夾點分析優化后的油田聯合站分布式能源系統特征與節能潛力

徐濤，許飛，劉偉

(中石化勝利油田分公司，山東 東營 257000)

目前國內外部分油田進入特高含水期，經調研發現普遍存在的問題有兩個方面：一方面，天然氣加熱爐效率普遍偏低，采出污水不能很好的利用；另一方面，供熱和供電獨立供給，熱能、電能綜合利用效率偏低，熱能直接利用過程產生的能量不可逆損失大。國內外對于部分油田采出污水的處理，或排入地面儲水系統，或通過注水井回注到地下[1-2]。Sladovsky等[3]將美國蒙大拿州油田的采出污水用于農業灌溉，結果表明相對于采出污水回注更加節能。Sahana等[4]針對污水余熱無合理利用的情況，提出了一種聯合冷卻-脫鹽裝置來回收油田高含水階段的余熱，從而減少了化石燃料的使用和相應的溫室氣體排放。Gu等[5]使用熱泵回收采出污水余熱，并取得了很好的節能效果。但對于將燃氣輪機或燃氣內燃機發電、煙氣驅動熱泵回收污水余熱和加熱原油等工藝相結合的處理方法研究較少，該方法對油田聯合站目前普遍存在的問題進行了統一處理，有較好的應用效果。石油作為我國重要的能源消費類型，油田開采難度加大，采油成本上升[6]，其節能降耗對推進行業的綠色轉型具有重要意義，能夠為實現更綠色的“雙碳”可持續發展目標作出貢獻[7]。

聯合站傳統用能系統的能流分析方法主要是基于熱力學第一定律的系統效率分析法[8-10]、基于熱力學第二定律的或熵分析法[11-12]及同時基于熱力學第一、二定律的熱經濟分析法[13-14]。夾點分析方法已經用于聯合站內的能流分析[13-14]，但是尚未見到夾點分析方法用于聯合站分布式能源系統能流一體化優化研究[15]。夾點技術是一種過程系統集成技術，以熱力學為基礎，能夠從宏觀的角度分析過程系統中能流沿溫度的分布，進而發現系統用能的“瓶頸”，通過這種方法能夠去除“瓶頸”[16-24]。

本文通過對傳統聯合站以及聯合站分布式能源系統進行夾點分析，從而實現能流分析優化。首先，基于燃氣內燃機變工況能流模型，通過熱力模擬進行燃氣內燃機的燃燒計算，進而對基于水套加熱爐加熱原油的聯合站進行夾點分析，然后對基于煙氣余熱驅動的溴化鋰吸收式熱泵能流模型，進行熱泵的變工況熱力模擬，得到熱泵性能指數和天然氣發電過程的耦合能流關系，之后，通過聯合站分布式能源系統的夾點分析得到夾點溫差的合理范圍以及優化后的節能潛力，最后，對聯合站分布式能源系統與傳統聯合站進行了對比分析，從理論上驗證了采用夾點技術進行能流分析優化的合理性。

1 埕東聯合站夾點分析

1.1 油氣處理工藝流程與換熱網絡物流分析

圖1所示為埕東聯合站工藝流程和運行數據。8股來液分別進入8個三相分離器，分離出來的原油進入加熱爐，污水送往污水站，被加熱爐加熱后的原油依次進入一次沉降罐、二次沉降罐進一步脫水，脫完水后的原油再次進入加熱爐加熱，加熱后的原油依次進入三次沉降罐和凈化油罐繼續脫水，最終脫水完成的原油經外輸泵加壓外輸。

圖1 埕東聯合站工藝流程Fig.1 Process flow of Chengdong joint station

1.2 物流參數確定

夾點分析通常采用溫焓圖法和問題表格法兩種方法。聯合站內能流關系較復雜，溫升幅度小，溫焓圖法不準確且很繁瑣，故采用問題表格法確定夾點。在進行夾點分析時，根據現場實際運行參數，得出如表1所示的聯合站物流數據。

表1 埕東聯合站物流參數

1.3 溫區劃分

在對冷熱物流進行溫區劃分時，首先要根據冷熱物流參數的初始溫度和目標溫度，按照升序排列；再選擇水套加熱爐的夾點溫差ΔT，按照熱物流溫度下降ΔT/2，冷物流溫度上升ΔT/2，將冷熱物流的溫度按升序排列；最后將聯合站內中所有物流按其初始溫度和終了溫度的溫度高低，由高到低在坐標軸豎直方向標出，并畫成帶箭頭的垂直線，熱物流為下箭頭、冷物流為上箭頭，從而得到聯合站的溫區劃分圖。

