联合站原油外输温度的节能优化方法及其控制

邓寿禄（胜利油田技术检测中心）

联合站原油外输温度的节能优化方法及其控制

邓寿禄（胜利油田技术检测中心）

联合站外输原油消耗的能源主要是加热耗油和克服摩阻耗电。运行中的管线外输油温度是决定经济运行的主要参数，因此，确定一个合适的外输油温度，是外输油管线达到经济运行的关健。针对联合站外输过程的能耗问题，提出了联合站原油外输温度的节能优化方法及其控制，给出了经济温度的目标函数、求解方法和实例计算。在此基础上，提出了联合站外输加热炉定温加热和热效率自寻优节能控制系统。该系统利用定温加热系统对加热炉实现加热控制，同时其热效率自寻优节能控制系统又能够优化加热炉的运行工况，实现联合站原油外输过程的优化运行。

联合站原油外输温度节能控制

引言

油气集输系统是油田耗能的主要环节，据统计，油气集输系统能耗一般占原油生产总能耗的30%～40%，所消耗的热能和电能是油田节能的重点对象。油气集输系统是将各个油井生产的原油、天然气等混合物进行收集、转输、分离、净化（脱水和原油稳定）、储存全过程的工艺流程的总称。其中，联合站是油气集输系统组成的重要环节，其耗能几乎占整个油气集输系统耗能的三分之二。联合站耗能的组成主要包括三部分：脱水过程耗能、原油外输过程耗能和污水处理过程耗能，联合站原油外输过程耗能约占联合站总耗能的三分之一。实际生产中，由于原油集输系统的不稳定性，外输油流量、黏度、温度、压力经常发生变化，这种变化对联合站原油外输过程的经济运行会带来影响。因此，如何降低联合站原油外输过程的耗能是油田工程技术人员普遍关注的问题[1-2]。

联合站原油外输管道是按照工艺流程的要求设计安装的，用以实现原油的外输。在原油外输管线的设计中，要确定管线是否需要保温，确定保温或不保温管线各自的安全性、可行性和经济性[3]。

目前联合站外输原油消耗的能源主要有两方面：加热耗油和克服摩阻耗电。运行中的管线外输油温度是决定经济运行的主要参数。外输油温度高，耗油多，但温度高时黏度相应变低，使摩阻减小而耗电量少。因此，确定一个合适的外输油温度是外输油管线达到经济运行的关健[4]。

1 胜利油田联合站原油外输现状

目前，胜利油田有大小各种类型联合站56座，年处理和外输原油量达到2650×104t。胜利油田油品性质属于高含硫原油，油品性质较差。胜利油田油气集输系统处理的原油分为稠油、重质原油、中质原油、轻质原油，其中稠油、重质原油、中质原油、轻质原油平均综合能耗（标煤）（kg/t）分别为10.94、11.30、7.38、11.53 kg/t；冬季集输系统平均综合能耗为（标煤）9.69 kg/t，联合站平均综合能耗为（标煤）6.57 kg/t。胜利油田联合站能耗组成主要为电力消耗和燃料（油、气）消耗。电力消耗主要包括脱水泵、外输泵、污水泵、提升泵、压缩机等的电力消耗，表1列出了部分联合站主要类型脱水泵、外输泵和污水泵的技术参数；燃料消耗主要包括脱水加热炉、外输加热炉和稳定加热炉的燃油或燃气消耗，表2列出了部分联合站主要类型脱水加热炉和外输加热炉的技术参数[5]。

联合站的外输能耗同样包括电力消耗和燃料消耗，耗能设备主要是外输泵和外输加热炉。如表1所示，外输泵额定功率大的有200 kW，小的有132 kW；如表2所示，外输加热炉额定功率大的有1750 kW，小的有900 kW。从相关部门获悉，外输能耗占整个联合站能耗的三分之一。例如，胜利油田孤东四号联合站在测试期间外输油量为48.86 t/h，燃油消耗量129 kg/h，蒸汽消耗量4.47 GJ/h，电能消耗量4.47 kWh/h，联合站的综合能耗为（标煤）8.51 kg/t；其中，外输电能消耗为2.51 kWh/t，外输燃料消耗为1.49 kg/t，外输单耗为（标煤）2.84 kg/t。可见，外输能耗是联合站耗能的重要环节，如何减少联合站外输能耗，直接影响到联合站甚至整个集输系统的能耗水平[6]。

