分析在油田集輸系統(tǒng)能耗分析中的應用

成慶林 郭子敬 楊金威 孫 巍 李治東

1. 東北石油大學提高油氣采收率教育部重點實驗室, 黑龍江 大慶 163000;2. 中油國際管道公司, 北京 100007

0 前言

20世紀80年代初,油田生產(chǎn)內(nèi)部就開始重視并陸續(xù)開展能分析。通過能分析可以了解油田的用能現(xiàn)狀、耗能水平以及節(jié)能潛力。最早人們只意識到能在量上的差異，隨著熱力學的不斷發(fā)展,一些專家學者們認識到了能質(zhì)的差異,于是將這一概念引入到能量分析中,形成了具有鮮明特色的分析模型。是表示系統(tǒng)與環(huán)境達到平衡時做出的最大功,表示做功能力。分析則是將不同品質(zhì)的能量值進行平衡分析,充分考慮能量的品質(zhì)對實際利用的影響,考慮能量的同時也兼顧了能質(zhì)的作用。分析模型不僅能分析計算設備外部能量損失,還可分析計算內(nèi)部能量損失。目前,在“雙碳”背景下,能分析更是成為能源應用科學的重要組成部分。因此,對能耗大的生產(chǎn)系統(tǒng)或設備進行用能分析評價十分必要。在原油生產(chǎn)過程中,集輸系統(tǒng)作為油田地面工程一個重要環(huán)節(jié),其能耗也是巨大的。本文從能量利用的角度將油田集輸系統(tǒng)分為熱能利用系統(tǒng)和用電系統(tǒng),對每個系統(tǒng)中關鍵的單體設備進行分析,分析其能量利用情況，總結設備能量利用效率低的原因及其解決方法，提出了多能級互補系統(tǒng)的分析模型,目的在于提高能量利用效率、節(jié)約電能，并為油田企業(yè)實現(xiàn)節(jié)能降耗提供技術支持。

1 熱能利用系統(tǒng)分析

熱能利用系統(tǒng)作為油田集輸系統(tǒng)中能源消耗較大的子系統(tǒng),其系統(tǒng)內(nèi)設備耗能情況不容忽視,以下為該系統(tǒng)內(nèi)幾個主要耗能設備的能量利用情況及相關節(jié)能措施。

1.1 加熱爐用能分析

加熱爐是原油加熱環(huán)節(jié)的關鍵設備,主要作用是對原油進行加熱,降低原油黏度便于脫水、脫氣、輸送等后續(xù)環(huán)節(jié)的進行[1],是集輸系統(tǒng)中最大的耗熱設備。因此,提高加熱爐能量利用效率對于集輸系統(tǒng)節(jié)能降耗有著重要作用。

趙洪濱等人[2]利用熱力學第二定律對江蘇油田瓦6接轉站某工況下的加熱爐進行了分析,并將效率作為評價指標,效率的計算見式(1)。計算結果發(fā)現(xiàn),該加熱爐的一次能源效率較高為72.09%,而效率僅為12.73%。說明能量不僅有量的多少,還有質(zhì)的高低,將燃料的高品質(zhì)化學能轉化為油品的低品質(zhì)熱能導致了加熱爐設備對能量品質(zhì)的浪費。基于以上分析內(nèi)容,趙洪濱提出了減少燃料油供應或在高負荷下運行可以提高加熱爐運行效率。

(1)

式中:ηex為效率;Exsup為設備或系統(tǒng)的供給,kJ;Exef為設備或系統(tǒng)的有效,kJ。

港東聯(lián)合站原油加熱過程的關鍵設備有膨脹罐、熱媒爐、熱媒泵、馬西來油換熱器和儲油罐。何湘禹[3]對港東聯(lián)合站原油加熱子系統(tǒng)的3個熱媒爐進行了用能分析,發(fā)現(xiàn)熱媒爐的熱效率普遍較高(均在80%以上),但效率較低(1#熱媒爐效率為16.51%,2#、3#熱媒爐效率均在40%左右)。由此說明熱媒爐能質(zhì)利用情況較差。針對此問題,提出了及時更換熱媒油,以及對熱媒爐內(nèi)部進行定期清垢、維護和清掃等措施來提高熱媒爐的能質(zhì)利用效率。

