成慶林 郭子敬 楊金威 孫 巍 李治東

1. 東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 黑龍江 大慶 163000;2. 中油國(guó)際管道公司, 北京 100007

0 前言

20世紀(jì)80年代初,油田生產(chǎn)內(nèi)部就開(kāi)始重視并陸續(xù)開(kāi)展能分析。通過(guò)能分析可以了解油田的用能現(xiàn)狀、耗能水平以及節(jié)能潛力。最早人們只意識(shí)到能在量上的差異，隨著熱力學(xué)的不斷發(fā)展,一些專(zhuān)家學(xué)者們認(rèn)識(shí)到了能質(zhì)的差異,于是將這一概念引入到能量分析中,形成了具有鮮明特色的分析模型。是表示系統(tǒng)與環(huán)境達(dá)到平衡時(shí)做出的最大功,表示做功能力。分析則是將不同品質(zhì)的能量值進(jìn)行平衡分析,充分考慮能量的品質(zhì)對(duì)實(shí)際利用的影響,考慮能量的同時(shí)也兼顧了能質(zhì)的作用。分析模型不僅能分析計(jì)算設(shè)備外部能量損失,還可分析計(jì)算內(nèi)部能量損失。目前,在“雙碳”背景下,能分析更是成為能源應(yīng)用科學(xué)的重要組成部分。因此,對(duì)能耗大的生產(chǎn)系統(tǒng)或設(shè)備進(jìn)行用能分析評(píng)價(jià)十分必要。在原油生產(chǎn)過(guò)程中,集輸系統(tǒng)作為油田地面工程一個(gè)重要環(huán)節(jié),其能耗也是巨大的。本文從能量利用的角度將油田集輸系統(tǒng)分為熱能利用系統(tǒng)和用電系統(tǒng),對(duì)每個(gè)系統(tǒng)中關(guān)鍵的單體設(shè)備進(jìn)行分析,分析其能量利用情況，總結(jié)設(shè)備能量利用效率低的原因及其解決方法，提出了多能級(jí)互補(bǔ)系統(tǒng)的分析模型,目的在于提高能量利用效率、節(jié)約電能，并為油田企業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗提供技術(shù)支持。

1 熱能利用系統(tǒng)分析

熱能利用系統(tǒng)作為油田集輸系統(tǒng)中能源消耗較大的子系統(tǒng),其系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備耗能情況不容忽視,以下為該系統(tǒng)內(nèi)幾個(gè)主要耗能設(shè)備的能量利用情況及相關(guān)節(jié)能措施。

1.1 加熱爐用能分析

加熱爐是原油加熱環(huán)節(jié)的關(guān)鍵設(shè)備,主要作用是對(duì)原油進(jìn)行加熱,降低原油黏度便于脫水、脫氣、輸送等后續(xù)環(huán)節(jié)的進(jìn)行[1],是集輸系統(tǒng)中最大的耗熱設(shè)備。因此,提高加熱爐能量利用效率對(duì)于集輸系統(tǒng)節(jié)能降耗有著重要作用。

趙洪濱等人[2]利用熱力學(xué)第二定律對(duì)江蘇油田瓦6接轉(zhuǎn)站某工況下的加熱爐進(jìn)行了分析,并將效率作為評(píng)價(jià)指標(biāo),效率的計(jì)算見(jiàn)式(1)。計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn),該加熱爐的一次能源效率較高為72.09%,而效率僅為12.73%。說(shuō)明能量不僅有量的多少,還有質(zhì)的高低,將燃料的高品質(zhì)化學(xué)能轉(zhuǎn)化為油品的低品質(zhì)熱能導(dǎo)致了加熱爐設(shè)備對(duì)能量品質(zhì)的浪費(fèi)。基于以上分析內(nèi)容,趙洪濱提出了減少燃料油供應(yīng)或在高負(fù)荷下運(yùn)行可以提高加熱爐運(yùn)行效率。

(1)

