油氣集輸聯(lián)合站工藝優(yōu)化節(jié)能效果分析

李影（大慶榆樹林油田開發(fā)有限責任公司地質(zhì)工藝研究所）

目前，我國經(jīng)濟仍處于快速、穩(wěn)定的發(fā)展過程中，致使我國對化石能源的需求持續(xù)增加。但是，由于國內(nèi)油田原油和天然氣等化石能源產(chǎn)量不能滿足市場需求，能源消耗與能源安全問題日益凸顯。聯(lián)合站作為油氣集輸系統(tǒng)的一部分，是油田生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)[1]。其包含了油氣生產(chǎn)的各項工藝過程，主要包括原油脫水、脫鹽、天然氣凈化、原油穩(wěn)定、油田注水、污水處理、供變電和輔助生產(chǎn)設(shè)施等集輸工藝。聯(lián)合站在生產(chǎn)能源的同時，各個油氣集輸工藝也大量消耗著能源。尤其在一些開發(fā)中后期的油田，采出的原油其含水量高，也導(dǎo)致了油氣生產(chǎn)和集輸?shù)某杀驹黾?。所以，為了實現(xiàn)油田節(jié)能降耗的目標，對油氣集輸工藝的優(yōu)化成為各油田持續(xù)推進的重點工作。

1 集輸現(xiàn)狀及存在問題

油氣井產(chǎn)出的油氣能源會混有多種雜質(zhì)，無法直接作為能源使用。通常情況下，油氣混合物將會進行氣相和液相的分離，然后再經(jīng)過油水脫離工藝處理，再對原油進行站內(nèi)的穩(wěn)定處理，并將其輸入到油庫或者長輸管道的首站[2]。經(jīng)過穩(wěn)定處理后的石油氣需要輸送到輕烴回收裝置進一步處理，而處理后的含油污泥、污水則要輸送至聯(lián)合站的污水處理崗，把原油、雜質(zhì)等物質(zhì)脫出，污泥經(jīng)過處理后可以作為回填土，也能夠用于燒制磚塊。污水經(jīng)過深度處理后，才能夠回注入地層進行水驅(qū)采油。

1.1 能耗分析

聯(lián)合站主要能源消耗集中體現(xiàn)在油氣集輸?shù)母鱾€工藝過程中。以D油田某聯(lián)合站為例，其主要的集輸工藝包括：注水工藝、油氣轉(zhuǎn)輸工藝、三相分離工藝、原油加熱工藝、污水處理工藝等。

1.1 .1注水工藝能耗分析

在油田注水開發(fā)過程中，為了更好地將油田開發(fā)中的地層壓力值保持在較為合理的水平線上，則需要采取注水的方法來改善系統(tǒng)開發(fā)狀況。所以，注水在油田開發(fā)過程中十分重要。注水系統(tǒng)主要由注水泵、增注泵、油水管道網(wǎng)絡(luò)、注水井、配水閥組和配水間等部分組成。其產(chǎn)生能耗的關(guān)鍵節(jié)點為泵類所消耗的電能[3]。該聯(lián)合站注水工藝共有6臺泵，聯(lián)合站注水工藝能耗分析見表1。

表1 聯(lián)合站注水工藝能耗分析Tab.1 Energy consumption of water injection process in combined station

1.1.2 油氣轉(zhuǎn)輸工藝能耗分析

聯(lián)合站主要將轉(zhuǎn)油站處理的原油進行集中，在輸送至三相分離器進行固液氣三相分離，液態(tài)物質(zhì)分別經(jīng)由污水處理、原油脫水等工藝后形成原油和達標水質(zhì)。而將原油輸送和集中的工藝過程中主要能耗設(shè)備為泵類。上述聯(lián)合站每小時來液量92.69 t，轉(zhuǎn)輸油泵2臺、轉(zhuǎn)輸水泵3臺，聯(lián)合站油氣轉(zhuǎn)輸工藝能耗分析見表2?？梢?，油氣轉(zhuǎn)輸工藝全年電能消耗總計383×104kWh。