加熱爐內(nèi)部存在著燃燒、傳熱、物質(zhì)排放等多種不可逆過程,不僅有散熱、排煙等多種外部損失,而且涉及溫差換熱、不完全燃燒等內(nèi)部不可逆損失。

圖1 加熱爐“白箱”分析模型圖Fig.1 Exergy analysis model of “white box” in heating furnace

圖2 加熱爐流圖Fig.2 Exergic flow diagram of heating furnace

支淑民[5]對辛東采油廠加熱爐系統(tǒng)進行了能量分析,根據(jù)辛一站和辛三站加熱爐的實際運行參數(shù)和測試數(shù)據(jù)進行了能量分析和分析，歸納總結分析計算結果[5]見表1。相比能量分析,分析可以計算出加熱爐內(nèi)部燃燒和熱傳遞的不可逆過程損失。

表1 辛一站和辛三站加熱爐分析計算結果表

Tab.1 Exergy analysis results of the heating furnaces in Xinyi and Xinsan central treating station

表1 辛一站和辛三站加熱爐分析計算結果表

聯(lián)合站內(nèi)部損外部損燃燒損傳熱損總損排煙損散熱損不完全燃燒損總損效率辛一站41.19%38.07%81.72%4.79%1.95%0.35%7.09%10.31%辛三站38.79%28.00%68.20%5.59%1.85%0.24%7.68%9.80%

油品在加熱爐內(nèi)進行加熱的過程是將燃料的化學能轉化為油品熱能的過程,是能質(zhì)蛻變的過程。因此,加熱爐的效率較低、損較大。將加熱爐看作是“白箱”模型進行分析,并結合加熱爐流圖可以直觀看出加熱爐內(nèi)外部不同過程的損,準確揭示出加熱爐內(nèi)部損遠大于外部損。可采用定期清垢、維護、減少燃料供應、提高加熱爐負荷以及控制過剩空氣系數(shù)等方式，從提高能質(zhì)利用效率、降低加熱爐內(nèi)部損兩方面提高加熱爐效率。

1.2 換熱設備用能分析

在油氣田地面工程中,換熱設備主要應用于原油處理工藝[6],是實現(xiàn)冷熱流體熱量傳遞的設備,這一過程主要由傳熱來完成。林洪亞等人[7]針對換熱設備傳熱過程進行了能量損失分析,建立的換熱設備分析模型見圖3(其中Cph為熱流體定壓熱容；Cpc為冷流體定壓熱容)，根據(jù)分析模型推導出的換熱設備換熱過程損公式見式(2)。

圖3 換熱設備分析模型圖Fig.3 Exergy analysis model of heat exchange equipment

(2)

式中:ExL為損,kJ;T0為環(huán)境溫度,K;Q為總傳熱量,kJ;Tmc、Tmh分別為冷熱流體對數(shù)平均溫度,K。

耿士敏[8]對高壓加熱器換熱過程進行了分析,建立了高壓加熱器換熱過程的數(shù)學模型,得到了高壓加熱器過熱段、凝結段和疏冷段冷熱流體的溫度分布,并通過分析方法計算出換熱器各段的效率,得知換熱器效率很小。對此,提出了減少換熱器換熱表面污垢、增大流體流速、管壁采用導熱性能好的金屬材料可降低損和提高效率的方法。

綜上所述,當油品在換熱設備內(nèi)進行換熱時,可采用高溫熱媒介質(zhì)、定期清理換熱器內(nèi)壁污垢、合理增大油品在換熱器內(nèi)流速等方式降低損、提高換熱器效率、降低能源消耗。

1.3 管網(wǎng)用能分析

管網(wǎng)系統(tǒng)是個簡單的能量傳輸系統(tǒng),管網(wǎng)對外界散熱而不從外界吸收能量。在外輸管網(wǎng)系統(tǒng)中,管道的外表面為體系邊界,體系與外界環(huán)境之間的能量交換通過管道散熱的方式來完成,體系內(nèi)部由于原油流動摩阻產(chǎn)生壓降。因此,管道是一個耗能設施,在管網(wǎng)系統(tǒng)中存在散熱損和壓能損。劉海涌[9]對東三聯(lián)外輸管道進行了能量分析,并根據(jù)該管道的基礎數(shù)據(jù)進行了相關計算,外輸管網(wǎng)的平衡模型[9]見圖4,圖4中ExLs為管道外部散熱損，ExLp為管道內(nèi)部流動阻力引起的損，Ex1和Ex2分別為系統(tǒng)進口和系統(tǒng)出口，該管道分析計算結果[9]見表2。

