魏麟權，夏寶森，潘顥丹，辛 楠，費浩航，龔炯波（遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院 ，遼寧 撫順 113001）

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油田集輸子系統(tǒng)的熱力學分析

魏麟權，夏寶森，潘顥丹，辛 楠，費浩航，龔炯波
（遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院 ，遼寧 撫順 113001）

摘要：油田采輸系統(tǒng)是能源消耗的大戶，為了評價油田集輸系統(tǒng)的用能狀況、找出用能薄弱環(huán)節(jié)，必須對油田采輸系統(tǒng)進行熱力學分析。以稠油的集輸子系統(tǒng)為研究對象，建立了集輸子系統(tǒng)的?分析模型，并從熱力學分析的角度對某油田集輸子系統(tǒng)的熱平衡和?平衡進行計算。計算分析結果為：隨著加熱爐進風溫度的提高，集輸子系統(tǒng)的熱效率和?效率有所上升，將進風溫度從20 ℃提高到110 ℃的情況下，集輸子系統(tǒng)的熱效率從0.95%提高到0.98%，?效率從0.19%提高到0.2%；如果把分離出的污水中的能量回收利用起來，可使現(xiàn)行的?效率從0.21%提高到1.09%。

關鍵詞：集輸子系統(tǒng)；熱效率；?效率；節(jié)能

目前我國的能源資源相對貧乏，能源利用率低，石油作為我國的一個重要能源，其開采及應用受到很大的關注［1］。對于石油生產(chǎn)企業(yè)，更是面臨著開采難度大、單位產(chǎn)量能耗逐年增加的巨大壓力。而在石油生產(chǎn)中油田集輸系統(tǒng)更是能源消耗的大戶。目前，我國各集輸單位的節(jié)能降耗現(xiàn)狀并不是很理想，還存在著很大的節(jié)能空間［2］。因此，為了找出系統(tǒng)中用能不合理之處，提高能源利用率，對其進行熱力學分析至關重要。

20世紀70年代能源危機發(fā)生之后，的研究在國外得到了普遍的重視［3］。在研究系統(tǒng)工藝過程的節(jié)能降耗、新工藝開發(fā)設計和熱力學分析中都起到了非常重要的作用。1957年，的概念傳入了我國，南京工學院的夏彥儒和王守泰教授，將其譯為“”［4］，并逐漸得到了我國學術界的公認。此外，隨著分析發(fā)展的日趨成熟，它以科學的用能理論而被廣泛應用在實際工程中。針對石油生產(chǎn)系統(tǒng)中的用能分析方法，在上世紀80年代后期項新耀教授對其做了很多的研究，并成功地被應用在大慶油田稀油集輸生產(chǎn)系統(tǒng)中［5］。近年來，王志國教授又對其進行了完善、補充，并將其應用到天然氣深冷分離裝置和稠油集輸生產(chǎn)系統(tǒng)中［6］。然而，針對集輸系統(tǒng)效率的分析鮮有研究。

本文擬通過對集輸子系統(tǒng)建立“黑箱”分析模型［7］， 然后對模型建立熱平衡方程與平衡方程，得到熱效率與效率的方程計算式，并以某油田集輸系統(tǒng)為例，計算集輸過程的熱效率與效率。通過計算結果系統(tǒng)地分析了集輸系統(tǒng)中加熱爐進風氣溫度與分離出的污水對熱效率及效率的影響及規(guī)律［8］，找出其中用能薄弱部分，并提出可行性建議。

1　集輸子系統(tǒng)分析模型的建立

油田集輸是指油田礦場原油和天然氣的收集、處理和運輸，其主要任務是以油田油井為起點，以礦場原油庫或長距離輸油、輸氣管道首站以及油田注水站為終點的之間所有的礦場業(yè)務。油田集輸系統(tǒng)的環(huán)節(jié)主要有氣體分離、原油脫水、原油穩(wěn)定、天然氣凈化、輕烴回收、污水處理和油、氣、水的礦場輸送等［9］。

黑箱分析法是一種熱力學研究的常用方法，將熱力學分析對象視為由“不透明”的邊界所包圍的系統(tǒng)［10］， 輸入、輸出體系的物流或能流的（能）值用相關參數(shù)計算得出，進而獲得體系的供給（能）、有效（能）及損失（能）。而平衡是與損失（不可用能）之和保持平衡。對集輸子系統(tǒng)應用黑箱模型進行分析［11］，建立的模型如圖1所示。設穿過體系邊界的輸入為 Exin，輸出為Exout，系統(tǒng)各項內(nèi)部損失為 Ii，外界作功為 W，則它們的平衡關系為∑Exin+W=∑Exout+∑Ii。