表1 部分联合站主要类型脱水泵、外输泵和污水泵的技术参数

表2 部分联合站主要类型脱水加热炉和外输加热炉技术参数

2 联合站原油外输经济温度的目标函数[7-8]

2.1联合站原油外输能耗费用的计算

联合站原油外输能耗费用S由燃料费用SR和动力费用SP组成，即

其中

式中：

S——能源费用，元/（t·km）；

SR——燃料费用，元/（t·km）；

SP——动力费用，元/（t·km）；

CP——原油的平均比热容，kJ/(kg·℃)；

B0——燃料油（气）热值，kJ/kg或kJ/m3；

H——站间的摩阻损失，m；

lR——加热站间距，km；

ηR——加热炉热效率；

ηp——泵机组效率；

TR——原油出站温度，℃；

TZ——输送末端温度，℃；

ey——燃料油（气）价格，元/t或元/103m3；

ed——电力价格，元/kWh。

以上原油物性参数按平均温度计算。

2.2动力费用的计算

令

则

式中：

ν1——T1下原油的运动黏度，m2/s；

μ——黏度指数，1/℃。

Q——原油体积流量，m3/s；

β、m——原油的流态系数；

d——管道内径，m。

2.3燃料费用的计算

令

则

式中：

ρp——平均温度Tp下原油的密度，kg/m3；

ρ20——20℃时原油的密度，kg/m3；

Cp——原油在平均温度Tp下的比热容，kJ/ (kg·℃)；

d15——原油在15℃时的相对密度。

T0——周围介质温度，℃；

l——站间距，l=1000lR，m；

a=kπD/(1000G·Cp)；

b=iE/(1000Cp·a)。

注：本文中比热容的单位为kJ/(kg·℃)，故需在上式中除以1000。此外，k为传热系数，W/(m2·℃)；E为热功当量，E=9.806 65 Ws/(kg· m)；D为管道外径，m；G为质量流量，G=Q·ρp，kg/s。

2.4目标函数的建立

将式（4）、（5）代入式（1）可得

3 联合站原油外输经济温度的求解[9-10]

在温度变化范围不大的情况下，可将式（6）视为只随TR变化的函数，而把比热C、体积流量Q等参数视为常数。

令

则

上式为TR的指数函数，利用C语言算法，可编制C语言试算法程序对其进行求解。

4 联合站原油外输经济温度节能优化的应用实例[11]

胜利油田临盘采油厂四净站外输油量83.8 m3/h，输油管道外径219 mm，内径203 mm，站间距26.8 km，总传热系数K=8.2 W/(m2·℃)，低温为15℃。油温T1=48℃时，原油黏度为76.2×10－6m2/s；20℃时原油密度ρ20=898.36 kg/m3。黏度指数μ=0.065；加热炉效率ηR=0.85；泵机组效率ηp=0.71；燃料油价格ey=3000元/t；燃料油热值B0=42.000 kJ/kg；电力价格ed=0.56元/kWh。原油流态为水力光滑区m=0.25，β=0.024 6。图1为平均温度Tp与能耗费用S的关系曲线。

图1 平均温度TP与能耗费用S的关系曲线

利用C语言试算法求解程序，可求出联合站原油外输经济温度：

Tp=53℃；TR=57.5℃；Tg=50.8℃

可见，胜利油田临盘采油厂四净站原油外输的经济温度为57.5℃。

5 联合站原油外输温度的节能控制[12]

