海洋油氣開采節(jié)能技術(shù)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(lǐng)域，但是受到海洋開發(fā)開采設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shù)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(shù)研究，岸電利用的技術(shù)研究等。

3） 對于海洋資源開發(fā)的生產(chǎn)設(shè)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(yīng)用的生產(chǎn)耗能設(shè)備進行研究，主要包括機泵、鍋爐等。

2 技術(shù)應(yīng)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(shù)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(shè)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(shè)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(shù)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(shè)施的改進，如更換發(fā)電機組、新增小型燃氣設(shè)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(yù)測，由于無生產(chǎn)應(yīng)用設(shè)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(chǔ)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(yīng)，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?，將油氣運往陸地集中處理。海上油氣田外輸管道鋪設(shè)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(yīng)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(shù)，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(shè)備近些年不斷在海上采油平臺開展過嘗試和應(yīng)用，將伴生氣重組分回收，在減少資源浪費的基礎(chǔ)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(shù)

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(shè)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(shè)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(fēng)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(shè)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(yīng)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(shù)

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(shè)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(guān)鍵制約點之一，現(xiàn)階段平臺余熱回收主要熱用戶為導(dǎo)熱油爐，回收發(fā)電機尾氣余熱作為導(dǎo)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?zé)崮埽略黾訌U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(dǎo)熱油加熱，從而大幅降低原油使用量。 該技術(shù)應(yīng)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(shù)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(shè)備調(diào)整。設(shè)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(shè)備（如換熱器、調(diào)壓閥）或動設(shè)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(shè)備的節(jié)能化改造

在海洋石油開采過程中，主要的耗能設(shè)備包括原油外輸泵、電潛泵等機泵類設(shè)備，供熱鍋爐等加熱類設(shè)備。在海洋平臺設(shè)備選型過程中，特別是早期建造的平臺，重點考慮設(shè)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(dǎo)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(shù)—永磁渦流柔性傳動技術(shù)，這項技術(shù)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(shù)、設(shè)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(shè)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(yīng)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(shè)備的節(jié)能化改造等先進節(jié)能技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)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(shù)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(shè)施設(shè)備的設(shè)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(shù)不斷的應(yīng)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(shù)，改進推廣到可適用的各領(lǐng)域是非常必要的。