式中:ηex為效率;Exsup為設(shè)備或系統(tǒng)的供給,kJ;Exef為設(shè)備或系統(tǒng)的有效,kJ。

港東聯(lián)合站原油加熱過(guò)程的關(guān)鍵設(shè)備有膨脹罐、熱媒爐、熱媒泵、馬西來(lái)油換熱器和儲(chǔ)油罐。何湘禹[3]對(duì)港東聯(lián)合站原油加熱子系統(tǒng)的3個(gè)熱媒爐進(jìn)行了用能分析,發(fā)現(xiàn)熱媒爐的熱效率普遍較高(均在80%以上),但效率較低(1#熱媒爐效率為16.51%,2#、3#熱媒爐效率均在40%左右)。由此說(shuō)明熱媒爐能質(zhì)利用情況較差。針對(duì)此問(wèn)題,提出了及時(shí)更換熱媒油,以及對(duì)熱媒爐內(nèi)部進(jìn)行定期清垢、維護(hù)和清掃等措施來(lái)提高熱媒爐的能質(zhì)利用效率。

加熱爐內(nèi)部存在著燃燒、傳熱、物質(zhì)排放等多種不可逆過(guò)程,不僅有散熱、排煙等多種外部損失,而且涉及溫差換熱、不完全燃燒等內(nèi)部不可逆損失。

圖1 加熱爐“白箱”分析模型圖Fig.1 Exergy analysis model of “white box” in heating furnace

圖2 加熱爐流圖Fig.2 Exergic flow diagram of heating furnace

支淑民[5]對(duì)辛東采油廠加熱爐系統(tǒng)進(jìn)行了能量分析,根據(jù)辛一站和辛三站加熱爐的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了能量分析和分析，歸納總結(jié)分析計(jì)算結(jié)果[5]見(jiàn)表1。相比能量分析,分析可以計(jì)算出加熱爐內(nèi)部燃燒和熱傳遞的不可逆過(guò)程損失。

表1 辛一站和辛三站加熱爐分析計(jì)算結(jié)果表

Tab.1 Exergy analysis results of the heating furnaces in Xinyi and Xinsan central treating station

表1 辛一站和辛三站加熱爐分析計(jì)算結(jié)果表

聯(lián)合站內(nèi)部損外部損燃燒損傳熱損總損排煙損散熱損不完全燃燒損總損效率辛一站41.19%38.07%81.72%4.79%1.95%0.35%7.09%10.31%辛三站38.79%28.00%68.20%5.59%1.85%0.24%7.68%9.80%

油品在加熱爐內(nèi)進(jìn)行加熱的過(guò)程是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為油品熱能的過(guò)程,是能質(zhì)蛻變的過(guò)程。因此,加熱爐的效率較低、損較大。將加熱爐看作是“白箱”模型進(jìn)行分析,并結(jié)合加熱爐流圖可以直觀看出加熱爐內(nèi)外部不同過(guò)程的損,準(zhǔn)確揭示出加熱爐內(nèi)部損遠(yuǎn)大于外部損。可采用定期清垢、維護(hù)、減少燃料供應(yīng)、提高加熱爐負(fù)荷以及控制過(guò)?？諝庀禂?shù)等方式，從提高能質(zhì)利用效率、降低加熱爐內(nèi)部損兩方面提高加熱爐效率。

1.2 換熱設(shè)備用能分析

在油氣田地面工程中,換熱設(shè)備主要應(yīng)用于原油處理工藝[6],是實(shí)現(xiàn)冷熱流體熱量傳遞的設(shè)備,這一過(guò)程主要由傳熱來(lái)完成。林洪亞等人[7]針對(duì)換熱設(shè)備傳熱過(guò)程進(jìn)行了能量損失分析,建立的換熱設(shè)備分析模型見(jiàn)圖3(其中Cph為熱流體定壓熱容；Cpc為冷流體定壓熱容)，根據(jù)分析模型推導(dǎo)出的換熱設(shè)備換熱過(guò)程損公式見(jiàn)式(2)。

