稠油采输系统的热力学分析

曹 鹏，吴 明

稠油采输系统的热力学分析

曹 鹏，吴 明

（辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁 抚顺，113001）

稠油采输系统输送大量能源，同时也消耗大量能量。分析了具体案例，计算了稠油采输系统三个子系统的热效率和㶲效率，并对稠油采输系统的热效率和㶲效率的影响因素进行分析。研究结果表明：在注气锅炉子系统方面，给水流量和蒸汽压力对系统影响较大；在集输子系统方面，蒸汽干度对系统影响较大；在集输子系统方面，加热炉进风温度对系统影响较小。

稠油采输；热效率；㶲效率；影响因素

稠油采输系统作为原油采输的主要方式，发挥着重要的作用。其自身输送大量能源，但从原油的收集到加工为符合输出要求的合格原油的过程，也消耗大量的电能和热能。在稠油生产过程中，稠油采输系统各环节均存在不同程度的能量损失。对于石油企业而言，节能降耗是降低成本和提高经济效益的关键。对稠油采输系统能耗的影响因素进行分析，找出系统用能的薄弱环节，能为改造现役油气采输系统提供依据，以便达到降低生产成本、提高经济效益的目的。

1956年，南斯拉夫学者Z.Rant正式命名了一个新参数“exergy”(即㶲)[1]，㶲这个评价能量价值的物理量和㶲分析，是在1957年传入我国的[2]。杨东华[3]提出了四种工程意义明确而又严密的㶲效率定义，并分别对各种具体情况提出了各类热工设备的合理的㶲效率。20世纪80年代中期，Soma J在他建立的能量超越方程[4]的基础上，首次提出了㶲传递的概念[5]定义，项新耀[6]引用“㶲阻”的概念，以热力学与传输原理相结合的方法为基础，提出了㶲传递分析。基于以上研究，本文建立油田稠油采输系统“灰箱”模型，讨论了三个子系统中不同因素对热效率和㶲效率的影响及其变化规律，以期为提高油田采输系统能源利用效率提供一定的理论依据。

1 稠油采输系统模型的建立

1.1 稠油采输系统“灰箱”模型建立

稠油采输系统首先由注汽锅炉产生具有一定状态的湿蒸汽，然后注入到油层中，将热量传递给油层，使稠油温度升高而具有一定的流动性，再从油层采出稠油混合物经过集输系统进行油品混合物的分离，最后得到所需要的稠油和天然气。

将稠油采输系统分成三个部分，即注汽锅炉子系统，注采子系统，集输子系统。将它们看成三个黑箱模型，则可将整个系统当做灰箱模型进行分析。稠油采输系统的灰箱模型如图1所示。

式中：EN为系统的总供给㶲，kJ/h；ENi为第i个子系统的供给㶲，kJ/h；ELj为第j个子系统的㶲损，kJ/h；El为注汽锅炉子系统的传热及不可逆燃烧㶲损，kJ/h；ETy为注汽锅炉子系统的排烟㶲损，kJ/h；El1为注采子系统的㶲损，kJ/h；El2为集输子系统的㶲损，kJ/h；Ew为集输子系统的分离出污水带走的㶲，kJ/h；Ez为系统的总有效㶲，kJ/h。

注汽锅炉子系统供给㶲为：

注汽锅炉子系统有效㶲为：EZ1=Eq-Es(5)

注汽锅炉子系统㶲损为：

式中：Ef为注汽锅炉的燃料㶲，kJ/h；ER为进入注汽锅炉空气的物理显㶲，kJ/h；Eq为注汽锅炉产生蒸汽的㶲，kJ/h；Es为进入注汽锅炉的给水㶲，kJ/h；Ir为注汽锅炉燃烧不可逆的内部㶲损失，kJ/h；I0为注汽锅炉其他外部㶲损失，kJ/h；Ic为注汽锅炉传热㶲损失，kJ/h。

注采子系统供给㶲为：EN2=Eq+Ed1(7)采子系统有效㶲为：

注采子系统㶲损为：EL2=El1(9)式中：Ed1为注采子系统消耗的电㶲，kJ/h；Q为注采子系统加热油层的热量，kJ/h；Toil为油层的温度，K；Tc为采出油品混合物的温度，K。