(1)將冷熱物流的初始和目標溫度按升序排列。

熱物流：20、55、60、70、73、79 ℃；

冷物流：53、67、73、79 ℃。

(2)選定聯合站的夾點溫差為(ΔTmin)10 ℃時，熱物流溫度下降5 ℃；冷物流溫度上升5 ℃。

熱物流：15、50、55、65、68、74 ℃；

冷物流：58、72、78、84 ℃。

(3)將冷熱物流的溫度按升序排列。

冷熱物流：15、50、55、58、65、68、72、74、78、84 ℃。

(4)將整個系統劃分為9個溫區。

將所有物流按其初始溫度和終了溫度的溫度高低，由高到低在坐標軸豎直方向標出，并畫成帶箭頭的垂直線，熱物流為下箭頭、冷物流為上箭頭，如圖2所示。

圖2 溫區劃分Fig.2 Temperature-zone division

1.4 熱量衡算及熱級聯計算

第一步：根據溫區劃分圖，結合冷熱物流的參數值，計算聯合站系統中各網格內的赤字量、網格的輸入熱量、輸出熱量。其中：

ΔHk=(∑CPcold-∑CPhot)(Tk-Tk+1)，

(1)

其中，ΔHk為第k個溫區所需外加熱量，kW；∑CPcold為溫區k中所有冷物流的熱容流率之和，kW/℃；∑CPhot為溫區k中所有熱物流的熱容流率之和，kW/℃；Tk和Tk+1分別為該溫區的進、出口溫度，℃；k為溫區數。

第二步，熱級聯計算，計算外界無熱量輸入時各溫區之間的熱通量。

第三步，確定最小加熱公用工程量。

第四步，溫區之間熱通量為零處，即為夾點。

表2所示為聯合站夾點分析的問題表格。

表2 埕東聯合站夾點分析的問題表格

1.5 總復合曲線

根據表2中數據，在T-H圖上作出熱泵系統的總復合曲線，如圖3所示，縱坐標為問題表中各溫區冷熱流體的平均溫度，橫坐標為對應輸入的熱量。

圖3中H=0處對應的橫坐標位置即為夾點位置，可以得出，聯合站油氣處理工藝流程夾點位置處的平均溫度為68 ℃，夾點之上表示需要的外界加熱量與平均溫度的關系；夾點之下表示需要的外界冷卻量與平均溫度的關系。最小公用加熱工程量為2 070.03 kW，最小公用冷卻工程量為20 866.91 kW。

圖3 總復合曲線Fig.3 Total compound curve

1.6 換熱網絡優化調整及節能潛力

為保證系統具有最大的能量回收潛力，應遵循三條基本原則：在夾點處不能有熱流量穿過、夾點的上方不能加入冷卻公用工程、夾點的下方不能加入加熱公用工程[21-23]。如圖4所示，原換熱網絡存在不合理之處，物流C1、C2、C3、H11均違背了夾點基本原則，這樣會導致公用工程增加，不利于節能。因此，應進一步結合夾點技術優化處理，挖掘聯合站的節能潛力。

圖4 夾點下的換熱網絡Fig.4 Heat-exchange network under the pinch point

圖5為改造后的換熱網絡圖，在夾點之下，H1～H11需進行冷卻,夾點之上，C1～C3均需要831 kW的熱量，C4需要957 kW的熱量。將熱物流H9、H10、H11與冷物流進行換熱，將H11這股熱物流溫度降至夾點溫度，且要求夾點匹配中熱物流的熱容流率不大于冷物流的熱容流率，根據經驗規則應盡量選擇熱容流率相近的冷熱物流進行匹配換熱，所以將熱物流H11進行分流，使其中一部分熱量為237 kW，并與冷物流C4匹配，另一部分熱量為416 kW，并與冷物流C3匹配，增設的換熱器熱負荷1 680 kW。冷物流C1～C4剩余的熱負荷均由加熱公用工程來實現。

圖5 改造后的換熱網絡Fig.5 Heat-exchange network after the transformation

從改造后的換熱網絡可以看出，從3次沉降罐出來的污水進入換熱器E3、E4加熱加熱爐3和加熱爐4之前的原油，節省了加熱爐3和加熱爐4一部分的熱負荷，從一次沉降罐以及二次沉降罐以及出來的污水進入換熱器E1、E2加熱加熱爐1和加熱爐2之前的原油，節省了加熱爐1和加熱爐2一部分的熱負荷。優化改造之前，聯合站需熱負荷為25 801 kW，采用夾點分析優化改造之后，聯合站需熱負荷為24 441 kW，故節能潛力為(25 801-24 441)/25 801=5%。

