油田接轉(zhuǎn)站內(nèi)能耗分析及節(jié)能研究

趙洪濱，江 婷，楊 倩，楊 微，黃 輝，李 奇

油田接轉(zhuǎn)站內(nèi)能耗分析及節(jié)能研究

趙洪濱1，江 婷1，楊 倩1，楊 微1，黃 輝2，李 奇2

（1. 中國石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249； 2. 中國石油化工股份有限公司 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083）

油氣集輸工藝接轉(zhuǎn)站的能量供應(yīng)通常采用加熱爐消耗原油的供熱方式，用能效率相對較低。為了全面了解接轉(zhuǎn)站的能耗狀況，本文以江蘇油田某集油站為研究對象，結(jié)合熱力學(xué)第一定律和第二定律基本理論，首先建立了油田集輸系統(tǒng)不同設(shè)備的數(shù)學(xué)模型，然后結(jié)合現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)，對集油站能耗的現(xiàn)狀進(jìn)行了定量分析，得到了接轉(zhuǎn)站年內(nèi)不同時(shí)期的能耗，并進(jìn)一步討論了氣溫、油田采出液含水率、伴熱熱水溫度和原油采出液溫度對單位能耗的有關(guān)影響規(guī)律。并創(chuàng)新性地利用? 分析方法找出了接轉(zhuǎn)站內(nèi)用能薄弱環(huán)節(jié)。研究表明：加熱爐耗油量隨一年四季變化較明顯，原油采出液單位能耗隨含水率和加熱爐溫升的增加線性增加，伴熱熱水單位能耗隨伴熱熱水加熱爐溫升增加而增加，并在此基礎(chǔ)上給出了減少集輸過程能耗的相關(guān)措施。

接轉(zhuǎn)站；能耗分析；節(jié)能研究

1 接轉(zhuǎn)站流程簡介

目前我國大多數(shù)主力油田經(jīng)過許多年的開發(fā)建設(shè)，已經(jīng)進(jìn)入高含水開發(fā)階段[1,2]，原油產(chǎn)量逐年遞減，含水不斷上升，油田地面各生產(chǎn)系統(tǒng)的負(fù)荷率普遍下降，運(yùn)行效率低，系統(tǒng)能耗升高。隨著油田開發(fā)的繼續(xù)進(jìn)行，產(chǎn)量遞減而能耗升高的矛盾將越來越突出[3-6]。針對油田面臨的這種生產(chǎn)狀況，油田企業(yè)應(yīng)進(jìn)一步完善集輸流程，降低系統(tǒng)能耗，優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，調(diào)整與改造現(xiàn)有的集輸系統(tǒng)，大力推行節(jié)能降耗技術(shù)，使之與油田生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合，達(dá)到降低生產(chǎn)成本、提高系統(tǒng)效率、節(jié)約能源的目的。本文在研究油田接轉(zhuǎn)站內(nèi)部能耗時(shí)，創(chuàng)新性地采用了?分析的方法，從熱力學(xué)第一定律和第二定律兩方面分析接轉(zhuǎn)站能耗及其部分影響規(guī)律。

目前，油田生產(chǎn)過程能耗偏高，采用的是粗放式生產(chǎn)方式，對用能的具體損失分布沒有定量的研究，同時(shí)，所消耗的能量都是常規(guī)的油和電，在生產(chǎn)、輸送石油的同時(shí)，消耗了大量的寶貴能源。某接轉(zhuǎn)站內(nèi)部的流程圖如圖1所示。

油田井口輸送過來的油田采出液和伴熱熱水經(jīng)加熱爐加熱，油田采出液加熱至滿足外輸要求后由外輸泵輸送出站，伴熱熱水分成兩部分，一部分用來給站內(nèi)儲油罐和燃油罐保溫，另一部分去往油田給油田采出液伴熱從而滿足油井至接轉(zhuǎn)站段的集輸要求。因此進(jìn)入加熱爐的伴熱熱水是由站內(nèi)保溫水和油田伴熱水混合而成。

