于淳光 魏紫暄 王鐵軍

摘 ?????要： 為了降低雙管摻水集油流程高耗氣、高耗電問題，可通過調節(jié)摻水量、摻水溫度等運行參數優(yōu)化工藝流程，降低加熱爐耗氣量和泵機組耗電量。針對大慶油田某轉油站集輸流程的實際運行情況，通過PIPESIM軟件建立管網水、熱力計算模型，運行迭代法確定不同摻水溫度下各單井最優(yōu)摻水量，根據加熱爐、泵機組基礎數據確定不同方案下總運行費用。計算結果表明，該集油流程最優(yōu)摻水溫度為47 ℃，摻水量為840.72 m?/d。此研究為原油集輸系統(tǒng)提供了可靠的運行參數優(yōu)化方法，可實現節(jié)能降耗的目標。

關 ?鍵 ?詞：雙管摻水;原油集輸系統(tǒng);摻水溫度;摻水量;總運行費用

中圖分類號：TE 863 ??????文獻標識碼：?A ??????文章編號： 1671-0460（2020）03-0678-05

Optimization of Operating Parameters of Double Pipe

Water-incorporated Crude Oil Gathering and Transportation Process

YU Chun-guang¹， WEI Zi-xuan²， WANG Tie-jun^3*

（1. Key Laboratory for Improving Oil and Gas Recovery of Ministry of Education， Northeast?Petroleum University，

Heilongjiang Daqing 163318， China;

2.?CNPC?Dagang Oilfield Branch， Tianjin 300280， China;

3. Tianjin Design Institute of China Petroleum Engineering Project Management Company， Tianjin 300457， China）

Abstract： ?In order to reduce the problem of high gas and power consumption in double-pipe water-mixed oil gathering process， the technological process can be optimized by adjusting the operation parameters?including the amount of added water and the temperature of added water to reduce heating furnace gas consumption and pump unit power consumption. Aiming at the actual operation of gathering and transportation process of a oil transfer station in Daqing oilfield， water and thermal calculation model of pipeline network was established by PIPESIM software. The operation iteration method was used to determine the optimal water content of each well at different water mixing temperatures. And the total operating cost under different schemes was determined?according to the basic data of heating furnace and pump unit. The results showed that， the optimum water mixing temperature of the oil gathering process was 47 ℃， and the water mixing amount was 840.72 m?/d. This study provides a reliable method for optimization of operation parameters of crude oil gathering and transportation system to achieve the goal of energy saving and consumption reduction.

Key words： double pipe watering; crude oil gathering and transportation system; water blending temperature; ?water content;total operating cost

隨著我國經濟的迅猛發(fā)展，各行各業(yè)對能源的需求量不斷增加，對一次能源的過度開采和利用導致我國正面臨能源短缺、能源利用效率低、污染嚴重等問題，對我國社會的可持續(xù)發(fā)展和人們生活質量產生嚴重影響^[1]。在能源的生產、消耗等方面，石油企業(yè)對能源消耗總量的影響十分顯著。油氣集輸系統(tǒng)作為油田地面工程的重要組成，主要負責油田采出液的儲存、集中處理和輸送，在這些過程中會有大量的熱能和電能被消耗。據統(tǒng)計，油氣集輸系統(tǒng)的投資約占地面工程總投資的65%，能源消耗則占油田系統(tǒng)總能耗的30%～40%^[2]。因此，降低油氣集輸系統(tǒng)的能耗不僅對石油企業(yè)節(jié)能減排工作意義重大，還具有較大的經濟價值。

油田雙管摻水集油流程在運行時需將升溫后熱水回摻至井口低溫采出液中，使其最終進站溫度滿足集輸工藝要求^[3]。集輸過程中通常將熱水升至50 ℃以上且摻水量較高，導致需要花費大量天然氣、電能資源。本文針對大慶油田某轉油站生產系統(tǒng)雙管摻水集油流程摻水量大，能耗高問題進行運行參數優(yōu)化研究。結合現場實際流程建立物理、數學分析模型，通過迭代計算方法確定不同摻水溫度條件下各生產井最優(yōu)摻水量，以最小總運行費用為目標優(yōu)化生產運行參數，為集輸系統(tǒng)節(jié)能降耗提供一定理論基礎。