2 聯合站分布式用能模式

目前，油田集輸領域聯合站的煙氣余熱和污水余熱回收利用技術主要包括熱能直接利用、分布式能源利用、余熱制熱制冷等方式。基于以上方式，提出“吸收式熱泵利用余熱”余熱利用模式、“基于天然氣的聯合站分布式能源系統”用能模式，天然氣發電技術和煙氣、污水余熱利用技術相結合，能夠實現天然氣能源的梯級利用和煙氣、污水余熱的綜合利用。

2.1 吸收式熱泵利用余熱模式

發電做功后的中溫氣體進入吸收式熱泵，通過熱泵回收煙氣、污水余熱，加熱原油，燃氣內燃機產生的缸套水余熱也用于加熱一部分油田來油，發電機組熱水和油田含水原油進行換熱的換熱器采用螺旋板式換熱器。天然氣的能量通過機組發電、熱泵利用煙氣余熱、缸套水加熱原油等方式實現了天然氣的梯次利用，提高了系統的能源利用率。

2.2 基于天然氣的聯合站分布式能源系統用能模式

圖6為基于天然氣的聯合站分布式能源系統工藝流程圖，脫硫處理的天然氣和空氣混合后進入燃氣內燃機，在氣缸內燃燒產生高溫氣體，進而通過發電設備發電。發電做功后的中溫氣體(煙氣)進入煙氣補燃式第一類溴化鋰吸收式熱泵，燃氣內燃機排煙和燃油共同驅動熱泵回收部分污水余熱，發電機組的高溫冷卻水加熱部分油田來油，剩余部分油田來油和高頻聚結裝置出口含水原油通過螺旋板式換熱器與煙氣型吸收式熱泵制備的高溫熱水換熱，煙氣不足部分采用燃油補充。燃氣內燃機的使用，減少了能源消耗和碳排放，實現了清潔能源的高效利用。

圖6 聯合站分布式能源系統工藝流程圖Fig.6 Process flow chart of the distributed energy system of the joint station

3 聯合站分布式能源系統夾點分析

3.1 物流參數確定

在夾點分析中，第一步要選取冷、熱物流，根據聯合站分布式能源系統實際工藝流程及能量轉換情況可知，熱物流有6股，冷物流有6股；根據各個設備的運行工況可知冷、熱物流的初始溫度與終了溫度，然后由各個設備中流經介質的比熱與質量流量可求得對應的熱容流率，最終由冷、熱物流各自對應初始溫度與終了溫度的溫差與各自熱容流率作積可得相對應的焓差，此即夾點分析的第一步。相應的物流參數如表3所示。

表3 聯合站分布式能源系統物流參數

3.2 溫區劃分

在此以夾點溫差ΔT=14 ℃為例，對聯合站分布式能源系統的冷熱物流進行劃分。

(1)將冷熱物流的初始和目標溫度按升序排列。

熱物流：41.00、68.71、73.78、77.00、88.70、91.00、91.50、91.51、128.53、131.84 ℃；

冷物流：41.00、41.01、52.00、53.00、67.00、68.00、68.71、73.00、80.00、100.20 ℃。

(2)選定聯合站的夾點溫差為(ΔTmin)14 ℃時，熱物流溫度下降7 ℃；冷物流溫度上升7 ℃。則冷熱物流溫度分別為：

熱物流：34.00、61.71、66.78、70.00、81.70、84.00、84.50、84.51、121.53、124.84 ℃；

冷物流：48.00、48.01、59.00、60.00、74.00、75.00、75.71、80.00、87.00、107.20 ℃。

(3)將冷熱物流的溫度按升序排列。

冷熱物流：34.00、48.00、48.01、59.00、60.00、61.71、66.78、70.00、74.00、75.00、75.71、80.00、81.70、84.00、84.50、84.51、87.00、107.20、121.53、124.84 ℃。

(4)將整個系統劃分為19個溫區。

將所有物流按其初始溫度和終了溫度的溫度高低，由高到低在坐標軸豎直方向標出，并畫成帶箭頭的垂直線，熱物流為下箭頭、冷物流為上箭頭。進而得到系統的溫區劃分圖，如圖7所示。

圖7 溫區劃分圖Fig.7 Temperature-zone division map

3.3 夾點位置的確定

通過對聯合站分布式能源系統進行熱量衡算以及熱級聯計算，繪制總復合曲線圖，從而確定系統夾點位置，其具體步驟如下所示：

第一步：根據溫區劃分圖，結合冷熱物流的參數值，計算聯合站分布式能源系統中各網格內的赤字量、網格的輸入熱量、輸出熱量。其中：

ΔHk=(∑CPcold-∑CPhot)(Tk-Tk+1)，

(2)

其中，ΔHk為第k個溫區所需外加熱量，kW；∑CPcold為溫區k中所有冷物流的熱容流率之和，kW/℃；∑CPhot為溫區k中所有熱物流的熱容流率之和，kW/℃；Tk和Tk+1分別為該溫區的進、出口溫度，℃；k為溫區數。

