分布式能源聯(lián)供技術在油田的應用

李瓊，李正茂，劉維功

（中國石化撫順石油化工研究院， 遼寧 撫順 113001）

分布式能源聯(lián)供技術在油田的應用

李瓊，李正茂，劉維功

（中國石化撫順石油化工研究院， 遼寧 撫順 113001）

提出了適用于油田的天然氣綜合利用方案，開發(fā)了熱電聯(lián)供技術，介紹了熱電聯(lián)供裝置的組成、選型原則以及在油田的實際應用方案和效果，提高了能源綜合利用效率，降低了生產(chǎn)運營成本，適應油田電力和熱能的需求，實現(xiàn)了“低碳環(huán)保、能效倍增”的生產(chǎn)目標。

分布式能源；熱電聯(lián)供；工程應用

Abstract:A comprehensive utilization scheme of natural gas in oilfields was presented, the cogeneration was developed, composition and selection principle of the cogeneration device were introduced as well as its application program and effect in oilfields. The results show that the technology can improve energy use efficiency, reduce the production cost, adapt to the oilfield electricity and heat demand, realize "low carbon environmental protection, energy efficiency doubling" production target.

Key words:Distributed energy; Combined heat and power supply; Engineering application

分布式能源因其低碳環(huán)保、能源利用率高等特點越來越多地應用于油田。油田在開采過程中會產(chǎn)生數(shù)量可觀的伴生氣和天然氣，同時部分地區(qū)有電、冷、熱負荷需求。利用油田的伴生氣和天然氣資源，結(jié)合天然氣發(fā)電機和儲能裝置，通過熱電聯(lián)供或冷熱電聯(lián)供等方式為企業(yè)提供分布式電源的同時滿足區(qū)域內(nèi)冷、熱負荷需求[1]。采用分布式能源聯(lián)供是解決油田企業(yè)用能需求，提高能源利用效率，利用風、太陽能等清潔能源，減少溫室氣體排放的最佳方式。

目前油田電網(wǎng)存在主要問題[2]：

1）電力采用網(wǎng)購方式，受地方供電條件限制，安全性差，每年需要支付網(wǎng)購電費和基本容量費；

2）有低壓排空天然氣，燃燒后進行排空處理，不僅污染環(huán)境，而且造成能源浪費；

3）兩臺水套爐需要燃燒天然氣供熱，需要消耗天然氣；

4）電氣解、并列操作需要運行人員到高壓開關室手動操作，自動化程度低。

分布式能源聯(lián)供技術可解決以上油田電力不足、環(huán)境污染、能源利用率低等問題。因此，分布式能源聯(lián)供技術的研究對油田的環(huán)保低碳發(fā)展尤為重要。

1 天然氣發(fā)電技術

天然氣資源豐富的油田，建設天然氣內(nèi)燃發(fā)電機組，與地區(qū)電網(wǎng)組成雙電源為油田供電，能夠提高系統(tǒng)的供電可靠性。

平時通過天然氣發(fā)電機組滿足站內(nèi)用電需求，與網(wǎng)電解列，按孤島模式運行。利用放空天然氣，通過天然氣發(fā)電機組滿足油田用電需求。當發(fā)電機組故障或檢修時，通過自動控制裝置合上網(wǎng)電開關，斷開發(fā)電機組開關，由網(wǎng)電提供電力供應，實現(xiàn)無擾切換。

2 分布式能源聯(lián)供技術

油氣田分布式能源熱電聯(lián)供裝置包括：天然氣發(fā)電機組、機組保護及自動解、并列裝置與微網(wǎng)控制器、余熱利用設備和自控監(jiān)視系統(tǒng)，能夠測試驗證系統(tǒng)可靠性，提高天然氣綜合利用效率。

該裝置主要包含發(fā)電、余熱利用和自控監(jiān)視三部分。

2.1 發(fā)電系統(tǒng)