圖4 某外輸管道平衡模型圖Fig.4 Exergic equilibrium model of a transportation pipeline

表2 東三聯(lián)外輸管道分析計算結果表

Tab.2 Calculation results of exergy analysis of Dongsanlian transportation pipeline

表2 東三聯(lián)外輸管道分析計算結果表

外輸管道散熱流動摩阻損系數(shù)損率損系數(shù)損率效率未保溫25.40%80%10.40%20%60.60%保溫10.40%80%9.32%20%77.13%

李雪峰[10]針對遼河油田稠油集輸系統(tǒng)進行了“灰箱”模型分析，該集輸系統(tǒng)有摻稀油、摻水和三管伴熱等流程，經(jīng)相關計算得知,摻稀油流程平均能量利用率最高,為62.07%。從節(jié)能降耗的角度來看,應優(yōu)先考慮摻稀油流程。

為提高海上油氣田能量利用效率,劉月勤等人[11-12]對海上油田原油集輸系統(tǒng)進行分析,指出原油處理系統(tǒng)的損失僅次于發(fā)電系統(tǒng)；導致原油處理系統(tǒng)效率低的原因是換熱系統(tǒng)設計不合理,因而浪費了大量原油和廢水余熱；此外,原油處理設施的溫降和壓降也導致了部分損失。對此，提出調(diào)整換熱網(wǎng)絡、回收污水余熱、對分離器做好保溫工作可有效降低該系統(tǒng)損失的建議。

通過對熱能利用系統(tǒng)內(nèi)各設備的用能情況進行總結可知,上述具體設備涉及到不同形式能量之間的轉換、熱量傳遞以及熱散失等過程。在能量傳遞過程中,能質(zhì)蛻變是導致效率降低的主要原因。加熱爐是以上3種設備中損較嚴重的設備,提高加熱爐效率可通過采用控制過量空氣系數(shù)的方法使燃料完全燃燒,降低內(nèi)部燃燒損。換熱器可采用定期除垢、選擇高溫熱媒介質(zhì)等方式提高效率。對于輸油管網(wǎng)可采用增加保溫設施的方式降低散熱損。針對整個熱能利用系統(tǒng)可采用調(diào)整換熱網(wǎng)絡、回收余熱、對設備做好保溫工作等措降低損。

2 用電系統(tǒng)分析

隨著油田的不斷開采,采出液油水比、氣油比等性質(zhì)會不斷發(fā)生變化[13]，石油、天然氣加工處理設備的性能也會發(fā)生顯著變化,從而造成設備效率降低、電能消耗過大等問題,對環(huán)境有著重大影響。因此,對用電設備進行用能分析很有必要。

2.1 電脫水器用能分析

在聯(lián)合站原油處理過程中,電脫水器是目前應用最廣泛且效率最高、處理能力最強的一種依靠電場力的作用對油包水型乳化液進行破乳脫水的油水分離設備,特別是在有化學破乳劑共同作用的情況下,其生產(chǎn)的穩(wěn)定可靠性與其他脫水方法相比具有較大優(yōu)勢。段偉強[14]結合現(xiàn)場實際運行數(shù)據(jù)對大慶杏三聯(lián)合站電脫水器進行了分析計算,電脫水器的平衡模型[14]見圖5。

圖5 電脫水器的平衡模型圖Fig.5 Exergic equilibrium model of electrical dehydrator

Ex1+Exe=ExLw+Ex2

(3)

式中:ExLw為污水,kW;Exe為電能,kW。

2.2 泵用能分析

泵是油田集輸系統(tǒng)的關鍵設備之一,也是主要的耗能設備。由于用途不同可分為摻水泵和外輸泵,其功能是將電能轉化為機械能再轉化為流體的壓能以達到輸送要求,泵設備平衡模型[9]見圖6。