集输子系统供给㶲为：集输子系统原油提高的能量定义为有效㶲，则：

集输子系统㶲损为：EL3=El2-Ew(12)

式中：Ef2为进入集输子系统的燃料㶲，kJ/h；Ed2为集输子系统消耗的电㶲，kJ/h；ER1为进入集输子系统空气的物理显㶲，kJ/h；E`0为进入集输子系统的油品混合物物流㶲，kJ/h；E0为采出混合流的物流㶲，kJ/h。

1.2 数学模型的建立

与热力学第一定律建立的能量方程、能量分析方法以及用能评价准则相对应，从工程应用角度，跟据热力学第二定律和㶲概念相应地建立了㶲方程、㶲分析方法以及用㶲评价准则，而有[7]：

式中Esup为供给㶲，Eef为有效㶲，Eloss为损失㶲，ηε为用㶲效率。

式中Ex,sup为供给能，Ex,ef为有效能，Ex,loss为损失能，λε为用能效率。

1.3 基础数据

稠油采输系统基础数据如表1所示。

1.4 算例分析

注汽锅炉子系统，注采子系统和集输子系统的热平衡和㶲平衡计算结果分别如表2，表3，表4所示。

2 稠油采输系统热效率和㶲效率影响因素分析

2.1 注气锅炉子系统热效率和㶲效率影响因素

在注汽锅炉子系统中给水压力、给水温度、给水流量、进风温度、蒸汽压力、蒸汽干度、过量空气系数对热效率和㶲效率均有影响，其中给水流量对效率影响较大。给水压力每增加 0.5MPa热效率降低0.017%，㶲效率降低0.017%。给水温度每增加10℃热效率降低0.30%左右，㶲效率增加0.41%左右。进风温度每增加10℃，热效率提高0.24%左右，㶲效率提高0.23%左右。蒸汽压力每增加0.5MPa，热效率下降 0.62%左右，㶲效率下降0.28%左右。蒸汽干度每增加5%，热效率降低0.39%左右，㶲效率降低0.05%左右。过量空气系数每增加0.5，热效率下降0.15%左右，㶲效率降低非常小。

2.1.1 给水流量的影响

给水流量每增加 0.2t，热效率和㶲效率分别提高0.70%和 0.30%左右。给水流量与注气锅炉子系统热效率和㶲效率的关系见图2。

2.2 注采子系统热效率和㶲效率影响因素

注采子系统中注气压力和蒸汽干度对热效率和㶲效率有影响，其中蒸汽干度是主要影响因素，注气压力每增加0.5MPa，热效率增加0.45%左右，㶲效率增加0.07%左右。

2.2.1 蒸汽干度的影响

蒸汽干度从 55%提高到 60%,热效率和㶲效率分别下降0.80%和0.20%，蒸汽干度从95%提高到100%，热效率和㶲效率分别下降0.65%和0.16%，随着蒸汽干度的增加，蒸汽干度对热效率和㶲效率的影响减小。蒸汽干度与注采子系统热效率和㶲效率的关系见图3。

Thermodynamic Analysis of Heavy Oil Recovery and Transportation System

CAO Peng, WU Ming
（College of Petroleum and Nature Gas Engineering,Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

Heavy oil recovery and transportation system transports large amounts of energy, but also consume a lot of energy. Through analysis of the specific case, the thermal efficiency and exergy efficiency of three subsystems in the heavy oil recovery and transmission system were calculated, and influence factors on thermal efficiency and exergy efficiency of the heavy oil recovery and transportation system were analyzed. The results show that: in the gas injection boiler subsystem, water flow and steam pressure has greater impact on the system; in the injection-production subsystem, steam dryness has greater impact on the system; in the gathering subsystem, the heating furnace inlet air temperature has less influence on the system less influence.

Heavy oil recovery and transportation; Thermal efficiency; Exergy efficiency; Influencing factors

TE 832

： A

： 1671-0460（2015）05-1135-03

2014-12-7

曹鹏（1990-），男，辽宁抚顺人，硕士研究生，2012年毕业于辽宁石油化工大学油气储运专业，研究方向：油气集输。E-mail：279813661@qq.com。