春風(fēng)聯(lián)合站用能分析與節(jié)能優(yōu)化

王 輝 龐會(huì)中 張 建 李清方 王增林 徐明海 王曉東

1中國(guó)石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司2中國(guó)石化勝利油田分公司3中國(guó)石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院4勝利油田檢測(cè)中心

春風(fēng)聯(lián)合站用能分析與節(jié)能優(yōu)化

王 輝1龐會(huì)中1張 建1李清方1王增林2徐明海3王曉東4

1中國(guó)石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司2中國(guó)石化勝利油田分公司3中國(guó)石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院4勝利油田檢測(cè)中心

為提高油氣集輸系統(tǒng)用能效率，減少稠油生產(chǎn)能耗和污染排放，對(duì)春風(fēng)聯(lián)合站工藝設(shè)備進(jìn)行了能耗測(cè)試。并以原油脫水及污水處理系統(tǒng)為研究對(duì)象，建立了能量平衡模型，對(duì)聯(lián)合站總能系統(tǒng)進(jìn)行了分析計(jì)算，確定了能耗分布規(guī)律，找出了用能薄弱環(huán)節(jié)：原油含水較高，浪費(fèi)了大量加熱能耗；污水大量排放損失了低位熱能；機(jī)泵在遠(yuǎn)離額定工況下運(yùn)行導(dǎo)致用能效率較低。提出了機(jī)泵變頻調(diào)速、預(yù)裝電脫、藥劑優(yōu)化和污水加熱清水工藝優(yōu)化節(jié)能方案，為春風(fēng)聯(lián)合站實(shí)現(xiàn)集輸系統(tǒng)高效用能提供了科學(xué)的理論依據(jù)。

春風(fēng)聯(lián)合站；能耗測(cè)試；用能分析；節(jié)能優(yōu)化

引言

勝利西部春風(fēng)油田隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，稠油熱采由蒸汽吞吐向蒸汽驅(qū)方向逐步轉(zhuǎn)變，熱采注汽需求逐年增加，生產(chǎn)能耗也大幅上升，縮減生產(chǎn)能耗和污染排放、提高經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益成為油田生產(chǎn)的重要發(fā)展方向。

在稠油生產(chǎn)中，集輸系統(tǒng)是能源消耗大戶，從集輸、脫水至合格的原油，以及污水回灌處理都需要消耗大量的電能和熱能。因此原油生產(chǎn)節(jié)能降耗的切入點(diǎn)就在于聯(lián)合站系統(tǒng)的用能優(yōu)化[1-3]。大力推行高效節(jié)能工藝及設(shè)備是建設(shè)節(jié)約型、環(huán)境友好型企業(yè)的重要途徑。為此，將對(duì)目前在運(yùn)的春風(fēng)聯(lián)合站系統(tǒng)進(jìn)行能耗測(cè)試及分析，確定用能效率、揭示用能薄弱環(huán)節(jié)、提出合理用能措施、優(yōu)化工藝流程，以減少生產(chǎn)能耗，從而降低生產(chǎn)成本。

1 春風(fēng)聯(lián)合站工藝流程

春風(fēng)聯(lián)合站工藝流程圖如圖1所示。按處理介質(zhì)劃分，該站主要有原油脫水、污水除雜和清水過(guò)濾三大功能模塊。其中原油脫水采用稠油摻蒸汽大罐熱化學(xué)沉降脫水工藝：首先由井排來(lái)油加入破乳劑后進(jìn)入一次沉降罐停留數(shù)小時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)沉降，分出大部分游離水和乳化水后，一次罐出口原油再摻入減壓蒸汽將原油加熱至90℃左右后進(jìn)入二次沉降罐進(jìn)行浮動(dòng)出油；二次罐出口原油通過(guò)提升泵提升至凈化油罐進(jìn)行原油的儲(chǔ)存及脫水，凈化原油罐兼具靜態(tài)沉降功能，采用放底水的方式沉降，出油含水率＜2%即可滿足外輸要求；最后通過(guò)裝車(chē)泵裝車(chē)計(jì)量外輸。

圖1 春風(fēng)聯(lián)合站工藝流程示意圖

由一、二次沉降罐和凈化油罐產(chǎn)生的稠油污水則進(jìn)入污水處理系統(tǒng)，污水首先進(jìn)入一次除油罐進(jìn)行初步除油除雜，再進(jìn)入二次除油罐去除大部分污油及懸浮物，并排入緩沖罐臨時(shí)存儲(chǔ)。后續(xù)流程則通過(guò)提升泵增壓后進(jìn)入核桃殼過(guò)濾器，去除小顆粒懸浮物及污油，并進(jìn)入注水罐進(jìn)行存儲(chǔ)，最終由柱塞泵將合格污水打入回灌井。

