用“三环节”法分析集油站能耗

黄 春

胜利油田分公司孤岛采油厂

用“三环节”法分析集油站能耗

黄 春

胜利油田分公司孤岛采油厂

结合集油站各用能设备的特点以及现场实际工艺流程，将用能系统划分为能量转换与传输、能量利用、能量回收三个环节，建立“三环节”物理结构模型及数学模型。利用能量分析诊断出系统用能的薄弱环节，可通过改进加热炉运行状况、回收高温外输原油及污水余热等措施以达到节能的效果。某集油站改造后年节省燃料油1 060 t，节约电量67 100 kW·h，回收利润可达420万余元。

“三环节”法；集油站；能耗；节能

华贲[1-2]所提出的“三环节”法是一种具有代表性的过程能量分析方法，已被应用于石油行业能量系统的优化设计及其改造中，可达到较好的节能降耗效果。基于热力学第二定律，“三环节”法以全局优化为目的，依据能量在全局系统中的转变，从能流的变化方向对过程系统的用能状况进行本质、定量的描述。该方法可与较多优化技术（例如人工智能方法）配合使用，得到更为良好的能量分析效果，从而更为准确地发现系统用能瓶颈并进行改进。因此，开展了利用“三环节”法对某一集油站进行能耗分析，对其用能状况进行优化的研究工作。

1 集油站能耗分析

1.1 能量系统划分

以某集油站为例，利用“三环节”法对集油站进行能耗分析、优化。依据“三环节”法，将该集油站能量系统进行划分，具体划分见表1所示。

表1 某集油站能量系统“三环节”划分

1.2 物理结构

依据表1中对该站能量系统的划分，结合通用“三环节”能量结构模型及实际生产工艺流程可知，供入系统的能量主要包括电能EPE、井排来液能Ein及燃料能EPR。在该环节中的能量损失则包括机泵损失EWP、排烟损失EWX、散热损失EWD、化学不完全燃烧热损失EWC。进入并参与完成主要工艺过程的能量的总和称作工艺总用能EN，是反映能量工艺利用水平的指标[3]。工艺总用能包括工艺有效供能及回收循环能。在能量利用环节也存在相应的直接损失，这一环节的直接损失就是指设备的散热损失。回收利用的能量ERU包括回收循环能和回收输出能EE两部分，回收循环能ER主要是由换热器回收的稳定后原油带出的热量，并用来加热未稳定原油。回收输出能EE是指外输原油的能量，即EY。不能回收排弃能EJ包括设备散热损失EJD及污水带出系统的能量EJWS两部分。

1.3 数学模型

依据集油站能量系统物理结构，建立数学模型[4]。

（1）能量转换和传输环节。供入系统的能量EP=EPE+Ein+EPR；能量损失EW=EWP+EWX+EWD+EWC；工艺有效利用能EU=EP-EW。

（2）能量工艺利用环节。工艺总用能EN=EU+ER。

（3）能量的回收环节。回收利用能量ERU=ER+EY。

通过现场数据的分析计算，可绘制出该集油站“三环节”能流分布图，如图1所示。

图1 集油站“三环节”能流分布

2 能耗评价及节能措施

可分别利用能量转换率ηU（工艺过程有效利用部分的效率）、能量利用率ηT（能量工艺利用的程度）、能量回收率ηR（能量回收阶段的效率）来评价能量转换与传输环节、能量利用环节、能量回收环节；三个环节的分析指标分别为热能有效消耗率ξCh、电能有效消耗率ξCe、单位工艺能耗λ（外输单位质量的原油所要损耗的工艺能量）、有效回收利用率（有效回收的能量的回收率）。根据现场数据进行分析计算，评价指标及分析指标计算结果如表2所示。

表2 集油站“三环节”法评价及分析指标

表2中数据显示，能量转换与传输环节中能量利用存在较大的损耗，以电能损耗和热能损耗为主。针对该站主要耗能设备（加热炉和泵机组）进行评价分析，其结果表明：水套加热炉及稳定加热炉因吹灰装置失效而使得排烟温度较高，水套炉因未根据燃烧调整配风、燃烧系统密封不严及设备故障等原因造成过量空气系数偏高，增大了加热炉排烟热损失，不能达到《油田生产系统节能监测规范（SY/T 6275—2007）》要求；共监测11台泵，其中只有2台循环泵未达到要求的合格指标；所监测的泵机组中共有2台泵机组，负载率低，未达到要求的合格指标。能量利用环节中，其能量利用情况良好，表明所采用工艺流程较为合理。能量回收环节中，外输原油及高温污水带出较多热量，使得能量回收率、有效回收利用率低下，但具有较大的回收潜力。

现场调查及分析认为，可通过以下措施进行改进，以达到节能降耗的目的：①该集油站加热炉设备陈旧，已经超过其经济寿命，加热炉效率低下，需更换设备，对其运行参数进行调整，并对现有设备炉体进行改造；②循环泵因其内部或者管线结垢情况严重，使得管线阻力特性改变，能耗增大，需进行除垢；③泵机组负载率低，需选择合适的电机进行匹配；④高温污水所携带余热可用于加热来液，提高来液进入加热炉温度，提高加热炉效率并节约燃料；⑤外输原油所携带余热可用于加热未稳定原油。计算预测出该集油站节能潜力，见表3。

表3 集油站改造前、后节能预测

节能改造后，该集油站可每年节省燃料油约为1 060 t，节约电量为67 100 kW·h，年回收利润可达420万元，经济效益较大，认为“三环节”法可推广应用于集油站的能耗分析中。

3 结论及建议

集油站是油气集输系统中能耗的关键环节。分析集油站的工艺流程特点，以及各个工艺环节中的主要能耗设备，诊断出工艺流程环节和设备本身存在的问题，可通过节能改造带来较大的益处。

（1）应用“三环节”法对集油站整体用能情况进行过程能量分析。结合集油站各用能设备的特点以及现场实际工艺流程，将用能系统划分为能量转换与传输、能量利用、能量回收三个环节，建立“三环节”物理结构模型及数学模型。

（2）通过能量分析诊断出系统用能的薄弱环节，可通过改进加热炉运行状况、回收高温外输原油及污水余热等措施以达到节能的效果，“三环节”法用于集油站能耗分析能够取得较大的经济效益，适于推广应用。

[1]华贲．工艺过程用能分析与综合[M]．北京：北京烃加工出版社，1989.

[2]华贲．过程能量综合的研究进展和展望[J]．石油化工，1996，25（1）：62-76.

[3]华贲．炼油厂能量系统优化技术研究与应用[M]．北京：中国石化出版社，2008.

[4]邓毅．造纸企业能量系统“三环节”结构模型的建立和用能分析研究[D]．广州：华南理工大学硕士学位论文，2003.

（栏目主持张秀丽）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.6.032