海洋油氣開采節(jié)能技術研究綜述

李平（中海石油（中國）有限公司深圳分公司）

我國油氣資源相對稀缺，海洋油氣資源開采開發(fā)一直是我國石油產(chǎn)業(yè)重要的生產(chǎn)領域，但是受到海洋開發(fā)開采設施特殊性的制約，如海洋石油開采作業(yè)平臺遠離陸地，可提供的生產(chǎn)空間有限，設備的可靠性、工藝的先進性都在一定程度上受到制約[1]。首先，油田伴生氣回收經(jīng)濟性較差，設施投資較高，投資回收期長，伴生氣在無就地利用的條件下，從安全角度考慮通常采取火炬燃燒放空，造成一定程度的能源浪費。其次，以獨立電站的供電模式維持生產(chǎn)設施的運轉(zhuǎn)，其最主要缺點是供電可靠性差、電站負載率低、能耗相對較高。再者還包括生產(chǎn)設施如發(fā)電機組、鍋爐等尾氣的余熱資源未充分利用，生產(chǎn)系統(tǒng)及公用工程系統(tǒng)在運行過程中存在優(yōu)化空間等特殊情況，增加了海洋油氣資源開采過程的能源消耗和溫室氣體排放[2-3]。隨著“碳達峰、碳中和”目標的提出，海上油氣開采迎來了新的挑戰(zhàn)，海洋油氣資源開采節(jié)能技術將成為降低資源開發(fā)碳排放量的重要手段。

1 研究內(nèi)容

1） 從油田伴生氣放空原因入手進行的研究，其內(nèi)容包括伴生氣回收的研究、伴生氣回注的研究等。

2）對于海上油氣田區(qū)域整體電力系統(tǒng)進行研究，包括區(qū)域電站并網(wǎng)運行的技術研究，岸電利用的技術研究等。

3） 對于海洋資源開發(fā)的生產(chǎn)設施進行研究，主要包括平臺及終端的原油處理系統(tǒng)、天然氣處理系統(tǒng)等，評價和分析過程能量利用的效果，制定措施方案，優(yōu)化工藝工程。

4）對于海洋資源開發(fā)所應用的生產(chǎn)耗能設備進行研究，主要包括機泵、鍋爐等。

2 技術應用

2.1 伴生氣資源回收利用

油田伴生氣的燃燒排放是海上油氣田生產(chǎn)過程中的常見現(xiàn)象。伴生氣排放的原因主要為：放空氣量小，開展回收工作在技術上受到很大的限制；經(jīng)濟性較差，由于海上生產(chǎn)條件的特殊性，設施投資高，投資回收期長；氣體含硫化氫、CO2等雜質(zhì)氣體，不滿足設備的燃燒條件。

伴生氣的主要成分是甲烷，通常還含有乙烷和碳氫重組分，伴生氣作為一種清潔能源具有燃燒后產(chǎn)生的二氧化硫、顆粒物污染物量較小的特點，被國家和企業(yè)給予越來越多的重視[4]。海上油氣田在放空氣回收方面做了大量的工作，不斷突破技術及生產(chǎn)條件限制，大量放空氣實現(xiàn)了就地使用及外輸[5-6]。

1）通過海上開發(fā)生產(chǎn)設施的改進，如更換發(fā)電機組、新增小型燃氣設備等方式，將油田伴生氣作為燃料氣就地使用，減少火炬放空。在中海油某海上生產(chǎn)平臺隨著油田不斷擴產(chǎn)增容，對電力負荷需求不斷上升。同時，油田所產(chǎn)伴生氣資源大幅超出了總體開發(fā)方案的產(chǎn)量預測，由于無生產(chǎn)應用設施，所產(chǎn)伴生氣全部用于火炬放空，平臺通過增加燃氣透平發(fā)電機組，充分利用了伴生氣資源，平衡解決了用電緊缺和燃氣放空的對立問題，年可實現(xiàn)節(jié)能量1.3×104t(標煤)，年可減少溫室氣體排放2.8×104t，節(jié)能減碳的效果顯著。

2）天然氣區(qū)域性聯(lián)網(wǎng)可實現(xiàn)伴生氣資源的共享和充分利用，減少伴生氣的放空。在油田區(qū)域化開發(fā)基礎上，共享伴生氣資源，在海域開發(fā)過程中，連接輸氣管線，進行伴生氣組網(wǎng)供應，實現(xiàn)區(qū)域資源最優(yōu)配置。

3）調(diào)整油氣外部外輸條件，通過原輸氣管道或油氣混輸?shù)姆绞剑瑢⒂蜌膺\往陸地集中處理。海上油氣田外輸管道鋪設成本相對較高，合理充分利用管道輸送能力，降低伴生氣資源浪費，優(yōu)化外輸工藝，實現(xiàn)伴生氣的回收利用。