清水系統(tǒng)流程工藝較為簡(jiǎn)單，水源井來(lái)水首先進(jìn)入清水罐臨時(shí)存儲(chǔ)，經(jīng)清水泵提升后進(jìn)入一級(jí)多介質(zhì)過(guò)濾器和二級(jí)精細(xì)過(guò)濾器過(guò)濾去除懸浮物，出水滿足要求后輸往注汽系統(tǒng)。

2 能耗測(cè)試

對(duì)春風(fēng)聯(lián)合站原油處理和污水系統(tǒng)效率測(cè)試按照參考文獻(xiàn)[4]中測(cè)試與計(jì)算部分的方法進(jìn)行。由于聯(lián)合站的熱能采用源于注汽站的減壓蒸汽，為準(zhǔn)確計(jì)算出聯(lián)合站的熱能消耗量，通過(guò)原油溫升等數(shù)據(jù)反推熱負(fù)荷，分析結(jié)果見(jiàn)表1，油處理系統(tǒng)機(jī)泵耗電測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 聯(lián)合站蒸汽消耗測(cè)算結(jié)果

表2 聯(lián)合站系統(tǒng)機(jī)泵耗電測(cè)試結(jié)果

3 系統(tǒng)用能三環(huán)節(jié)分析與評(píng)價(jià)

3.1 聯(lián)合站三環(huán)節(jié)模型

根據(jù)上述能耗測(cè)試數(shù)據(jù)，采用三環(huán)節(jié)模型對(duì)聯(lián)合站總能系統(tǒng)進(jìn)行分析。三環(huán)節(jié)理論[5-6]是從聯(lián)合站系統(tǒng)的整體用能出發(fā)，隨著能量平衡分析的三個(gè)層次逐漸深入，既能夠得到對(duì)過(guò)程用能的總體和宏觀結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)，又關(guān)聯(lián)著每個(gè)設(shè)備，三個(gè)環(huán)節(jié)之間存在著密切的相互關(guān)聯(lián)和制約關(guān)系。根據(jù)春風(fēng)聯(lián)合站工藝流程總結(jié)出聯(lián)合站三環(huán)節(jié)物理模型，如圖2所示。其中能量轉(zhuǎn)化與傳輸環(huán)節(jié)包括減壓蒸汽傳輸過(guò)程，以及泵機(jī)組將電能轉(zhuǎn)化為油氣輸送需要的動(dòng)能或壓力能的過(guò)程，該環(huán)節(jié)能損形式包括蒸汽管道散熱損失及機(jī)泵損失；能量利用環(huán)節(jié)包括原油脫水及污水處理等過(guò)程，對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的設(shè)備，該環(huán)節(jié)能損形式包括設(shè)備散熱損失及外輸原油攜帶能；進(jìn)入回收環(huán)節(jié)的能量主要包括從利用環(huán)節(jié)送入的待回收能。聯(lián)合站回收環(huán)節(jié)中，回收的能量主要是污水的余熱，由于春風(fēng)聯(lián)合站對(duì)于稠油污水無(wú)回收工藝，因此不能回收的低溫余熱能量以污水回灌的形式作為排棄能排棄到地層中。

圖2 聯(lián)合站三環(huán)節(jié)模型

不同環(huán)節(jié)的用能評(píng)價(jià)指標(biāo)和計(jì)算公式不一樣。對(duì)于第一環(huán)節(jié)，其用能指標(biāo)為能量轉(zhuǎn)換效率[7-8]，能量轉(zhuǎn)換效率計(jì)算公式如下

式中：ηU——轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的能量轉(zhuǎn)換效率；

EW——轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)直接損失能，kJ/h；

EP——外界的總供入能，kJ/h。能量利用環(huán)節(jié)的效率為

式中：ηT——利用環(huán)節(jié)的能量利用效率，%；

EUD——利用環(huán)節(jié)損失的能量，kJ/h；

EN——利用環(huán)節(jié)工藝總用能，kJ/h。能量回收環(huán)節(jié)的效率為

式中：ηR——回收環(huán)節(jié)的能量回收效率，%；

ER——回收循環(huán)能，kJ/h；

EE——回收輸出能，kJ/h；

EO——待回收能，kJ/h。

依據(jù)上述三環(huán)節(jié)模型計(jì)算春風(fēng)聯(lián)合站各環(huán)節(jié)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，即能量轉(zhuǎn)化效率、單位產(chǎn)品工藝總用能和能量回收利用率，能流分析結(jié)果如表3、表4、表5所示。