天然氣進入內(nèi)燃發(fā)電機組，在內(nèi)燃機中燃燒后將熱能轉(zhuǎn)化成機械能帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)切割磁力線產(chǎn)生電能。電機發(fā)出的400 V交流電，經(jīng)變壓器升壓至10 kV，并入變電所10 kV母線，提供設備用電。

2.2 余熱利用系統(tǒng)

內(nèi)燃發(fā)電機組余熱利用主要包括高溫煙氣和高溫缸套水兩部分。

（1）高溫煙氣部分：天然氣在內(nèi)燃機中燃燒后排出煙氣溫度達到 550 ℃，通過氣/液熱管式換熱器將循環(huán)軟化水加熱到90 ℃[2]，并入水套爐系統(tǒng)，為熱負荷提供熱源。多余的煙氣通過旁路從帶有消音器的煙囪排空。當煙氣余熱利用系統(tǒng)故障時，可通過原水套爐燃燒天然氣為熱負荷提供熱量。

（2）高溫缸套水部分：內(nèi)燃機高溫缸套水出口溫度為75 ℃，通過防凍液/水板式換熱器將水加熱到60～70 ℃，并入水套爐系統(tǒng)，為熱負荷提供保溫和伴熱。根據(jù)設定水套爐循環(huán)水出口溫度調(diào)整混水三通閥開度，多余的高溫缸套水進入內(nèi)燃機發(fā)電機組自帶的空冷系統(tǒng)中降溫后循環(huán)使用。在缸套水余熱利用系統(tǒng)故障時，可通過原水套爐燃燒天然氣為凝液儲罐和底水罐提供熱量。

2.3 自動控制監(jiān)視系統(tǒng)

主要包括發(fā)電機組自動解并列和余熱自動控制、遠程監(jiān)控系統(tǒng)。

發(fā)電機組自動解并列和策略控制系統(tǒng)設置了內(nèi)燃機啟動、故障和檢修三種策略，實現(xiàn)發(fā)電機與電網(wǎng)的自動同期、解列和并列操作，并且滿足IEC61850/DLT860規(guī)約。利用光纜快速傳輸特點，現(xiàn)場集控室可實時了解發(fā)電機組運行情況，如電氣參數(shù)、狀態(tài)變化、報警信號以及裝置效率等。另外，油田生產(chǎn)系統(tǒng)可通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)對熱電參數(shù)實時監(jiān)控。

3 工程實施

將油氣田分布式能源熱電聯(lián)供裝置應用于某油田集輸站。系統(tǒng)采用流程式布置，兼顧同類設備相對集中的原則。天然氣內(nèi)燃發(fā)電機組采用撬裝形式，布置在集輸站外原自留生活用地上，與集輸站保持足夠的安全距離。煙氣余熱利用裝置布置在天然氣內(nèi)燃發(fā)電機組撬裝裝置的上面，既節(jié)省了空間，又減少煙氣的阻力，保證發(fā)電機組正常排煙。在天然氣內(nèi)燃發(fā)電機組裝置旁設立就地泵房，集中布置余熱利用系統(tǒng)的水泵、板式換熱器和現(xiàn)場PLC控制柜。余熱利用系統(tǒng)管道采用防腐保溫后埋地布置，既節(jié)省空間，又減少外界環(huán)境對系統(tǒng)的影響。現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過埋地光纜傳輸?shù)郊厥遥▓D1-2）。

圖1 天然氣處理站熱電聯(lián)供監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場效果圖Fig.1 Field performance diagram of cogeneration control system for gas processing station

圖2 分布式能源聯(lián)供監(jiān)控圖Fig.2 Distributed energy supply monitoring chart

3.1 設備選型原則

（1）根據(jù)集輸站內(nèi)主要用電負荷情況（主要是丙烷壓縮機、泵和電機），結(jié)合今后五年的發(fā)展規(guī)劃，并考慮到內(nèi)燃發(fā)電機組在孤島運行方式下長期宜帶70%額定負荷的情況確定選擇天然氣內(nèi)燃發(fā)電機組。

