分布式能源联供技术在油田的应用

李琼，李正茂，刘维功

（中国石化抚顺石油化工研究院， 辽宁 抚顺 113001）

分布式能源联供技术在油田的应用

李琼，李正茂，刘维功

（中国石化抚顺石油化工研究院， 辽宁 抚顺 113001）

提出了适用于油田的天然气综合利用方案，开发了热电联供技术，介绍了热电联供装置的组成、选型原则以及在油田的实际应用方案和效果，提高了能源综合利用效率，降低了生产运营成本，适应油田电力和热能的需求，实现了“低碳环保、能效倍增”的生产目标。

分布式能源；热电联供；工程应用

Abstract:A comprehensive utilization scheme of natural gas in oilfields was presented, the cogeneration was developed, composition and selection principle of the cogeneration device were introduced as well as its application program and effect in oilfields. The results show that the technology can improve energy use efficiency, reduce the production cost, adapt to the oilfield electricity and heat demand, realize "low carbon environmental protection, energy efficiency doubling" production target.

Key words:Distributed energy; Combined heat and power supply; Engineering application

分布式能源因其低碳环保、能源利用率高等特点越来越多地应用于油田。油田在开采过程中会产生数量可观的伴生气和天然气，同时部分地区有电、冷、热负荷需求。利用油田的伴生气和天然气资源，结合天然气发电机和储能装置，通过热电联供或冷热电联供等方式为企业提供分布式电源的同时满足区域内冷、热负荷需求[1]。采用分布式能源联供是解决油田企业用能需求，提高能源利用效率，利用风、太阳能等清洁能源，减少温室气体排放的最佳方式。

目前油田电网存在主要问题[2]：

1）电力采用网购方式，受地方供电条件限制，安全性差，每年需要支付网购电费和基本容量费；

2）有低压排空天然气，燃烧后进行排空处理，不仅污染环境，而且造成能源浪费；

3）两台水套炉需要燃烧天然气供热，需要消耗天然气；

4）电气解、并列操作需要运行人员到高压开关室手动操作，自动化程度低。

分布式能源联供技术可解决以上油田电力不足、环境污染、能源利用率低等问题。因此，分布式能源联供技术的研究对油田的环保低碳发展尤为重要。

1 天然气发电技术

天然气资源丰富的油田，建设天然气内燃发电机组，与地区电网组成双电源为油田供电，能够提高系统的供电可靠性。

平时通过天然气发电机组满足站内用电需求，与网电解列，按孤岛模式运行。利用放空天然气，通过天然气发电机组满足油田用电需求。当发电机组故障或检修时，通过自动控制装置合上网电开关，断开发电机组开关，由网电提供电力供应，实现无扰切换。

2 分布式能源联供技术

油气田分布式能源热电联供装置包括：天然气发电机组、机组保护及自动解、并列装置与微网控制器、余热利用设备和自控监视系统，能够测试验证系统可靠性，提高天然气综合利用效率。

该装置主要包含发电、余热利用和自控监视三部分。

2.1 发电系统

天然气进入内燃发电机组，在内燃机中燃烧后将热能转化成机械能带动转子旋转切割磁力线产生电能。电机发出的400 V交流电，经变压器升压至10 kV，并入变电所10 kV母线，提供设备用电。

2.2 余热利用系统

内燃发电机组余热利用主要包括高温烟气和高温缸套水两部分。

（1）高温烟气部分：天然气在内燃机中燃烧后排出烟气温度达到 550 ℃，通过气/液热管式换热器将循环软化水加热到90 ℃[2]，并入水套炉系统，为热负荷提供热源。多余的烟气通过旁路从带有消音器的烟囱排空。当烟气余热利用系统故障时，可通过原水套炉燃烧天然气为热负荷提供热量。