圖6 泵設備平衡模型圖Fig.6 Exergic equilibrium model of pump equipment

劉海涌[9]針對東三聯(lián)站原油處理系統(tǒng)采用“灰箱”模型進行了分析,經(jīng)計算得知東三聯(lián)原油處理系統(tǒng)效率為6.30%,損系數(shù)為93.46%,其中輸油泵機組損系數(shù)為2.23%,損較低。造成損的主要原因是流經(jīng)泵的原油內(nèi)部產(chǎn)生摩擦以及泵自身結構的機械摩擦而造成泵內(nèi)的不可逆損失。可采用降低原油黏度或改進泵自身結構等方式提高泵效率、降低電能消耗。

吳浩等人[15]對大慶油田某雙管摻水流程轉油泵系統(tǒng)用能情況進行了分析,建立轉油站泵系統(tǒng)“灰箱”分析模型見圖7(其中Exw1、Exw2分別為摻水泵進出口摻水，ExLb1、ExLb2分別為外輸泵和摻水泵損)。

圖7 泵系統(tǒng)“灰箱”分析模型圖Fig.7 Exergy analysis model of “grey box” in pump system

2.3 壓縮機用能分析

Voldsund M等人[13,17]分析了北海某平臺實際生產(chǎn)1天的油氣加工過程,使用當天的測量數(shù)據(jù)模擬當天的工藝流程,并利用分析法對該工藝流程中各單元損情況及效率進行計算分析。經(jīng)計算分析得知,物料流中的損主要由高壓引起,損主要發(fā)生在增壓或減壓過程中,其中損最大的子系統(tǒng)是生產(chǎn)歧管、壓縮系統(tǒng)和回注系統(tǒng)。

3 多能級互補系統(tǒng)分析

技術節(jié)能是油氣田提高能源利用效率和降碳的關鍵途徑,節(jié)能的直接效果是減少用能成本和CO2排放[18]。在油田集輸系統(tǒng)中,污水處理過程會產(chǎn)生大量的回注地層水,其溫度30 ℃左右[19],含有大量的熱量,若采用回收裝置可有效利用剩余能量。此外,還存在油田在原油采出過程中會產(chǎn)生伴生氣，某些油田所處地區(qū)風力資源豐富等情況。因此,在油田站場可進行地熱、天然氣、風能等資源相互融合、相互補充的多能協(xié)同供應。李慶[20]對多能互補能源站的布站方式、運行調(diào)節(jié)、節(jié)能效果進行了研究,發(fā)現(xiàn)該項目技術要求較高,若能實現(xiàn)技術突破,可提供安全、穩(wěn)定的電力和熱力保障。

圖8 多能級互補系統(tǒng)分析模型圖Fig.8 Exergy analysis model of multi-level complementary system

(4)

式中:Exj為風使風車旋轉所供給的機械能,這部分可通過風車葉片旋轉速度計算求得,kJ;Exwr為含油污水中的熱,kJ;Exout1為油田變電所接收的電,kJ;Exout2為油田各站場接受的通過熱泵設備處理過的來自含油污水的熱,kJ。

Laukkanen T P等人[21]將分析與一次能源分析結合起來形成PeXa方法對分析進行優(yōu)化。一次能源效率是一種用于評價能量轉換系統(tǒng)能量性能的方法，以熱力學第一定律為基礎,考慮了在系統(tǒng)邊界處為生產(chǎn)某種產(chǎn)品而需要輸入到生產(chǎn)系統(tǒng)的所有一次能量,提供了顯示系統(tǒng)如何影響一次能源資源的優(yōu)勢。多能級互補系統(tǒng)借助風能和天然氣兩種一次能源進行發(fā)電,受環(huán)境因素影響較大。將一次能源分析和分析結合起來可以提供一個更全面的能效指標。采用PeXa方法對多能級互補系統(tǒng)進行分析,可對風能發(fā)電和燃氣發(fā)電不同的生產(chǎn)路徑進行比較,確定最優(yōu)發(fā)電方案,使油田最大限度地節(jié)約電能。

4 結論