1 ?集油系統(tǒng)基本運行情況

大慶油田某轉油站轄計量間7座，油井110口，2017年產液57.5萬t，綜合含水90.6%，2017年總耗氣量為149.9萬m³，總耗電98.2萬kW·h時。該區(qū)塊集油工藝為雙管摻水流程，站內采用分離緩沖沉降“三合一”流程，因此可將站內生產工藝流程分為油系統(tǒng)工藝流程、天然氣系統(tǒng)工藝流程和摻水系統(tǒng)工藝流程。計量間來液經過“三合一”裝置分離出油、氣、水三相，含水油品經外輸泵增壓、計量后輸送至聯合站，天然氣外輸至聯合站或站內加熱爐自用;摻水系統(tǒng)將分離出的游離水經“二合一”加熱爐裝置加熱，再經摻水泵增壓后輸送至計量間后回摻至各井口，該轉油站系統(tǒng)工藝流程簡圖如圖1所示。

2 ?雙管摻水集油流程優(yōu)化方法

2.1 ?目標函數確定

雙管摻水集油流程中主要耗能設備為加熱爐、摻水泵和外輸泵，集輸系統(tǒng)的運行費用主要包括加熱爐耗氣費用和外輸泵、摻水泵耗電費用^[4]。因此，以最小的運行總費用作為優(yōu)化問題的目標函數，即所耗電費和氣費之和小，其表達式為：

????????（1）

式中：S?— 總運行費用，萬元/a;

S_h?— 熱力費用，萬元/a;

S_e1?— 外輸泵電力費用，萬元/a;

S_e2?— 摻水泵電力費用，萬元/a。

2.2 ?Pipesim模型建立

（1）物理模型建立

在計算各部分管網溫度、壓力時可通過Pipesim軟件完成水、熱力計算模型建立，該雙管摻水集油流程Pipesim模型建立如圖2，以414計量間為例其局部模型圖見圖3。

（2）流動相關式選擇

Beggs-Brill 方法是用于水平、垂直和任意傾斜氣液兩相管流動計算的一種較普遍的方法。B在推導兩相管道壓降計算公式時，Beggs & Brill從能量守恒方程出發(fā)，考慮加速損失、摩擦損失和管路起伏對結果的影響，計算結果較好，最終選擇該方法進行水、熱力計算。

2.3 ?運行參數優(yōu)化方案

（1）摻水溫度、摻水量方案確定

不同摻水溫度、摻水量分配方案求解步驟如下：

（a）轉油站-計量間摻水管道計算

根據轉油站出口溫度，站間摻水管道參數，對單井取摻水量0.5 m³/h初值，確定其各計量間熱水溫度。

（b） 計量間-油井摻水管道計算

根據計量間到站溫度，井間摻水管道參數，確定各井口熱水溫度。

（c） 摻混溫度計算

根據各油井出口溫度，產液量等參數及熱水至各油井溫度，確定各井口摻混溫度，摻混溫度計算公式如下^[5]：

?????（2）

式中：T_mi— 摻液后混合物溫度，℃;

c_m— 摻液后混合物比熱，kJ/（kg·℃）;

G_i、c— 油井產物的流量、比熱;

G_L、c_L、T_L— 摻液流量、比熱和溫度;

T_wi— 油井產物流出井口的溫度，℃。

（d）油井-計量間回油溫度計算

根據各井口摻混溫度，井間集油管道參數，確定各計量間回液溫度，判斷其是否滿足工藝要求，若溫度過小，則將此井口摻水量增加0.1 m³/h;若溫度過大，則將此井口摻水量減小0.1 m³/h，進行重新計算，直至溫度滿足要求。

（e）計量間-轉油站集油管道計算

根據各計量間摻混溫度，站間集油管道參數，確定轉油站回油溫度，判斷其是否滿足工藝要求，若滿足，輸出其摻水量;若不滿足，進行重新計算。經此計算可得到不同摻水溫度下各單井最小摻水量結果。

（2）耗氣量、耗電量計算方法

（a）天然氣消耗量

流程耗氣量可通過加熱爐進出口能量變化情況及加熱爐效率確定，其計算公式為：

（3）

式中：Q— 天然氣耗氣量，m?/d;

c_m— 摻液后混合物比熱，kJ/（kg·℃）;

— 加熱爐進出口溫差，℃;