表1給出了該接轉(zhuǎn)站內(nèi)各設(shè)備的型號及功率。

2 集輸系統(tǒng)能耗評價(jià)模型

集輸系統(tǒng)接轉(zhuǎn)站中加熱爐是重要的耗能設(shè)備，占據(jù)了系統(tǒng)總耗能量中很大的比例，屬于集油站主要的節(jié)能對象。加熱爐通過燃料燃燒和對流換熱兩部分完成化學(xué)能向被加熱介質(zhì)熱能的轉(zhuǎn)換，這個(gè)過程伴有排煙損失、化學(xué)不完全燃燒損失、散熱損失、機(jī)械不完全燃燒損失等能量損失過程，基于此分析建立了如下加熱爐能量模型。

3 接轉(zhuǎn)站加熱爐熱負(fù)荷分布規(guī)律

圖2 為2013.04-2014.03某油田接轉(zhuǎn)站內(nèi)加熱爐全年總熱負(fù)荷及平均氣溫散點(diǎn)圖。從圖中可以看出，加熱爐總熱負(fù)荷總體呈現(xiàn)夏天低冬天高的狀態(tài)，與年日平均氣溫趨勢正好相反，這說明，雖然石油是儲存在地下，但是將其開采出來的過程中其運(yùn)輸?shù)臒嶝?fù)荷與氣溫呈現(xiàn)反比的關(guān)系。圖3給出了加熱爐月日平均總熱負(fù)荷，從圖中可以看出，加熱爐總熱負(fù)荷月日平均值冬季明顯較高，夏季較低。在2013年8月達(dá)到最低值，為275.20 kW；在2013年11月達(dá)到最高值，為459.12 kW。因此加熱爐總熱負(fù)荷受一年四季影響較大，而且具有較明顯的趨勢。

由于進(jìn)入加熱爐中被加熱的流體有伴熱熱水和油田采出液，因此研究兩者所占配比具有較大的意義。圖4為2013.04-2014.03加熱爐中采出液和伴熱熱水噸液熱負(fù)荷散點(diǎn)圖，由圖中可以看出，加熱爐中采出液熱負(fù)荷在40～15 MJ/t的范圍內(nèi)變化，加熱爐中伴熱熱水熱負(fù)荷在50～90 MJ/t的范圍內(nèi)變化采出液的噸液熱負(fù)荷高于伴熱熱水的噸液熱負(fù)荷，這是由于采出液外輸過程中要求溫度在 80 ℃左右，因此加熱溫差大，在加熱爐中，采出液盤管的位置處于內(nèi)側(cè)，接觸的火焰溫度高，伴熱熱水管在外側(cè)，接觸的換熱氣體溫度稍低。

圖5 給出了加熱爐中原油采出液、伴熱熱水月日平均熱負(fù)荷，加熱爐中采出液月平均熱負(fù)荷在20 14年3月份達(dá)到最高值，為117.99 MJ/t；在2013年8月份達(dá)到最低值，為65.33 MJ/t。加熱爐中伴熱熱水月平均熱負(fù)荷在2013年11月份達(dá)到最高值，為54.90 MJ/t；在2013年8月份達(dá)到最低值，為2 6.00 MJ/t。

4 集輸系統(tǒng)能耗影響因素

4.1 采出液含水率對采出液能耗的影響規(guī)律

油田開發(fā)后期，采出液含水率較高，原油產(chǎn)量遞減。圖6(a)給出了采出液含水率對采出液單位噸液能耗的影響，從圖中可以看出，采出液單位噸液能耗隨含水率的增加線性增加。

采出液含水率每增加10%，油田采出液單位能耗增加0.204 MJ/t/K。圖6(b)給出了采出液含水率對采出液單位能耗的影響，可以得到，當(dāng)采出液含水率一定時(shí)，采出液單位能耗隨加熱爐采出液溫升增大而增大，當(dāng)加熱爐采出液溫升一定時(shí)，采出液單位能耗隨采出液含水率增高而增加。例如當(dāng)采出液含水率為0.8，加熱爐采出液溫升為20 ℃時(shí)，采出液單位能耗為75.44 MJ/t。

4.2 加熱爐流體溫升對能耗的影響規(guī)律

圖7(a)給出了伴熱熱水在加熱爐中的溫升對其單位能耗的影響，從圖中可以看出，隨著伴熱熱水溫升的增加，伴熱熱水能耗呈線性增長。加熱爐伴熱熱水溫升1 ℃，伴熱熱水單位能耗增加4.18 MJ。由于伴熱熱水是為了對井口采出的油田采出液伴熱，因此，只要控制在滿足伴熱要求的范圍內(nèi)使水溫升最小即可控制集輸系統(tǒng)能耗。