表3 春風(fēng)聯(lián)合站能流分析結(jié)果

表4 能流轉(zhuǎn)換關(guān)系和三環(huán)節(jié)分析結(jié)果

表5 聯(lián)合站用能指標(biāo)

3.2 熱損失分布

春風(fēng)聯(lián)合站在運(yùn)一次沉降罐2座、二次沉降罐2座、凈化油罐2座，其能量利用環(huán)節(jié)的損失主要來(lái)自沉降罐、凈化油罐等散熱損失。各個(gè)設(shè)備熱損失情況可由節(jié)點(diǎn)參數(shù)反推出來(lái)，其中系統(tǒng)總體輸入能流和輸出能流組成及比例如圖3所示。由于各個(gè)設(shè)備都加裝保溫層，因此散熱量?jī)H占總能1%的份額。而熱損失較大的環(huán)節(jié)主要為排放污水的攜帶熱能，其份額達(dá)到80%。該部分低溫?zé)崮軣o(wú)回收工藝，這也是系統(tǒng)用能薄弱環(huán)節(jié)之一。

圖3 春風(fēng)聯(lián)合站能量平衡及能流分布

4 節(jié)能優(yōu)化及評(píng)價(jià)

4.1 機(jī)泵用能評(píng)價(jià)及節(jié)能

聯(lián)合站生產(chǎn)選用的泵大多為柱塞泵和離心泵，其耗電量與輸送量、輸送壓降成正比關(guān)系，與泵效成反比關(guān)系。由于測(cè)試的3臺(tái)輸油泵機(jī)組，電機(jī)負(fù)載率僅有1臺(tái)高于40%，其他泵機(jī)組負(fù)載率偏低，導(dǎo)致設(shè)備偏離了高效運(yùn)行區(qū)，機(jī)組運(yùn)行效率低下，這是造成機(jī)組運(yùn)行效率過(guò)低的主要原因。導(dǎo)致泵效率低下的因素主要有以下兩點(diǎn)：①因揚(yáng)程與吸程管道配置不合理，管道阻力大等因素造成泵運(yùn)行時(shí)的能量損失較大；②泵的選取偏離正常工況，形成較大的富余量，致使水泵效率偏低。在實(shí)際生產(chǎn)中，機(jī)泵及其相關(guān)工藝流程已安裝完成，當(dāng)機(jī)泵的輸送量相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，可通過(guò)調(diào)節(jié)流量的措施維持機(jī)泵的效率。如果機(jī)泵的輸送量波動(dòng)較大，運(yùn)行時(shí)偏離了正常高效區(qū)，泵就做了無(wú)用功。因此，如何避免或減少輸水、輸油泵做無(wú)用功，成為降低機(jī)泵耗能和提升節(jié)電效果的潛力所在。具體實(shí)施方法包括[9-12]：

（1）電源與負(fù)荷優(yōu)化匹配。建議對(duì)泵機(jī)組流量、揚(yáng)程結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況進(jìn)行優(yōu)化匹配，使泵機(jī)組運(yùn)行在高效區(qū)。經(jīng)初步計(jì)算，如果測(cè)試的3臺(tái)設(shè)備均達(dá)標(biāo)時(shí)，年可節(jié)約電量30×104kW·h，年節(jié)約費(fèi)用15萬(wàn)元。

（2）變頻調(diào)速。變頻調(diào)速是一種以改變電機(jī)頻率來(lái)達(dá)到電機(jī)調(diào)速目的的技術(shù)，變頻調(diào)速節(jié)能控制裝置的特點(diǎn)是效率高，沒(méi)有因調(diào)速而帶來(lái)附加的轉(zhuǎn)差損耗，調(diào)速范圍大、精度高，可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，而且容易實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制和閉環(huán)控制。針對(duì)油氣集輸過(guò)程中泵輸量及污水泵排量與實(shí)際液量差別大，當(dāng)處理液量波動(dòng)較大時(shí)，合理應(yīng)用變頻調(diào)速裝置，可以減少電能的無(wú)謂損耗，節(jié)電量可達(dá)55%左右。

