低。

1.3.3 原油輸送熱能損失嚴重 由于北五原油脫水站集輸管線規格為φ159×6×11.2 km，存在輸送液量少，僅有672 m3，是管程的3 倍。輸送距離遠，達到11.2 km。同時因受到山區地形影響，管線外露[1]，加速了熱量散失，導致下游靖一聯合站收到原油溫度低。下游靖一聯合站需要各站來油溫度達40 ℃以上，而北五原油脫水站外輸溫度需要達到63 ℃才能勉強滿足靖一聯收到溫度的要求。

另外，北五原油脫水站輸送原油基本為凈化油，進入下游靖一聯合站后與其他站點液量匯合進入沉降罐又進行沉降分離，無形中又增加了熱值損耗，降低了熱能利用率（見表2）。

表2 靖一聯上游站點來油溫度記錄

2 北五原油脫水站集輸系統提高熱能利用率思路

根據生產中存在的問題進行綜合分析，從兩個方面進行綜合處理。第一，降低三相分離器進口溫度，使其在破乳劑的最佳效果溫度運行，即控制三相分離器進口溫度為42 ℃。第二，鑒于第一條思路的實施，導致三相分離器出口原油溫度僅為40 ℃左右，不能滿足外輸要求。此時，需要對外輸原油進行加溫處理，使得外輸溫度達到63 ℃，滿足外輸溫度要求。該思路主要優點為，將三相分離器“低溫”脫水，分離出的凈化油再進行加溫外輸，分離出的污水直接處理回注，減少了脫出污水的熱值消耗[2]。

具體改造措施為，將原來80 m2產進換熱器改造為外輸換熱器。運行時控制加熱爐出口溫度為42 ℃，滿足原油在三相分離器中分離的最佳破乳劑使用溫度，減少熱量消耗[3]。三相分離器出口凈化油經過外輸泵之后，再經過80 m2換熱器加溫到63 ℃，如此改造大大節省了熱能消耗，提高了北五原油脫水站熱能利用率（見圖3）。

3 提高熱能利用率可行性分析

改造后北五原油脫水站三相分離器之前流程均可以實現，即控制三相分離器進口溫度在42 ℃左右運行，進行以下分析。

換熱器的面積與熱功率的關系為：F=Q/aKT

式中：F-面積；Q-換熱量；K-換熱系數，據換熱介質及工況不同，K 值差別較大，可由樣本中查出；T-對數平均換熱溫差；a-裕量系數，一般取0.7～0.9。

北五原油脫水站換熱器面積為80 m2；換熱系數K，選鋼材的換熱系數45 W/（m2·℃）；根據北五轉真空加熱爐水盤管進出口溫度取T=10 ℃，則Q換=FaKT=80×0.8×45×10=28 800 W/h=24 768 kcal/h。

也就是說北五原油脫水站80 m2換熱器，當進出口溫度差為20 ℃時，每小時熱交換49 536 kcal。

而北五原油脫水站原油外輸排量：q=672/24=28 m3/h。

假設排量為32 m3/h，溫度從40 ℃上升到63 ℃需要熱量為：Q油=CMΔt=1 800×32×1 000×0.857 3×（63-40）=272 kcal。

Q油＜Q換，所以80 m2換熱器可以滿足外輸加溫需要。

4 節能改造效果評價

4.1 減少熱能消耗

該節能改造項目主要是減少了北五原油脫水站1 492 m3原油中脫出的864 m3污水繼續加溫消耗的熱值，即在加溫過程中，將1 492 m3原油加溫至42 ℃，經三相分離器油水分離后繼續將凈化油加溫至63 ℃，而沒有將污水再加溫，減少了熱值消耗。下面是864 m3污水從42 ℃上升至63 ℃所需要能量。

圖3 北五原油脫水站提高熱能利用率改造流程簡圖

通過計算得出，通過改造每日可減少能量消耗1 738×104kcal，可節省天然氣1 884 m3，改造后天然氣用量為目前用量的45 %。年節省天然氣用量68.78×104m3。

5 結論及認識

北五原油脫水站的提高熱能利用率改造，施工難度小，預期成效顯著。在目前靖安油田天然氣用量緊缺的時候，實施該改造項目已經迫在眉睫。

5.1 節能經濟價值評估

北五原油脫水站提高熱能利用率的實施，可每年節省天然氣用量68.78×104m3。可以滿足兩座液量400 m3規模接轉站的用氣量。

5.2 確保集輸系統平穩運行

北五原油脫水站提高熱能利用率改造的實施，可以有效提高原油外輸溫度，滿足了下游站點的溫度要求，緩解了下游站點加溫壓力，確保了集輸系統平穩運行。

5.3 集群效應

北五原油脫水站熱值利用的探討研究，為原油脫水站建設提出了一個合理的熱值利用思路，提出了脫水站節能降耗運行模式，為油田后期建設規劃提出了技術指導。針對綜合含水較高、外輸溫度要求高的脫水站，可以先進行低溫脫水處理，再經過外輸加溫的運行模式來實現節能降耗的目的。

［1］ 吳拓，才鴻年.金屬材料手冊［M］.江蘇：江蘇科學技術出版社，2007.

［2］ 孫世海，等.沙漠地區天然氣長輸管道工程［J］.油氣田地面工程，2006，（5）：22-23.

［3］ 華東水利學院，水工設計手冊（第一卷·基礎理論）［M］.水利電力出版社，1983.