圖1　集輸子系統(tǒng)的黑箱模型Fig.1 The black box model in transmission subsystem

式中：Exf—進入集輸子系統(tǒng)的燃料，kJ/h；

Exd—集輸子系統(tǒng)消耗的電，kJ/h；

Exi—進入集輸子系統(tǒng)加熱爐空氣的物理顯，kJ/h；

Ex＇ —采出油品混合物中稠油部分的，kJ/h。

式中：Exl2—集輸子系統(tǒng)的傳熱及不可逆損，kJ/h；Exw—分離出的污水帶走的，kJ/h。

集輸子系統(tǒng)的能損系數(shù)為：

1.3計算實例

假設該集輸系統(tǒng)由一個集輸總站，五個集輸分站構成，采用雙管摻熱水流程，有七臺加熱爐供熱。燃料（油田天然氣）低位發(fā)熱量：Qdw=3.89×104kJ/m3；燃氣量：B=1.4×103m3/h ；過量空氣系數(shù)α=1；空氣量A=1.6×105m3/h ；空氣溫度ta=30℃；消耗的電為=3.29×107kJ/h ；采出油品混合物的物流為=1.29×106kJ/h 。對系統(tǒng)進行熱平衡和平衡計算，計算結果匯總如表1和表2所示。

表1　集輸系統(tǒng)的熱平衡計算結果Table 1　Calculation results of heat balance in the collection and transportation system

表2　集輸系統(tǒng)的　平衡計算結果Table 2　Calculation results of energy balance of gathering system

表2　集輸系統(tǒng)的　平衡計算結果Table 2　Calculation results of energy balance of gathering system

項　目 　能量/（MJ·h-1）供入加熱爐燃料　381 220耗電　32 900預熱空氣 　24.15采出油品 　6 460.34合計 　420 604.49有效原油升溫 　615.92天然氣 　250.95合計 　866.87效率，% 　0.21

2　集輸子系統(tǒng)效率和熱效率影響因素分析

如圖2所示曲線，進風溫度從20 ℃逐漸提高到110℃，集輸子系統(tǒng)的熱效率隨之從0.95%上升到0.98%，效率從0.19%提高到0.2%。由此可以得出結論，加熱爐進風溫度的提高能夠有助于集輸子系統(tǒng)的熱效率和效率上升。

圖2　加熱爐進風氣溫度與集輸子系統(tǒng)效率的關系Fig.2 The relationship between the temperature of the heating furnace and the efficiency of the collector system

2.2分離出的污水對熱效率及的影響

3　結論及建議

（1）在油田集輸子系統(tǒng)方面，加熱爐的進風時的溫度情況［13］和分離出的污水總量是影響熱效率和效率的主要因素。提高加熱爐進風溫度將有助于集輸子系統(tǒng)的熱效率和效率提高?；厥绽梅蛛x出的污水所攜帶的低位能，能夠提高集輸子系統(tǒng)的效率。

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Thermodynamic Analysis on Oilfield Gathering Subsystem

WEI Lin-quan，XIA Bao-sen，PAN Hao-dan，XIN Nan，F(xiàn)EI Hao-hang，GONG Jiong-bo
（College of Petroleum and Natural Gas Engineering，Liaoning Shihua University，Liaoning Fushun 113001，China）

Abstract：Oil field production and transportation system is the principal aspect in energy consumption.In order to evaluate the energy-using status of oilfield gathering system and find out the weak links of energy-using，the thermodynamic analysis on the oil field production and transportation system must be carried out.In this paper，taking the heavy oil gathering subsystem as the research object，and an exergy analysis model of the system was built.The heat balance and exergy balance of a certain oilfield gathering subsystem were also calculated from the perspective of thermodynamics analysis.Analysis and calculation results show that，the thermal efficiency and exergy efficiency of gathering subsystem increase with the increasing of heating furnace inlet air temperature.When the inlet air temperature increases from 20 ℃ to 110 ℃，the thermal efficiency increases from 0.95% to 0.98%，and the exergy efficiency increases from 0.19% to 0.2%，respectively.If recycling the energy from isolated sewage，exergy efficiency will increase from 0.21% to 1.09%.

Key words：Gathering subsystem；Thermal efficiency；Exergy efficiency；Energy conservation

中圖分類號：TE 832

文獻標識碼：A

文章編號：1671-0460（2016）01-0149-03

基金項目：遼寧省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目，項目號：201410148052。

收稿日期：2015-09-23

作者簡介：魏麟權（1993-），男，山西省運城市人，遼寧石油化工大學熱能與動力工程專業(yè)。E-mail：759430101@qq.com。

通訊作者：潘顥丹（1983-），女，講師，博士研究生，研究方向：稠油的微生物降解。E-mail：panhaodan@126.com。