4）將伴生氣通過進行除液、增壓后用作氣舉氣（保證生產(chǎn)） 和注氣（維持油藏壓力） 等使用[7]。伴生氣資源回注地層提高原油采出率，在國內(nèi)外油田開采應用廣泛，可有效節(jié)約水資源（海上采油平臺一般采用注水泵注水提高地層壓力），適用于地層伴生氣資源豐富且穩(wěn)定產(chǎn)出的地層條件。

5）開發(fā)天然氣凝液回收技術，將天然氣中相對甲烷或乙烷更重的組分以液態(tài)形式回收利用。小型的伴生氣液化設備近些年不斷在海上采油平臺開展過嘗試和應用，將伴生氣重組分回收，在減少資源浪費的基礎上，提升經(jīng)濟效益。適用于伴生氣重組分占比高且產(chǎn)氣量相對較少的油氣田。

2.2 區(qū)域電力組網(wǎng)系統(tǒng)技術

由于海洋油氣資源開發(fā)的特殊性，早期的海上油氣田基本處于孤立運行狀態(tài)，以獨立電站的供電模式維持生產(chǎn)設施的運轉(zhuǎn)，其最主要缺點是供電可靠性差、電站負載率低、能耗相對較高。為徹底改變這一現(xiàn)狀，油氣田的開發(fā)思路從單一孤立變?yōu)閰^(qū)域聯(lián)網(wǎng)運轉(zhuǎn)，將區(qū)域間的油氣田發(fā)電設施并網(wǎng)運轉(zhuǎn)，統(tǒng)一調(diào)度，提高海上油氣田電力系統(tǒng)供電可靠性，確保生產(chǎn)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，同時為后續(xù)岸電項目接入提供支撐。岸電項目的接入有兩點優(yōu)勢：充分利用陸地大電網(wǎng)供電，進一步減少能耗；可購買和使用綠電，或風能、太陽能等新能源發(fā)電，改變能源使用結(jié)構(gòu)，減少化石能源的消耗，減少溫室氣體排放。

某海上區(qū)域電力組網(wǎng)項目將3 個設施發(fā)電機組連接成一個電網(wǎng)，總裝機容量約為118 MW，為區(qū)域內(nèi)22 個平臺提供生產(chǎn)和生活用電。電站并網(wǎng)后，電力供應長期穩(wěn)定，節(jié)約了天然氣消耗量約15×104m3/d，按每年運轉(zhuǎn)350 天計算則每年節(jié)約天然氣5 250×104m3，折合約6.9×104t(標煤)。

2.3 余熱回收技術

余熱資源屬于二次能源，是一次能源或可燃物料轉(zhuǎn)換后的產(chǎn)物，或是燃料燃燒過程中散發(fā)的熱量在完成某一工藝過程后所剩下的熱量[8]。海上油氣開采平臺及陸地終端一般均配置有發(fā)電機組，主要包括燃氣透平發(fā)電機組、原油發(fā)電機組和柴油發(fā)電機組[9]。由于平臺設施的特殊性，發(fā)電機組總能量利用率普遍較低，大部分集中在20%～33%，很大一部分的能量隨著煙氣直接排入大氣中，排煙溫度一般都在400～600 ℃左右，余熱資源豐富。下游熱用戶如何匹配是余熱回收利用的關鍵制約點之一，現(xiàn)階段平臺余熱回收主要熱用戶為導熱油爐，回收發(fā)電機尾氣余熱作為導熱油爐的熱源，實現(xiàn)余熱的綜合利用[10]。

某FPSO 上配有5 臺原油/柴油發(fā)電機組，為FPSO 及周邊平臺提供生產(chǎn)和生活用電，另有2 臺燃油熱介質(zhì)鍋爐為FPSO 生產(chǎn)供熱。主機所產(chǎn)生的尾氣直接放空。為充分利用主機尾氣的高溫熱能，新增加廢熱回收裝置吸收FPSO 上的主機尾氣的廢熱來替代燃油熱介質(zhì)鍋爐給導熱油加熱，從而大幅降低原油使用量。 該技術應用可產(chǎn)生節(jié)能量2 200 t(標 煤)，年減少CO2排放量4 817 t。

2.4 生產(chǎn)系統(tǒng)能源優(yōu)化利用

生產(chǎn)系統(tǒng)在運行過程中，存在大量的優(yōu)化空間，基于節(jié)能技術的理論分析，通過調(diào)整工藝流程，降低工藝系統(tǒng)能源需求及公用工程系統(tǒng)能源消耗，提高生產(chǎn)效益。生產(chǎn)工藝優(yōu)化一般可通過以下幾種方法實現(xiàn)：

1）設備調(diào)整。設備調(diào)整指在原工藝流程不合理或運行不佳情況下，通過增加或移除靜設備（如換熱器、調(diào)壓閥）或動設備（如離心泵），使工藝流程發(fā)生改變，實現(xiàn)工藝的優(yōu)化運行。