表2 聯(lián)合站油氣轉(zhuǎn)輸工藝能耗分析Tab.2 Energy consumption analysis of oil and gas transfer process in the combined station

1.1.3 三相分離工藝能耗分析

在油田開采中，生產(chǎn)產(chǎn)物多以油氣水三相混合液為主，為實現(xiàn)對最終合格產(chǎn)品的有效輸出，便需要對油氣水三相混合液開展分離處理[4]。這時就需要應(yīng)用到三相分離工藝來進行處理。三相分離工藝主要由三相分離器、控制器和附屬管道構(gòu)成，三相分離工藝系統(tǒng)見圖1?？梢娙喾蛛x工藝中所消耗的能源很小，耗能設(shè)備為泵類，這里不做詳細的能耗分析。

圖1 三相分離工藝系統(tǒng)Fig.1 Three-phase separation process system

1.1.4 脫水工藝能耗分析

隨著油田含水量的不斷升高，聯(lián)合站脫水工藝起到越來越重要的作用。在聯(lián)合站內(nèi)，通過加熱爐將分離后的油水混合物質(zhì)加熱到脫水工藝所需的溫度后，使處于乳化凝固狀態(tài)的原油破乳劑直接達到水溶油、水的有效分離，從而達到脫水的效果[5]。聯(lián)合站脫水工藝流程見圖2。

圖2 聯(lián)合站脫水工藝流程Fig.2 Dehydration process of combined station

通過圖2可以清晰得到脫水工藝中主要的能耗設(shè)備為加熱爐，加熱爐也是油田開發(fā)中主要的高能耗設(shè)備，其耗氣量占總耗氣的90%以上[6]。在脫水工藝流程運行過程中，通常加熱爐系統(tǒng)能耗占該工藝能耗的98%。加熱爐系統(tǒng)包括加熱爐本體和輔機。以某聯(lián)合站脫水過程中3臺加熱爐進行加熱為例，聯(lián)合站脫水工藝能耗分析見表3。該聯(lián)合站對來液進行加熱脫水過程中，每年消耗天然氣達466×104m3，綜合來說，是聯(lián)合站主要的能耗工藝過程。

表3 聯(lián)合站脫水工藝能耗分析Tab.3 Energy consumption analysis of dehydration process in combined station

1.1.5 污水處理

通過脫水工藝處理后，凈化油和污水進行了油水的分離，產(chǎn)生的污水不符合直接排放或者回注的指標要求，所以，必須應(yīng)用污水處理工藝進行處理，才能排放或回注。油田企業(yè)在開展污水處理時，通常采用重力沉降法、濾床附著法以及混凝化學法相結(jié)合再進行使用[7]。在此過程中，污水會通過一次沉降罐、二次沉降罐、過濾罐的沉降和過濾處理。能耗設(shè)備主要有增壓泵、電攪拌機、加藥泵等，其功率遠遠小于輸油泵，相對于輸油工藝，電能消耗不單獨進行分析。

由此可見，油田聯(lián)合站主要集中在電能和熱能的消耗上，電能消耗主要是用于集輸工藝泵類運轉(zhuǎn)提供動力，熱能消耗主要由天然氣供給，大部分被用作脫水工藝中。所以，通過以上數(shù)據(jù)可以分析出，油田聯(lián)合站節(jié)能降耗工作，可以從電能熱能的消耗源頭上著手，也就是降低泵消耗和脫水工藝中加熱過程的天然氣消耗。

1.2 存在問題

通過對上述聯(lián)合站各油氣集輸工藝過程的能耗分析，可以得到油田油氣集輸過程中存在的問題：

1）為了更好地將油田開發(fā)中的地層壓力值保持在較為合理的水平線上，則需要采取注水的方法來改善系統(tǒng)運作狀況[8]。隨著油田的開發(fā)，由于注水量不斷增加，含水量不斷升高，并且，油田注水泵系統(tǒng)也存在著能耗高而效率低的問題。