圖3 換熱設(shè)備分析模型圖Fig.3 Exergy analysis model of heat exchange equipment

(2)

式中:ExL為損,kJ;T0為環(huán)境溫度,K;Q為總傳熱量,kJ;Tmc、Tmh分別為冷熱流體對(duì)數(shù)平均溫度,K。

耿士敏[8]對(duì)高壓加熱器換熱過(guò)程進(jìn)行了分析,建立了高壓加熱器換熱過(guò)程的數(shù)學(xué)模型,得到了高壓加熱器過(guò)熱段、凝結(jié)段和疏冷段冷熱流體的溫度分布,并通過(guò)分析方法計(jì)算出換熱器各段的效率,得知換熱器效率很小。對(duì)此,提出了減少換熱器換熱表面污垢、增大流體流速、管壁采用導(dǎo)熱性能好的金屬材料可降低損和提高效率的方法。

綜上所述,當(dāng)油品在換熱設(shè)備內(nèi)進(jìn)行換熱時(shí),可采用高溫?zé)崦浇橘|(zhì)、定期清理?yè)Q熱器內(nèi)壁污垢、合理增大油品在換熱器內(nèi)流速等方式降低損、提高換熱器效率、降低能源消耗。

1.3 管網(wǎng)用能分析

管網(wǎng)系統(tǒng)是個(gè)簡(jiǎn)單的能量傳輸系統(tǒng),管網(wǎng)對(duì)外界散熱而不從外界吸收能量。在外輸管網(wǎng)系統(tǒng)中,管道的外表面為體系邊界,體系與外界環(huán)境之間的能量交換通過(guò)管道散熱的方式來(lái)完成,體系內(nèi)部由于原油流動(dòng)摩阻產(chǎn)生壓降。因此,管道是一個(gè)耗能設(shè)施,在管網(wǎng)系統(tǒng)中存在散熱損和壓能損。劉海涌[9]對(duì)東三聯(lián)外輸管道進(jìn)行了能量分析,并根據(jù)該管道的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)計(jì)算,外輸管網(wǎng)的平衡模型[9]見(jiàn)圖4,圖4中ExLs為管道外部散熱損，ExLp為管道內(nèi)部流動(dòng)阻力引起的損，Ex1和Ex2分別為系統(tǒng)進(jìn)口和系統(tǒng)出口，該管道分析計(jì)算結(jié)果[9]見(jiàn)表2。

圖4 某外輸管道平衡模型圖Fig.4 Exergic equilibrium model of a transportation pipeline

表2 東三聯(lián)外輸管道分析計(jì)算結(jié)果表

Tab.2 Calculation results of exergy analysis of Dongsanlian transportation pipeline

表2 東三聯(lián)外輸管道分析計(jì)算結(jié)果表

外輸管道散熱流動(dòng)摩阻損系數(shù)損率損系數(shù)損率效率未保溫25.40%80%10.40%20%60.60%保溫10.40%80%9.32%20%77.13%

李雪峰[10]針對(duì)遼河油田稠油集輸系統(tǒng)進(jìn)行了“灰箱”模型分析，該集輸系統(tǒng)有摻稀油、摻水和三管伴熱等流程，經(jīng)相關(guān)計(jì)算得知,摻稀油流程平均能量利用率最高,為62.07%。從節(jié)能降耗的角度來(lái)看,應(yīng)優(yōu)先考慮摻稀油流程。

為提高海上油氣田能量利用效率,劉月勤等人[11-12]對(duì)海上油田原油集輸系統(tǒng)進(jìn)行分析,指出原油處理系統(tǒng)的損失僅次于發(fā)電系統(tǒng)；導(dǎo)致原油處理系統(tǒng)效率低的原因是換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理,因而浪費(fèi)了大量原油和廢水余熱；此外,原油處理設(shè)施的溫降和壓降也導(dǎo)致了部分損失。對(duì)此，提出調(diào)整換熱網(wǎng)絡(luò)、回收污水余熱、對(duì)分離器做好保溫工作可有效降低該系統(tǒng)損失的建議。