圖 7(b)給出了油田采出液在加熱爐中的溫升對其單位能耗的影響，采出液含水率取該接轉(zhuǎn)站內(nèi)平均含水率85%。從圖中可以看出，隨著加熱爐油田采出液溫升的增加，其能耗呈線性增長。加熱爐油田采出液溫升每升高1 ℃，油田采出液單位能耗增加3.874 MJ/t。在接轉(zhuǎn)站內(nèi)給油田采出液增壓升溫是為了滿足下游集輸管線的需求，因此，只要控制在滿足集輸要求的范圍內(nèi)使采出液溫升最小即可控制集輸系統(tǒng)能耗。

針對本文中的接轉(zhuǎn)站，對于熱負(fù)荷較大的冬季，通過計(jì)算可得，理想伴熱熱水溫升為 10 ℃，單位熱負(fù)荷為41.8 MJ/t；油田采出液溫升為20 ℃，單位熱負(fù)荷為77.48 MJ/t。對于熱負(fù)荷較小的夏季，理想伴熱熱水溫升為7℃，單位熱負(fù)荷為29.26 MJ/t；油田采出液溫升為15 ℃，單位熱負(fù)荷為58.11 MJ/t。而該油田為粗放式生產(chǎn)，對油田伴熱熱水溫度和流量沒有一個(gè)嚴(yán)格的控制，因此如果加強(qiáng)油田對于伴熱熱水的監(jiān)控調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如有些井含水率較高，產(chǎn)液量極大，對于這些井可以取消管道熱水伴熱，依靠油井生產(chǎn)時(shí)的自身壓力和溫度將采出液通過管線輸送；在主管線分叉處安裝伴熱熱水流量計(jì)和流量控制閥，這樣便于分配伴熱熱水量，避免流量過大引起的耗散，并在加熱爐安裝溫度監(jiān)測系統(tǒng)，嚴(yán)格控制加熱爐出液溫度，那么油田的能耗在一定程度上可以有所減小。

4.3 油田集輸系統(tǒng)典型工況?分析

圖8給出了接轉(zhuǎn)站內(nèi)一個(gè)典型日的能流圖，從圖中可以看出燃料的化學(xué)能中有 46.6%轉(zhuǎn)化成了伴熱熱水的內(nèi)能，18.9%轉(zhuǎn)化成了采出液的內(nèi)能，還有34.42%以各種形式散失到環(huán)境中。

表2給出了典型工況日加熱爐的運(yùn)行參數(shù)及?效率等計(jì)算參數(shù)，由表中可得，加熱爐的?損失為599.097 kW，?效率為11.31%，而一次能源效率為65.57%；從一次能源效率來說效率已經(jīng)相對較高了，但是?效率卻很低。這是由于能量不僅有量的多少，還有質(zhì)的高低，化學(xué)?的品質(zhì)高于內(nèi)能?，因此傳統(tǒng)加熱爐設(shè)備是對能量品質(zhì)的一種浪費(fèi)。

圖9 給出了典型日系統(tǒng)?損失分布，伴熱熱水所得?和原油所得?分別為62.696 kW 和22.412 kW，所占總?投入的比例為11.64%。

從圖9 可以看出，接轉(zhuǎn)站內(nèi)加熱爐?損失為88.69%，而第一定律所給的熱損失只有34.43%，因此油田接轉(zhuǎn)站目前的能量品質(zhì)損失較大。這是由于，目前大部分油田都采用直接燃燒原油來加熱采出液和油田伴熱熱水，燃燒過程和傳熱過程?損失都比較大，所以再改進(jìn)油田接轉(zhuǎn)站伴熱方式時(shí)可以采用更好的替代方式替代傳統(tǒng)這種直接燃燒原油供熱的方式，比如采用因地制宜，采用太陽能和生物質(zhì)能輔助的方式來加熱油田采出液和伴熱熱水，以尋求更高的?效率。