2）來液進入聯(lián)合站后再輸送至凈化油罐的轉(zhuǎn)輸過程中，由于原油中雜質(zhì)產(chǎn)生的沉淀，在管道中可能出現(xiàn)頑固的硬塊，導(dǎo)致管道內(nèi)徑減小而產(chǎn)生卡堵，造成輸油泵提高功率甚至超出額定功率運行，從而增加了電動機泵能耗。同時，各油田老區(qū)塊聯(lián)合站泵類設(shè)備老化，效率低，而且輸出功率不能隨著輸液量的變化而進行自動調(diào)整，造成耗電量居高不下。

3）聯(lián)合站脫水過程中消耗的能源是油氣生產(chǎn)過程中能耗最為集中，占比最大的傳輸工藝，其又以加熱爐對來液油水混合物的加熱為主要能耗節(jié)點。所以，該工藝主要的問題就是加熱爐熱效率低，部分熱能未能充分交換給油水混合物，而是散失到空氣中。

4）聯(lián)合站注水工藝面臨的問題：一是使用電動機泵作為動力源，產(chǎn)生的感性阻抗會使交流電的功率因數(shù)變小，在有功功率一定的情況下，電能消耗就會增加；二是油田注水量不是恒定不變的，而是在一定范圍內(nèi)上下波動，機泵的輸出不能隨著注水量變化而調(diào)整，從而損耗了電能。

2 集輸工藝優(yōu)化及效果分析

我國油田的可持續(xù)發(fā)展一直是石油行業(yè)的主要發(fā)展趨勢，石油行業(yè)的技術(shù)人員依據(jù)各地油田的實際情況，始終對聯(lián)合站的各種集輸工藝進行優(yōu)化和改進，選擇適宜的工藝流程，才能解決聯(lián)合站油氣生產(chǎn)過程的節(jié)能減排問題。

2.1 密閉式電脈沖脫水工藝

傳統(tǒng)油氣處理為開式流程[9]。針對油氣脫水工藝的優(yōu)化，首先要針對油氣脫水設(shè)備進行適宜的改造。運用電脈沖脫水工藝技術(shù)，將傳統(tǒng)的油氣處理優(yōu)化為密閉性的流程，不僅可以降低設(shè)備的使用量，還能夠提高油田生產(chǎn)的自動化水平，減輕油田員工的工作負擔。這種密閉處理式的脫水工藝能夠控制采出液的揮發(fā)量，可以節(jié)約天然氣的使用，并能夠降低脫水泵的電能消耗。按照上述聯(lián)合站處理采出液92.69 t/h，日產(chǎn)出原油95.66 t，加熱爐消耗天然氣12 800 m3，改造前為傳統(tǒng)的開放式油氣處理流程。采取密閉式油氣脫水工藝改造后，其所使用的設(shè)備設(shè)施減少，流程縮短，自動化程度提高，方便工作人員操作，在聯(lián)合站處理來液量不變的情況下，在電能消耗和天然氣消耗方面都有了很大的提升，密閉式電脈沖脫水工藝改造前后能耗對比見表4。

表4 密閉式電脈沖脫水工藝改造前后能耗對比Tab.4 Comparison of energy consumption before and after transformation of closed electric pulse dehydration process

由表4可以看出，對聯(lián)合站脫水流程進行優(yōu)化后，每年可以節(jié)約天然氣98.8×104m3，節(jié)約電能17.3×104kWh，而且該工藝脫水溫度低，效果好，經(jīng)脫水后的液體含油量低，還能減少破乳劑的使用量，減輕后期污水處理的工作難度。