第二步，熱級聯計算，計算外界無熱量輸入時各溫區之間的熱通量。

第三步，確定最小加熱公用工程量。

第四步，溫區之間熱通量為零處，即為夾點。

根據熱量衡算以及熱級聯計算結果，在T-H圖上作出聯合站分布式能源系統的冷熱物流總復合曲線如圖8所示，縱坐標為問題表中各溫區冷熱流體的平均溫度，橫坐標為對應輸入的熱量，H=0處對應的橫坐標位置即為夾點位置，可以得到夾點平均溫度為59 ℃，最小公用加熱工程量為812.65 kW, 最小公用冷卻工程量為1 781.14 kW。根據物流數據可計算得到夾點溫差與公用工程量的關系，如圖9所示，公用工程量隨夾點溫差的減小而減小，屬于夾點問題，并且根據圖8所示的總復合曲線，臨近90 ℃的溫度區間存在局部熱源，所涵蓋的換熱器具有節能潛力，所以可以按夾點技術進行優化。

圖8 總復合曲線Fig.8 Total compound curve

圖9 夾點溫差與公用工程量的關系Fig.9 Relationship between the temperature difference of the pinch points and the amount of public works

3.4 換熱網絡優化調整

為保證系統具有最大的能量回收潛力，應遵循夾點分析三條基本原則。如圖10所示，原換熱網絡存在以下不合理之處：來自冷凝器的熱物流H5(蒸發器入口冷劑水)在原油換熱器內存在跨越夾點傳熱，導致換熱溫差大，違背了換熱網絡不能存在跨越夾點的傳熱這一基本原則，否則將會導致公用工程增加。因此，應進一步結合夾點技術優化處理，挖掘聯合站分布式能源系統的節能潛力。圖11為改造后的系統換熱網絡圖，在夾點之下，熱物流H5需進行冷卻。夾點之上，冷物流C2到C6需要加熱，所需熱量較大，可以通過熱泵發生器排煙與采出水進行混合換熱，進一步回收煙氣余熱；同時將熱流H5和冷流C4進行換熱，將熱流H5溫度分階段先降低至夾點溫度。

圖10 夾點下的換熱網絡Fig.10 Heat-exchange network under the pinch point

圖11 改造后的換熱網絡Fig.11 Heat-exchange network after the transformation

3.5 夾點溫差的合理范圍及節能潛力

通過技術經濟評價可以確定聯合站分布式能源系統的最優夾點溫差。計算得到夾點溫差與總費用的關系，如圖12所示。由圖12可以得出，較優的夾點溫差范圍為12～14 ℃，依據實際情況，換熱網絡選取的夾點溫差14 ℃，符合要求。系統夾點溫差為14 ℃時，夾點平均溫度為59 ℃，即夾點處冷熱流體的溫度分別為52 ℃和66 ℃。

圖12 夾點溫差與費用的關系Fig.12 Relationship between the temperature difference between the pinch point and the cost

采用夾點分析之前，僅僅采用分布式能源系統用能模式，聯合站所需熱負荷為23 046 kW。較改進前傳統的聯合站用能模式，節省熱負荷2 755 kW，節能潛力為：(25 801-23 046)/25 801=11%。采用分布式能源系統用能模式并采用夾點分析，聯合站加熱需求為19 608 kW，較采用夾點分析優化前節省熱負荷3 438，節能潛力為(23 046-19 608)/ 23 046=15%，總節能潛力為(25 801-19 608)/25 801=24%。

分布式能源系統聯合站具體的節能措施為：對于含水原油和油田來油可以通過熱泵發生器排煙與采出水進行混合換熱，進一步回收煙氣余熱，另外，可將蒸發器入口飽和水加熱含水原油，將高溫水在冷凝器和吸收器串聯吸熱，一段放熱過程改為高溫水吸收器和冷凝器串聯吸熱，兩段放熱模式進一步降低了原油換熱器傳熱溫差，降低原油加熱過程的不可逆損失。

4 結論

本文通過對傳統聯合站以及分布式能源系統聯合站進行夾點分析，根據夾點分析準則對換熱網絡進行改造，并對其進行節能潛力分析。結論如下：

(1)夾點分析優化后的傳統聯合站相對于傳統聯合站節能效率達5%；

(2)聯合站分布式能源系統相對于夾點分析優化后的傳統聯合站節能效率達5.7%

(3)夾點分析優化后的聯合站分布式能源系統相對于聯合站分布式能源系統節能效率達15%；

(4)夾點分析優化后的聯合站分布式能源系統較傳統聯合站節能效率達24%。