通過(guò)對(duì)熱能利用系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的用能情況進(jìn)行總結(jié)可知,上述具體設(shè)備涉及到不同形式能量之間的轉(zhuǎn)換、熱量傳遞以及熱散失等過(guò)程。在能量傳遞過(guò)程中,能質(zhì)蛻變是導(dǎo)致效率降低的主要原因。加熱爐是以上3種設(shè)備中損較嚴(yán)重的設(shè)備,提高加熱爐效率可通過(guò)采用控制過(guò)量空氣系數(shù)的方法使燃料完全燃燒,降低內(nèi)部燃燒損。換熱器可采用定期除垢、選擇高溫?zé)崦浇橘|(zhì)等方式提高效率。對(duì)于輸油管網(wǎng)可采用增加保溫設(shè)施的方式降低散熱損。針對(duì)整個(gè)熱能利用系統(tǒng)可采用調(diào)整換熱網(wǎng)絡(luò)、回收余熱、對(duì)設(shè)備做好保溫工作等措降低損。

2 用電系統(tǒng)分析

隨著油田的不斷開(kāi)采,采出液油水比、氣油比等性質(zhì)會(huì)不斷發(fā)生變化[13]，石油、天然氣加工處理設(shè)備的性能也會(huì)發(fā)生顯著變化,從而造成設(shè)備效率降低、電能消耗過(guò)大等問(wèn)題,對(duì)環(huán)境有著重大影響。因此,對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行用能分析很有必要。

2.1 電脫水器用能分析

在聯(lián)合站原油處理過(guò)程中,電脫水器是目前應(yīng)用最廣泛且效率最高、處理能力最強(qiáng)的一種依靠電場(chǎng)力的作用對(duì)油包水型乳化液進(jìn)行破乳脫水的油水分離設(shè)備,特別是在有化學(xué)破乳劑共同作用的情況下,其生產(chǎn)的穩(wěn)定可靠性與其他脫水方法相比具有較大優(yōu)勢(shì)。段偉強(qiáng)[14]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)大慶杏三聯(lián)合站電脫水器進(jìn)行了分析計(jì)算,電脫水器的平衡模型[14]見(jiàn)圖5。

圖5 電脫水器的平衡模型圖Fig.5 Exergic equilibrium model of electrical dehydrator

Ex1+Exe=ExLw+Ex2

(3)

式中:ExLw為污水,kW;Exe為電能,kW。

2.2 泵用能分析

泵是油田集輸系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一,也是主要的耗能設(shè)備。由于用途不同可分為摻水泵和外輸泵,其功能是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能再轉(zhuǎn)化為流體的壓能以達(dá)到輸送要求,泵設(shè)備平衡模型[9]見(jiàn)圖6。

圖6 泵設(shè)備平衡模型圖Fig.6 Exergic equilibrium model of pump equipment

劉海涌[9]針對(duì)東三聯(lián)站原油處理系統(tǒng)采用“灰箱”模型進(jìn)行了分析,經(jīng)計(jì)算得知東三聯(lián)原油處理系統(tǒng)效率為6.30%,損系數(shù)為93.46%,其中輸油泵機(jī)組損系數(shù)為2.23%,損較低。造成損的主要原因是流經(jīng)泵的原油內(nèi)部產(chǎn)生摩擦以及泵自身結(jié)構(gòu)的機(jī)械摩擦而造成泵內(nèi)的不可逆損失?？刹捎媒档驮宛ざ然蚋倪M(jìn)泵自身結(jié)構(gòu)等方式提高泵效率、降低電能消耗。