（2）根據(jù)原水套爐設計資料，設計煙氣余熱回收利用系統(tǒng)，可實現(xiàn)利用發(fā)電機高溫煙氣余熱完全替代水套爐，為凝析油處理提供熱量。根據(jù)設定循環(huán)水出口溫度調(diào)整混水三通閥開度，多余的高溫缸套水進入內(nèi)燃機發(fā)電機組自帶的空冷系統(tǒng)中降溫后循環(huán)使用。

采用熱管式換熱器替代原設計的傳統(tǒng)的管板式換熱器，可以提高換熱效率，減少換熱器體積，便于安裝，減少煙氣阻力，保證發(fā)電機正常工作。同而且能夠避免低溫腐蝕現(xiàn)象發(fā)生，提高了設備使用率[3]。熱管式換熱器將煙氣中熱量回收用于加熱軟化水，并入水套爐水側(cè)循環(huán)使用。根據(jù)設定凝析油出口溫度調(diào)整煙氣三通閥開度，多余的煙氣通過煙氣三通閥旁路通過帶有消音器的煙囪排空（圖3-4）。

圖3 熱管式換熱器原理圖Fig.3 Schematic diagram of heat pipe heat exchanger

圖4 熱管式換熱器Fig.4 Heat pipe exchanger

與傳統(tǒng)換熱器相比，熱管換熱器主要有以下的特點：

a）換熱效率高：熱管具有較高導熱率，導熱能力是同等銀導熱量的2 000倍，紫銅的6 000倍。傳熱系數(shù)K與傳統(tǒng)管板式換熱器相比可提高5～10倍。同等換熱量的條件下，高換熱效率可縮小換熱面積，減小設備的體積，減輕設備重量，便于在撬裝燃氣發(fā)電機組集裝箱上安裝，使整個裝置結(jié)構(gòu)緊湊、布局方便。

b）流體阻力小。兩種介質(zhì)同時在管外順著散熱片方向流動，縮減了流程，而且降低了流動阻力[4]。由于燃氣發(fā)電機的排氣壓力一般為 3～4 kPa，壓力較低，減少煙氣的流動阻力，可防止因阻力大導致發(fā)電機排氣背壓升高，影響發(fā)電機組的正常工作。

c）管壁溫度可調(diào)可控[5,6]。當管壁溫度較低時，硫酸蒸汽凝結(jié)在受熱管壁上，使受熱管壁腐蝕。為了避免這一現(xiàn)象，將蒸發(fā)段和冷凝段的熱接觸面積設計為可調(diào)，從而控制管壁溫度，防止低溫腐蝕現(xiàn)象發(fā)生。于此同時多余熱量得以回收，增加了能源利用效率。

d）工作安全可靠。熱管式換熱器具有無噪音、熱管獨立工作、冷熱介質(zhì)管外流動等特點，設備運行可靠率高，延長了使用時間。

（3）將余熱回收利用系統(tǒng)主要參數(shù)傳至泵房內(nèi)PLC中，與高壓配電室內(nèi)信號和發(fā)電機組的信號一起通過光纜傳輸?shù)郊厥抑校阌诓僮魅藛T及時掌握現(xiàn)場運行情況，進行相應的調(diào)整。

采用微網(wǎng)控制器和保護裝置實現(xiàn)發(fā)電機自動同期、并列、解列和策略控制。

通過遠傳監(jiān)控系統(tǒng)可以及時了解系統(tǒng)能源利用率。

3.2 余熱利用自動控制系統(tǒng)

為了充分利用發(fā)電機余熱，滿足生產(chǎn)工藝的要求，保證裝置的安全經(jīng)濟平穩(wěn)運行，本系統(tǒng)內(nèi)設置了余熱利用自動控制裝置。該裝置可控制進熱管換熱器的煙氣量以及水套爐出水溫度。當測量溫度高于目標值時，關小熱管換熱器開度，開大旁路直通門開度。當測量溫度低于設定值時，調(diào)大熱管換熱器開度，減小旁路直通門開度。