2）流程切換。指通過改造對工藝流程部分單元進行切換或切出，實現(xiàn)生產(chǎn)工藝的優(yōu)化。

3）公用工程系統(tǒng)共享，主要指針對不同生產(chǎn)工藝系統(tǒng)配套的各公用工程系統(tǒng)，如燃料氣系統(tǒng)、共用氣系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)等，通過改造實現(xiàn)公用工程系統(tǒng)的共享。

某海上FPSO 投產(chǎn)后經(jīng)過不斷的摸索，油田生產(chǎn)人員對操作條件進行研究分析，采取降低原油熱處理器、電脫裝置的操作溫度，將生產(chǎn)工藝處理系統(tǒng)熱負荷降低，優(yōu)化貨油艙日常操作溫度，大幅降低鍋爐燃油的消耗量，實現(xiàn)年節(jié)能量6 600 t(標煤)，同時溫室氣體減排量約17 300 t。

3 重點耗能設備的節(jié)能化改造

在海洋石油開采過程中，主要的耗能設備包括原油外輸泵、電潛泵等機泵類設備，供熱鍋爐等加熱類設備。在海洋平臺設備選型過程中，特別是早期建造的平臺，重點考慮設備的安全性、耐腐蝕性等因素，能耗、能效等方面的考慮不足，導致存在諸如機泵、鍋爐能效水平低、配備不合理等現(xiàn)象。

3.1 機泵改造

在對機泵的使用和改造過程中，中國海油針對不同的使用環(huán)境和類型，實施了泵類變頻、柔性連接、葉輪改造等節(jié)能實踐，有效改善了泵類使用效率，明顯節(jié)約了生產(chǎn)耗電。

海洋石油某生產(chǎn)平臺外輸量較投產(chǎn)初期大幅下降，外輸量已遠小于單臺外輸泵的額定排量，需加水混輸，造成電力的大量浪費。目前主流的控制泵的排量方法有變頻器控制及自動調(diào)節(jié)閥控。這兩種方法已經(jīng)取得廣泛的運用，并已經(jīng)被證明了有效性。針對該平臺現(xiàn)狀，引進了一種新的技術—永磁渦流柔性傳動技術，這項技術通過改變電動機和泵的轉(zhuǎn)差來調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速，繼而實現(xiàn)控制流量的目的，同時還有結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)能效果明顯等優(yōu)點。

通過對該平臺外輸泵改造，使得平臺原油外輸過程電耗下降，年節(jié)能量為309 t，年溫室氣體減排量為505 t（CO2），有較好的節(jié)能減排效果。

3.2 鍋爐改造

對于鍋爐的使用，采用先進的技術、設施、工藝等，積極對鍋爐效率低、能耗高、生產(chǎn)能力不匹配等問題進行整改，達到最優(yōu)的使用狀態(tài)，提高能源利用效率。

海洋石油某FPSO 為上世紀90 年代投產(chǎn)使用的生產(chǎn)設施，船體供熱使用一臺蒸發(fā)量為65 t/h 的蒸汽鍋爐，爐齡老，蒸發(fā)量大，利用率低，燃料油為外購180CST 重油。根據(jù)2010 年后的生產(chǎn)使用情況，30 t/h 的蒸汽量已經(jīng)足夠滿足生產(chǎn)的日常需要，只是在外輸賣油期間才用到60 t/h 的蒸汽量，該鍋爐是低負荷現(xiàn)象；同時由于只有一臺鍋爐，一旦出現(xiàn)故障，沒有備用的鍋爐使用，會影響到整個油田的生產(chǎn)。為響應國家和中海油節(jié)能、減排和成本控制政策，同時保證生產(chǎn)的穩(wěn)定性，對FPSO 鍋爐系統(tǒng)進行了燃油和系統(tǒng)改造。鍋爐升級改造后，生產(chǎn)得到保障的同時，減少了能源的消耗、降低了污染物的排放，改造之后平均年節(jié)省燃油1 680 t/a，節(jié)能量2 400 t(標煤)。

4 結(jié)論

1） 經(jīng)過近些年對伴生氣資源進行回收利用、區(qū)域間電力組網(wǎng)、余熱資源的回收利用、生產(chǎn)系統(tǒng)的能源優(yōu)化、重點耗能設備的節(jié)能化改造等先進節(jié)能技術的發(fā)展與應用，海洋油氣資源開采的能源消耗顯著降低，溫室氣體排放量隨之下降。

2）由于我國海洋油氣資源開發(fā)技術的提升和對外開放的推進，海洋油氣資源開發(fā)開采得到了迅速發(fā)展，產(chǎn)能顯著增加、開發(fā)設施設備的設計和使用也有了明顯的提高，在國家生態(tài)環(huán)境保護的大方針下，先進節(jié)能技術不斷的應用，顯著提高了能源利用效率，部分油氣田的能源資源利用得到了較好的提高。為實現(xiàn)國家“碳達峰、碳中和”目標，深入的總結(jié)和利用現(xiàn)有節(jié)能先進技術，改進推廣到可適用的各領域是非常必要的。