5 結(jié) 論

加熱爐耗油量和加熱爐熱負(fù)荷隨一年四季變化較明顯，夏季加熱爐耗油量低，冬季加熱爐耗油量高，環(huán)境對接轉(zhuǎn)站加熱爐能耗有明顯的影響。當(dāng)采出液含水率一定時(shí)，采出液單位能耗隨加熱爐采出液溫升增大而增大，當(dāng)加熱爐采出液溫升一定時(shí)，采出液單位能耗隨采出液含水率增高而增加。例如當(dāng)采出液含水率為0.8，加熱爐采出液溫升為20 ℃時(shí)，采出液單位能耗為75.44 MJ/t?？梢栽诩訜釥t安裝溫度監(jiān)測系統(tǒng)，嚴(yán)格控制加熱爐出液溫度，減小系統(tǒng)能耗。隨著伴熱熱水溫升的增加，伴熱熱水能耗呈線性增長。加熱爐伴熱熱水溫升 1℃，伴熱熱水單位能耗增加4.18MJ。加強(qiáng)油田對于伴熱熱水的監(jiān)控調(diào)節(jié)系統(tǒng)，控制油田伴熱熱水溫度和流量，減小系統(tǒng)能耗。系統(tǒng)?損失主要在于加熱爐內(nèi)燃燒過程、傳熱過程以及排煙；另外，管路的換熱損失也較大，而水泵、油泵的?損失相對較小?？梢岳每稍偕茉刺娲鷤鹘y(tǒng)能源或者采用新型工藝流程，提高系統(tǒng)?效率。

［1］ 魏立新，劉揚(yáng)．油田集輸系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行方案優(yōu)化方法[J]．大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，29(3)：47-49．

［2］ 劉萬豐．油氣集輸系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行方案優(yōu)化方法[J]．油氣田地面工程，2010，29(2)：32-33．

［3］ 王靜，王陸，馬文英．油氣集輸系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行方案優(yōu)化方法[J]．能源科技，2014(03)：44．

［4］ 單孝森．大慶采油三廠集輸系統(tǒng)能量利用最優(yōu)化研究[D]．大慶：大慶石油學(xué)院，2007：9-38．

［5］ 袁永惠. 油氣集輸能量系統(tǒng)的熱力學(xué)評價(jià)與分析[D].大慶：大慶石油學(xué)院，2009.

［6］張?zhí)m雙，魏立新，王秀文,等.原油集輸系統(tǒng)效率計(jì)算與能耗分析軟件開發(fā)[J].油氣田地面工程，2005,24（11）：13-15.

Research on Energy Consumption and Saving in an Oilfield Transfer Station

ZHAO Hong-bin1，JIANG Ting1，YANG Qian1，YANG Wei1，HUANG Hui2，LI Qi2
（1. College of Mechanical and Transportation Engineering, China University of Petroleum, Beijing 102249，China；2. China Petroleum and Chemical Co., Ltd., Research Institute of Petroleum Exploration Development, Beijing 100083，China）

The power in an oilfield transfer station is usually supplied from crude oil combustion in heat furnace, but the energy efficiency is relatively low. In order to comprehensively understand and analyze energy consumption condition in the station, a transfer station in Jiangsu oilfield was chosen as the research object. Combined with basic theories of the thermodynamics first law and second law, the mathematical models of different devices in gathering and transportation system were established firstly, and then combined with the on-site data, the quantitative analysis on the current situation of energy consumption was carried out, and the energy consumption at different period in a year was obtained. Meanwhile influence of different factors such as oilfield produced fluid volume, ground temperature, heat tracing hot water temperature and produced crude oil temperature on the unit energy consumption was analyzed, the system energy loss factor was found out by the exergy analysis. The results show that the oil consumption of heat furnace obviously changes with the four seasons in a year; unit energy consumption of the produced crude oil linearly increases with increasing of the moisture content; and unit energy consumption of the heat tracing hot water increases with increasing of the heat furnace temperature. Finally based on the above analysis results, some relevant measures were recommended to reduce the energy consumption during gathering and transportation process.

Oilfield transfer station; Energy consumption analysis; Energy saving research

TE 832

： A

： 1671-0460（2015）05-1096-05

國家自然科學(xué)基金，項(xiàng)目號：No.51274224。

2014-11-27

趙洪濱（1964-），男，北京人,副教授，博士，1988年畢業(yè)于清華熱能系，研究方向：從事系統(tǒng)節(jié)能工作。E-mail：hbzhao@cup.edu.cn。