（2）高温缸套水部分：内燃机高温缸套水出口温度为75 ℃，通过防冻液/水板式换热器将水加热到60～70 ℃，并入水套炉系统，为热负荷提供保温和伴热。根据设定水套炉循环水出口温度调整混水三通阀开度，多余的高温缸套水进入内燃机发电机组自带的空冷系统中降温后循环使用。在缸套水余热利用系统故障时，可通过原水套炉燃烧天然气为凝液储罐和底水罐提供热量。

2.3 自动控制监视系统

主要包括发电机组自动解并列和余热自动控制、远程监控系统。

发电机组自动解并列和策略控制系统设置了内燃机启动、故障和检修三种策略，实现发电机与电网的自动同期、解列和并列操作，并且满足IEC61850/DLT860规约。利用光缆快速传输特点，现场集控室可实时了解发电机组运行情况，如电气参数、状态变化、报警信号以及装置效率等。另外，油田生产系统可通过远程监控系统对热电参数实时监控。

3 工程实施

将油气田分布式能源热电联供装置应用于某油田集输站。系统采用流程式布置，兼顾同类设备相对集中的原则。天然气内燃发电机组采用撬装形式，布置在集输站外原自留生活用地上，与集输站保持足够的安全距离。烟气余热利用装置布置在天然气内燃发电机组撬装装置的上面，既节省了空间，又减少烟气的阻力，保证发电机组正常排烟。在天然气内燃发电机组装置旁设立就地泵房，集中布置余热利用系统的水泵、板式换热器和现场PLC控制柜。余热利用系统管道采用防腐保温后埋地布置，既节省空间，又减少外界环境对系统的影响。现场数据通过埋地光缆传输到集控室（图1-2）。

图1 天然气处理站热电联供监控系统现场效果图Fig.1 Field performance diagram of cogeneration control system for gas processing station

图2 分布式能源联供监控图Fig.2 Distributed energy supply monitoring chart

3.1 设备选型原则

（1）根据集输站内主要用电负荷情况（主要是丙烷压缩机、泵和电机），结合今后五年的发展规划，并考虑到内燃发电机组在孤岛运行方式下长期宜带70%额定负荷的情况确定选择天然气内燃发电机组。

（2）根据原水套炉设计资料，设计烟气余热回收利用系统，可实现利用发电机高温烟气余热完全替代水套炉，为凝析油处理提供热量。根据设定循环水出口温度调整混水三通阀开度，多余的高温缸套水进入内燃机发电机组自带的空冷系统中降温后循环使用。

采用热管式换热器替代原设计的传统的管板式换热器，可以提高换热效率，减少换热器体积，便于安装，减少烟气阻力，保证发电机正常工作。同而且能够避免低温腐蚀现象发生，提高了设备使用率[3]。热管式换热器将烟气中热量回收用于加热软化水，并入水套炉水侧循环使用。根据设定凝析油出口温度调整烟气三通阀开度，多余的烟气通过烟气三通阀旁路通过带有消音器的烟囱排空（图3-4）。

图3 热管式换热器原理图Fig.3 Schematic diagram of heat pipe heat exchanger

图4 热管式换热器Fig.4 Heat pipe exchanger

与传统换热器相比，热管换热器主要有以下的特点：

a）换热效率高：热管具有较高导热率，导热能力是同等银导热量的2 000倍，紫铜的6 000倍。传热系数K与传统管板式换热器相比可提高5～10倍。同等换热量的条件下，高换热效率可缩小换热面积，减小设备的体积，减轻设备重量，便于在撬装燃气发电机组集装箱上安装，使整个装置结构紧凑、布局方便。

b）流体阻力小。两种介质同时在管外顺着散热片方向流动，缩减了流程，而且降低了流动阻力[4]。由于燃气发电机的排气压力一般为 3～4 kPa，压力较低，减少烟气的流动阻力，可防止因阻力大导致发电机排气背压升高，影响发电机组的正常工作。

c）管壁温度可调可控[5,6]。当管壁温度较低时，硫酸蒸汽凝结在受热管壁上，使受热管壁腐蚀。为了避免这一现象，将蒸发段和冷凝段的热接触面积设计为可调，从而控制管壁温度，防止低温腐蚀现象发生。于此同时多余热量得以回收，增加了能源利用效率。

d）工作安全可靠。热管式换热器具有无噪音、热管独立工作、冷热介质管外流动等特点，设备运行可靠率高，延长了使用时间。

（3）将余热回收利用系统主要参数传至泵房内PLC中，与高压配电室内信号和发电机组的信号一起通过光缆传输到集控室中，便于操作人员及时掌握现场运行情况，进行相应的调整。