— 加熱爐效率，%。

（b）耗電量

流程耗電量為外輸泵、摻水泵耗電量之和。根據現場泵型號及其運行情況推導得到泵機組耗電量經驗值為每立方米流過介質耗電量約為0.97 kW·h。

3 ?運行參數優(yōu)化結果

3.1 ?摻水溫度、摻水量方案確定

除第1章中所列基本數據，其他現場實際流程所需基本參數或技術要求如下：以1月平均氣溫計算得到管道環(huán)境溫度為2 ℃，轉油站回油溫度為33 ℃，摻水溫度為40～60 ℃，加熱爐效率為80%，泵機組效率為60%，以摻水溫度40 ℃為例進行模擬計算，其結果如下：

（1）轉油站-計量間摻水管道計算

輸入起點溫度40 ℃，環(huán)境溫度2 ℃，根據單井摻水量取初值0.5 m³/h計算各管道總流量，運行可得其各個計量間熱水溫度見表1。

（2）計量間-油井摻水管道計算

輸入各井間摻水管道參數，對各井口溫度程序運行結果取1位小數見表2。

（3）摻混溫度計算

將各井口出口溫度等參數及各井間管道末點溫度帶入，各井口熱水與采出液摻混后溫度見表3。

（4）油井-計量間回油溫度計算

各井間集油管線末點溫度見表4。

（5）計量間-轉油站集油管道計算

判斷其各回油溫度是否滿足33 ℃技術界限要求，若不滿足進行迭代計算，得到各單井最終摻水量見表5。

3.2 ?最優(yōu)運行參數確定

根據其摻水量計算結果及式（1）-（3）進行總運行費用計算，其計算結果見圖4。

根據計算結果，摻水溫度在47.1 ℃時，總運行費用取得最優(yōu)值，其值為187.9萬元/a。據分析可知，由于外輸液流量一定，且進轉油站溫度一定，因此外輸泵供給電費不隨摻水量及摻水溫度變化及變化，此方案條件下計算其加熱爐供給熱?費用及摻水泵供給電?費用與摻水溫度變化曲線，其結果見圖5、圖6。由圖6可知，加熱爐運行費用隨摻水溫度升高而降低，這是由于在進轉油站溫度一定的條件下，摻水溫度的升高所帶來的摻水量減小量較大，導致其總運行逐漸增大，其總增長幅度為8.21萬元/a。摻水泵供給電?費用隨摻水溫度升高而降低且其降低幅度逐漸減小，但其總降低幅度較小，為7.17萬元/a。

由于目標函數總這兩部分運行費用變化的矛盾性導致摻水溫度在47.1 ℃時，目標函數出現極小值，此時熱力費用為89.9萬元/a，電力費用為22.8萬元/a，將此極小值條件下摻水溫度、摻水量作為最優(yōu)方案。此時總摻水量為840.72?m?/d，各井摻水量優(yōu)化結果見表6。

大慶油田某轉油站實際運行工況如下：摻水溫度為61.3 ℃，總摻水量為667.7 m?/d，據計算其總運行費用為216.6萬元/a，熱力費用為116.2萬元/年，電力費用為18.9萬元/a，其對比結果見圖7。

經計算可得該集輸系統(tǒng)年運行費用減少28.7萬元，同比降低18.7%;加熱爐年運行費用減少26.3萬元，同比降低22.6%;摻水泵年運行費用增加3.9萬元，同比升高20.6%。分析該優(yōu)化結果可知，加熱爐和摻水泵運行費用降低幅度基本相同，熱力費用節(jié)錢較多，可見熱力費用方面的優(yōu)化更具節(jié)能空間，可將集輸系統(tǒng)節(jié)能降耗的重點放在熱力費用優(yōu)化。

4 ?結 論

（1）結合原油集輸系統(tǒng)運行情況選擇總運行費用為目標，目標函數由熱力費用和電力費用組成。推導分析得到其決策變量為摻水溫度、摻水量和進轉油站溫度。結合現場實際工況要求，制定各變量約束條件。

（2）根據模型分析可知，目標函數最小值為不同摻水溫度條件下最優(yōu)摻水量所對應工況，因此求解約束條件范圍內的最小摻水量，并以摻水溫度40 ℃為例進行應用舉例，得到約束范圍內摻水量與最小摻水量數量關系。

（3）將不同摻水方案參數帶入目標函數求解方程中，得到滿足實際工況的總運行費用最小值為125萬元/a，此時摻水溫度為47.1 ℃，總摻水量為840.7 m?/d。根據現場實際工況計算其總運行費用為153.7萬元/a，在推薦優(yōu)化運行方案條件下總運行費用節(jié)約18.7%，具有一定可行性。

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