2.2 余熱回收再利用工藝

通過在聯(lián)合站內(nèi)脫水泵出口處增加一臺高效換熱器，用于和凈化油罐或者外輸油泵出口的原油進行熱交換，將余熱進行回收，這種工藝的優(yōu)化，既能夠提高脫水原油的加熱溫度，還能夠降低水加熱爐的熱負荷，減少天然氣燃料的消耗，從而達到節(jié)能的目的?，F(xiàn)階段，按照原油外輸溫度為67℃，要求外輸溫度不應(yīng)低于61℃計算，通過余熱回收工藝可以獲取301.55 kW熱能，該熱量可將輸油泵后含水為20%的脫水原油升溫3.63℃。在其它運行參數(shù)不變的情況下，當加熱爐效率為75%時，每天可節(jié)約天然氣40.74 m3，經(jīng)濟效益十分顯著。

2.3 油氣混輸工藝

油氣混輸工藝是將氣液兩相物質(zhì)同時輸送的技術(shù)，其優(yōu)勢是：降低了泵輸入端壓力，能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離輸送至處理中心，降低了輸送的成本，從而降低了地面基礎(chǔ)建設(shè)的費用，并通過降低泵輸入端壓力而降低機械設(shè)備的能耗等。通過運用油氣混輸工藝，既簡化了集輸?shù)牧鞒?，易于?lián)合站的管理，還能夠回收大量的伴生氣，伴生氣通過處理后可以直接作為加熱爐的燃料，降低能耗。

2.4 高效注水工藝

目前，根據(jù)分析出聯(lián)合站注水工藝中存在的問題，有的放矢地進行改造，主要從兩個方面進行改造，即：為注水機泵系統(tǒng)增加無功功率補償系統(tǒng)，提高功率因數(shù)；為注水機泵系統(tǒng)增加變頻器，使注水量與實際輸出功率相配。所以，為注水工藝中注水機泵系統(tǒng)增加電容補償器，可以有效提高系統(tǒng)功率因數(shù)。增加變頻器用以調(diào)節(jié)注水機泵的轉(zhuǎn)速，變頻調(diào)速具有節(jié)電、優(yōu)質(zhì)、增產(chǎn)、降耗的優(yōu)點[10]。變頻器可以使機泵系統(tǒng)啟動方式變?yōu)檐泦?。在無變頻器的系統(tǒng)中，交流電動機啟動時的瞬間電流強度是電動機額定電流的6～7倍，可能對電動機的繞組產(chǎn)生危害，而變頻器可以實現(xiàn)電動機的軟啟動，啟動電流小于或等于額定電流，對設(shè)備起到保護的作用。其節(jié)能表現(xiàn)良好，依據(jù)流體力學的原理，軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，所以，當轉(zhuǎn)速下降的時候，軸功率是減小的，這就能夠避免在注水量減少時的電能損失。聯(lián)合站注水工藝優(yōu)化前后能耗對比見表5。

表5 聯(lián)合站注水工藝優(yōu)化前后能耗對比Tab.5 Comparison of energy consumption before and after optimization of water injection process in combined station

通過表5可以看出，經(jīng)過功率補償和變頻調(diào)速后，注水工藝電能消耗每天減少5.7×104kWh，能耗降低比為23.7%。同樣的工藝優(yōu)化也可以對輸油工藝進行改造，改造后，輸油工藝每天減少電能消耗95.8×104kWh，并降低了機泵的故障率。

3 結(jié)束語

現(xiàn)階段，我國在發(fā)展經(jīng)濟的同時，越來越關(guān)注節(jié)能減排工作，這一總體方針逐漸深入能源開發(fā)企業(yè)。各油田都根據(jù)自身的實際情況，在集輸工藝流程上下手，不斷降低單位產(chǎn)出的能耗。D油田某聯(lián)合站通過運用密閉式電脈沖脫水工藝、余熱回收再利用工藝、油氣混輸工藝和高效注水工藝對集輸工藝的優(yōu)化，取得了優(yōu)異的節(jié)能效果，總計每日減少電能消耗量102.0×104kWh，天然氣2 747 m3。但是，我國油田集輸工藝仍然存在著一些問題，這將是油田科研人員努力攻關(guān)的目標和防線，充分挖掘設(shè)備、管理的潛力，對集輸工藝進行優(yōu)化，徹底解決工藝中高能耗的問題，實現(xiàn)我國油氣生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。