吳浩等人[15]對(duì)大慶油田某雙管摻水流程轉(zhuǎn)油泵系統(tǒng)用能情況進(jìn)行了分析,建立轉(zhuǎn)油站泵系統(tǒng)“灰箱”分析模型見(jiàn)圖7(其中Exw1、Exw2分別為摻水泵進(jìn)出口摻水，ExLb1、ExLb2分別為外輸泵和摻水泵損)。

圖7 泵系統(tǒng)“灰箱”分析模型圖Fig.7 Exergy analysis model of “grey box” in pump system

2.3 壓縮機(jī)用能分析

Voldsund M等人[13,17]分析了北海某平臺(tái)實(shí)際生產(chǎn)1天的油氣加工過(guò)程,使用當(dāng)天的測(cè)量數(shù)據(jù)模擬當(dāng)天的工藝流程,并利用分析法對(duì)該工藝流程中各單元損情況及效率進(jìn)行計(jì)算分析。經(jīng)計(jì)算分析得知,物料流中的損主要由高壓引起,損主要發(fā)生在增壓或減壓過(guò)程中,其中損最大的子系統(tǒng)是生產(chǎn)歧管、壓縮系統(tǒng)和回注系統(tǒng)。

3 多能級(jí)互補(bǔ)系統(tǒng)分析

技術(shù)節(jié)能是油氣田提高能源利用效率和降碳的關(guān)鍵途徑,節(jié)能的直接效果是減少用能成本和CO2排放[18]。在油田集輸系統(tǒng)中,污水處理過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量的回注地層水,其溫度30 ℃左右[19],含有大量的熱量,若采用回收裝置可有效利用剩余能量。此外,還存在油田在原油采出過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生伴生氣，某些油田所處地區(qū)風(fēng)力資源豐富等情況。因此,在油田站場(chǎng)可進(jìn)行地?zé)?、天然氣、風(fēng)能等資源相互融合、相互補(bǔ)充的多能協(xié)同供應(yīng)。李慶[20]對(duì)多能互補(bǔ)能源站的布站方式、運(yùn)行調(diào)節(jié)、節(jié)能效果進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)該項(xiàng)目技術(shù)要求較高,若能實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破,可提供安全、穩(wěn)定的電力和熱力保障。

圖8 多能級(jí)互補(bǔ)系統(tǒng)分析模型圖Fig.8 Exergy analysis model of multi-level complementary system

(4)

式中:Exj為風(fēng)使風(fēng)車(chē)旋轉(zhuǎn)所供給的機(jī)械能,這部分可通過(guò)風(fēng)車(chē)葉片旋轉(zhuǎn)速度計(jì)算求得,kJ;Exwr為含油污水中的熱,kJ;Exout1為油田變電所接收的電,kJ;Exout2為油田各站場(chǎng)接受的通過(guò)熱泵設(shè)備處理過(guò)的來(lái)自含油污水的熱,kJ。

Laukkanen T P等人[21]將分析與一次能源分析結(jié)合起來(lái)形成PeXa方法對(duì)分析進(jìn)行優(yōu)化。一次能源效率是一種用于評(píng)價(jià)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)能量性能的方法，以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ),考慮了在系統(tǒng)邊界處為生產(chǎn)某種產(chǎn)品而需要輸入到生產(chǎn)系統(tǒng)的所有一次能量,提供了顯示系統(tǒng)如何影響一次能源資源的優(yōu)勢(shì)。多能級(jí)互補(bǔ)系統(tǒng)借助風(fēng)能和天然氣兩種一次能源進(jìn)行發(fā)電,受環(huán)境因素影響較大。將一次能源分析和分析結(jié)合起來(lái)可以提供一個(gè)更全面的能效指標(biāo)。采用PeXa方法對(duì)多能級(jí)互補(bǔ)系統(tǒng)進(jìn)行分析,可對(duì)風(fēng)能發(fā)電和燃?xì)獍l(fā)電不同的生產(chǎn)路徑進(jìn)行比較,確定最優(yōu)發(fā)電方案,使油田最大限度地節(jié)約電能。

4 結(jié)論