5.1联合站原油外输温度节能控制系统简介

联合站原油外输是使用外输加热炉进行加热升温。外输加热炉输出的实际温度总要超过优化计算的经济温度。可见，外输加热炉实际温度超出经济温度所多付出的能量为无功能量，实际温度超出经济温度越多，产生的无功能量越多，浪费的能源越多。鉴于此种情况，提出了联合站外输加热炉定温加热和热效率自寻优节能控制系统。定温加热技术可以自动地调节加热炉负荷，减少无功能量。热效率自寻优节能控制系统能做到在每一运行工况实现加热炉的最优运行，而且在控制过程中不会牺牲加热炉热效率，带来额外能源浪费。

该系统包括加热炉本体、烟囱、物流出口温度计、燃烧器进油或进气管道、燃料调节器、定温控制器、燃烧器、燃烧器风门、热效率分析仪、热效率自寻优仪、风门调节器和中心控制器。

本系统在加热炉运行稳定后，由物流出口温度计测量出物流出口温度，其温度电信号传送进定温控制器，经定温控制器分析判断后，定温控制器输出控制指令指挥燃料调节器动作，执行其命令，完成定温加热控制。完成定温加热的初始任务后，中心控制器对热效率自寻优仪发出指令，命令热效率自寻优仪在该负荷下进行自寻优。首先热效率测试仪测量加热炉在该负荷下的热效率，送入热效率自寻优仪进行判断，判断后由热效率自寻优仪向风门调节器发出指令，使其动作并执行命令，直至完成自寻优控制。上述过程可以进行多次重复，直至达到满意的结果。

5.2联合站使用原油外输节能控制系统的效益预测

1）有效控制加热炉输出温度，大幅度减少不必要的生产耗能。例如，1台额定功率为1750 kW的燃气加热炉，平均热效率为80%，加热介质为原油，加热量200 m3/h，工艺温度为57.5℃，炉子入口温度为45℃。没有使用该系统前，炉子出口温度为60～62℃，加热炉燃料气耗量为165.8 m3/h，其中无功热能耗掉的燃料气量为47 m3/h，使用该系统后，使炉子出口温度保持在56.5～57.5℃，炉子的燃料气消耗量减为127.9 m3/h，下降幅度为22.9%，其中无功热能所耗的燃料气减少到9.4 m3/ h，下降幅度达80%。

2）实现任何工况下的优化运行，提高加热炉热效率。通过该系统的自寻优功能，能实现加热炉的优化运行。加热炉原来的平均运行热效率为80%，通过自寻优功能至少能提高加热炉热效率5个百分点，节省燃气10.4 m3/h。

使用该系统后，总的节气量为48 m3/h。假如该加热炉1年运行300天，则1年的节气量为345 600 m3/h，天然气工业价格按2.0元/m3计，该台加热炉年节能经济效益为69.1万元。

6 结束语

油气集输处理耗能是油田生产耗能的重要环节，其中联合站的耗能是油气集输处理过程中的主要耗能环节。联合站的耗能包括脱水过程耗能、原油外输过程耗能和污水处理过程耗能三大环节，联合站原油外输过程耗能几乎占联合站总耗能的三分之一。如何降低联合站外输过程的耗能量，是油田工程技术人员普遍关注的问题。提出了联合站原油外输温度的节能优化方法及其控制。建立联合站原油外输经济温度的目标函数，给出了目标函数的求解方法，并对目前运行的联合站进行了实例计算。

联合站原油外输温度的节能优化只是原油外输过程节能的初步工作。在初步工作的基础上，还提出了联合站外输加热炉定温加热和热效率自寻优节能控制系统。该系统能够充分利用优化所得结果，利用定温加热系统对加热炉实现加热控制，同时该系统的热效率自寻优节能控制系统又能够优化加热炉的运行工况，实现联合站原油外输过程的优化运行。

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10.3969/j.issn.2095-1493.2014.012.002

2013-12-28）

邓寿禄，高级工程师，1991年毕业于石油大学（华东）（热能工程专业），从事能源检测与利用研究工作，E-mail：sljc16888@ 126.com，地址：山东省东营市济南路2号技术检测中心，257001。