3.3 自動控制監(jiān)視系統(tǒng)

自動控制監(jiān)視系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)監(jiān)視、分布式供電系統(tǒng)電氣控制、內(nèi)燃機和供熱的運行狀態(tài)監(jiān)視等功能，以及發(fā)電機繼電保護、分布式電源同期并網(wǎng)控制、機組程序化控制策略和智能防誤操作，并且需要滿足IEC61850（表1）。

表1 自控系統(tǒng)組成和功能Table 1 Composition and function of automatic control system

自控系統(tǒng)為分層、分布式架構(gòu)，由下而上分為三層：間隔層設備、網(wǎng)絡通信層、站控層設備。其中，間隔層設備有保護測控裝置、PLC等智能控制設備組成，站控層由監(jiān)控主機以及微網(wǎng)控制器等組成，站控層信息通過經(jīng)光纖與遠方控制中心通信，組成遠方監(jiān)控系統(tǒng)。

（1）數(shù)據(jù)采集

采集重要測點信號及設備狀態(tài)信號，及時向操作人員提供運行信息。內(nèi)燃機和供熱運行信息、管道參數(shù)信息等，通過硬接線的方式，連接到本地IO控制器接入控制室PLC，完成數(shù)據(jù)采集。然后使用Modbus協(xié)議通過通信管理機接入系統(tǒng)。相關保護信號使用IEC61850協(xié)議直接接入后臺監(jiān)控系統(tǒng)。

通信采集主要分以下兩類：

①電氣信息采集：通過傳統(tǒng)電氣量傳感器(CT、PT)將模擬量上送到保護測控單元后轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并通過網(wǎng)絡通訊的方式以 IEC61850協(xié)議提供給后臺監(jiān)控系統(tǒng)；

②內(nèi)燃機與供熱信息的采集：內(nèi)燃機和制熱系統(tǒng)的所有信息通過遠程 IO以現(xiàn)場總線的方式外送給通訊層控制站，經(jīng)通信管理機以 Modbus協(xié)議提供給后臺監(jiān)控系統(tǒng)。管道的閥門開度，分支管道的冷水流量和溫度等通過4～20 mA的變送器將模擬量送到PLC，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量以后經(jīng)過通信管理機以Modbus協(xié)議送到后臺系統(tǒng)。

（2）狀態(tài)監(jiān)測

控制系統(tǒng)就地控制模塊具有人機交互的接口。控制模塊提供RS232接口，通過開放的Modbus通信協(xié)議和接入后臺DCS系統(tǒng)讀取運行相關參數(shù)，進行相關控制。后臺監(jiān)控通常只提供相關的參數(shù)設定、模式控制和簡單的啟/停操作。

3.4 實施效果

熱電聯(lián)供試驗裝置利用放空天然氣發(fā)電，年節(jié)約成本58.9萬元，標準化后2年可收回設備投資。采用天然氣分布式發(fā)電為集輸站提供所需電力，降低了系統(tǒng)對電網(wǎng)的依賴，與網(wǎng)電相結(jié)合，構(gòu)成雙電源模式，提高了系統(tǒng)的安全性。

Application of Distributed Energy Supply Technology in Oilfields

LI Qiong, LI Zheng-mao, LIU Wei-gong

（Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals, SINOPEC, Liaoning Fushun 113001, China）

TE 09

A

1671-0460（2017）09-1862-04

中國石油化工集團公司資助項目，項目號：總合JN1309。

2017-08-02

李瓊（1988-），女，吉林省四平市人，助理工程師，碩士，2013年畢業(yè)于南昌大學電機與電器專業(yè)，研究方向：從事石化行業(yè)電力仿真工作。E-mail：liqiong.fshy@sinopec.com，電話：024-56389339。