4.2 系統(tǒng)用熱評(píng)價(jià)及節(jié)能

由于該站處理的原油來(lái)自稠油注汽熱采工藝，且集輸半徑較小，因此聯(lián)合站的進(jìn)站溫度較高（為80℃），減輕了后續(xù)流程的熱能消耗量；其次該站采取大罐動(dòng)靜態(tài)熱化學(xué)重力沉降工藝，過(guò)程簡(jiǎn)單，熱能及動(dòng)能的損失??；而且該站處理的原油屬于開(kāi)采初期原油，含水率較低，使得處理液量較小、熱能消耗量小。雖然含水量不高，但是仍然需要耗費(fèi)大量熱能用于升高原油中含水的溫度。因此，有必要從以下方面入手開(kāi)展節(jié)能工作[13-15]：

（1）加裝高效預(yù)脫水設(shè)備。如電脫、電磁聚結(jié)分水設(shè)備，預(yù)先分離出一部分游離水。并加強(qiáng)對(duì)一次沉降罐的油水界面控制，使含水率降至30%以下，將在很大程度上減少后續(xù)工藝對(duì)于熱能的消耗。

（2）藥劑優(yōu)選和加熱溫度優(yōu)化。合理論證破乳劑加入濃度與破乳溫度的關(guān)系。目前稠油系統(tǒng)的破乳劑正常加入濃度為30～50 mg/L，且化學(xué)藥劑的類(lèi)型各不相同，效果差異很大。合理的破乳溫度為80～90℃即可，濃度過(guò)高，溫度過(guò)高只會(huì)造成無(wú)謂的藥劑和熱能浪費(fèi)。需要考慮不同的油品特性，按照不同的油溫選擇高效的破乳劑并確定加藥量，最后依據(jù)綜合成本最低優(yōu)選合適的藥劑并優(yōu)化加藥量和加熱溫度，對(duì)降低聯(lián)合站能耗和提高經(jīng)濟(jì)效益無(wú)疑將起到非常重要的作用。

（3）污水余熱回收?？紤]到站內(nèi)有清水處理系統(tǒng)，清水溫度為20℃，為降低注汽站蒸汽生產(chǎn)的加熱能耗，可以充分利用污水系統(tǒng)的余熱，即增設(shè)污水清水換熱裝置，將春風(fēng)聯(lián)合站內(nèi)清水處理系統(tǒng)處理后清水的溫度提升至40～50℃后，再輸往注汽站?？紤]到鈦板換熱器具有傳熱效率高、組裝靈活、金屬消耗量低、熱損失小、易拆卸清洗、檢修方便，以及體積小、占地面積少等諸多優(yōu)點(diǎn)，建議采用鈦材質(zhì)板式換熱器進(jìn)行換熱，這樣既能回收余熱，又能避免材料腐蝕。經(jīng)初步設(shè)計(jì)，單臺(tái)污水換熱器工藝參數(shù)如表6所示。其經(jīng)濟(jì)性效果評(píng)價(jià)如表7所示。

表6 單臺(tái)污水換熱器工藝參數(shù)

表7 單臺(tái)換熱器節(jié)能效果分析

5 結(jié)論

（1）春風(fēng)聯(lián)合站總能系統(tǒng)中能量傳遞效率達(dá)90%，用能效率較高。在節(jié)能改造的潛力方面，應(yīng)優(yōu)化機(jī)泵運(yùn)行工況、降低來(lái)液加熱溫度、加強(qiáng)油罐保溫。

（2）能量回收環(huán)節(jié)存在的問(wèn)題。大量污水直接回灌，或回注過(guò)程中熱量大部分散失到環(huán)境中，余熱資源沒(méi)有回收，不僅造成了能源的浪費(fèi)，還污染了環(huán)境。

（3）采用污水加熱清水可以減少鍋爐加熱能耗、節(jié)約燃料、減少環(huán)境熱污染。應(yīng)大力開(kāi)發(fā)污水余熱回收技術(shù)及裝備，并推廣用于實(shí)際工程。

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（欄目主持 張秀麗）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.9.024

王輝：工程師，2012年博士畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）熱能工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)在勝利油田博士后工作站從事稠油開(kāi)采熱能利用及污水資源化技術(shù)研究。

2015-05-27

基金論文：國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)（2011ZX05017-004-HZ01），中石化集團(tuán)公司科技攻關(guān)項(xiàng)目（JP13021），中石化勝利油田博士后課題（GKB1301）。

15254646795、316328693@qq.com