采用微网控制器和保护装置实现发电机自动同期、并列、解列和策略控制。

通过远传监控系统可以及时了解系统能源利用率。

3.2 余热利用自动控制系统

为了充分利用发电机余热，满足生产工艺的要求，保证装置的安全经济平稳运行，本系统内设置了余热利用自动控制装置。该装置可控制进热管换热器的烟气量以及水套炉出水温度。当测量温度高于目标值时，关小热管换热器开度，开大旁路直通门开度。当测量温度低于设定值时，调大热管换热器开度，减小旁路直通门开度。

3.3 自动控制监视系统

自动控制监视系统实现数据采集、系统监视、分布式供电系统电气控制、内燃机和供热的运行状态监视等功能，以及发电机继电保护、分布式电源同期并网控制、机组程序化控制策略和智能防误操作，并且需要满足IEC61850（表1）。

表1 自控系统组成和功能Table 1 Composition and function of automatic control system

自控系统为分层、分布式架构，由下而上分为三层：间隔层设备、网络通信层、站控层设备。其中，间隔层设备有保护测控装置、PLC等智能控制设备组成，站控层由监控主机以及微网控制器等组成，站控层信息通过经光纤与远方控制中心通信，组成远方监控系统。

（1）数据采集

采集重要测点信号及设备状态信号，及时向操作人员提供运行信息。内燃机和供热运行信息、管道参数信息等，通过硬接线的方式，连接到本地IO控制器接入控制室PLC，完成数据采集。然后使用Modbus协议通过通信管理机接入系统。相关保护信号使用IEC61850协议直接接入后台监控系统。

通信采集主要分以下两类：

①电气信息采集：通过传统电气量传感器(CT、PT)将模拟量上送到保护测控单元后转换成数字量，并通过网络通讯的方式以 IEC61850协议提供给后台监控系统；

②内燃机与供热信息的采集：内燃机和制热系统的所有信息通过远程 IO以现场总线的方式外送给通讯层控制站，经通信管理机以 Modbus协议提供给后台监控系统。管道的阀门开度，分支管道的冷水流量和温度等通过4～20 mA的变送器将模拟量送到PLC，转换成数字量以后经过通信管理机以Modbus协议送到后台系统。

（2）状态监测

控制系统就地控制模块具有人机交互的接口。控制模块提供RS232接口，通过开放的Modbus通信协议和接入后台DCS系统读取运行相关参数，进行相关控制。后台监控通常只提供相关的参数设定、模式控制和简单的启/停操作。

3.4 实施效果

热电联供试验装置利用放空天然气发电，年节约成本58.9万元，标准化后2年可收回设备投资。采用天然气分布式发电为集输站提供所需电力，降低了系统对电网的依赖，与网电相结合，构成双电源模式，提高了系统的安全性。

Application of Distributed Energy Supply Technology in Oilfields

LI Qiong, LI Zheng-mao, LIU Wei-gong

（Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals, SINOPEC, Liaoning Fushun 113001, China）

TE 09

A

1671-0460（2017）09-1862-04

中国石油化工集团公司资助项目，项目号：总合JN1309。

2017-08-02

李琼（1988-），女，吉林省四平市人，助理工程师，硕士，2013年毕业于南昌大学电机与电器专业，研究方向：从事石化行业电力仿真工作。E-mail：liqiong.fshy@sinopec.com，电话：024-56389339。