集油站能耗分析与应用

杨增森，孙宝国

(中国石化胜利油田分公司 石油开发中心有限公司生产技术科， 山东 东营 257000)

20世纪90年代以来，由于油田开采周期较长，我国主要油田如胜利、大庆油田等当前的采出液已处于高含水阶段[1,2]，随开采原油含水率的不断增加，需要处理的采出液量及污水量也不断增加，进而油气集输系统的耗能持续上升。调查表明，在原油生产过程中，油气集输系统耗能占总能耗的30%～40%[3,4]，所以为了缩减油田开发生产中耗能，应将降低集油站的能耗摆在首位。集油站的基本流程主要包括油气水分离、原油脱水及稳定、天然气净化回收及采出水的处理等。由集油站的基本流程可得出其主要特点：①系统工艺流程复杂；②系统中不确定因素较多，变量较多；③相关性、连续性为主要特性。通过以上特点，对整个集油站系统的主要能耗部位进行分析，可以得到：调整流程中关键的参数后，能减少总体能量的消耗，进而改善企业的总体效益。因此认识集油站的能耗情况对减少整个油田的能耗有着积极、重要的作用。

1 集油站能耗分析

目前，多家石油石化单位已成功运用Bodo Linnhoff等[5～7]提出的夹点技术和华贲[8～10]提出的“三环节”能量分析方法指导生产降耗工作，通过改进能量系统的具体运行参数，能够降低设备设施在运行中的能耗，减少企业的能耗损失。“三环法”的建立以热力学第二定律为依据。立足于过程系统的全局优化，通过分析不同形式能量在系统内的转化规律，可以从本质上定量地阐述系统内耗能的能流的变化。“三环节”法能与数学规划法、试探法、人工智能等其他形式的优化技术相结合，达到更加准确能量分析效果，通过明确、定位系统中用能障碍及节能改进的环节，减少企业的能耗，提高企业的经济效益。

1.1 集油站能量系统划分

根据提出的“三环节”理论的方法，集油站的工艺流程包括能量的转换和传输环节、能量工艺利用环节及能量回收环节如表1所示。

表1 根据“三环节”划分的能量系统

1.2 集油站物理模型的建立

根据集油站的实际生产工艺流程及集油站能量系统的划分(见表1)，应用 “三环节”能量结构模型，建立集油站能量系统的模型(见图1)。

1.3 集油站数学模型的建立

供入系统电能的等价热量EPE如下：

EPE=ξEQE

(1)

式中，QE为系统耗电量，(°)/h；ξE为电能二次能源的折算系数，取3 600。

物流带入或带出系统的能量如下：

(2)

式中，EW为流体携带或带出系统的能量，kJ/h；G为进出系统的物流质量流量，kg/h；Cpm为出入系统的流体定压比热容，kJ/(kg·℃)；T、T0为流体温度与其基准温度，℃，T0=0 ℃；P、P0为流体压力与其基准压力，MPa，其中P0=0.1 MPa；ρ为物流密度，kg/m3。

燃料供入系统的能量EPR如下：

(3)

回收循环能ER主要指换热器回收的油水混合物所含的热量，如式(4)所示。

ER=GhsCps(ths1-ths2)V+GhsCpy(ths1-ths2)(1-V)

(4)

式中，Ghs为油水质量流量，kg/h；Cps、Cpy为回收水与油的比热，kJ/(kg·℃)；

thc1、ths2为开始温度与终止温度，℃；V为混合液的含水率，%。

散热损失计算如下：

(5)

式中，ESR为设备散热量，kW；Kij为第j台i类设备从工质流体到环境的导热系数，W/(m2·℃)；Fij为第j台i类设备的总散热面积，m2；Tcpij为第j台i类设备内流体的平均温度，℃；Te为环境温度， ℃，取当地环境温度为20 ℃。

2 集油站“三环节”法能耗评价准则

根据《油田生产系统能耗测试和计算方法》(SY/T5264—2006)，提出下列指标以便于进行生产节能评价。

2.1 能量转换与传输环节能耗评价

1)评价指标

(6)

式中，ηU为能量转换率，%；EW为该环节直接散失的能量，kJ/h；EP，Ein为外界的总供入能与井排来液供入能，kJ/h。

2)分析指标

①热能有效消耗率

(7)

②电能有效消耗率

(8)

2.2 能量利用环节能耗评价

1) 评价指标

(9)

式中，ηT为能量转换效率，%；EUD，EN为该环节中损失能量与工艺总耗能，kJ/h。

2) 分析指标

(10)

式中，λ为工艺耗能，kJ/h；GCP为外输油品流量，t/h。

2.3 能量回收环节能耗评价

1) 评价指标

(11)

式中，ηR为回收能量效率，%；ER，EE，EO为能量回收环节的循环能量、输出能量与待回收能量，kJ/h。

2) 分析指标

(12)

根据建立的“三环节”法，对比、分析提出的评价、分析指标。1)在能量转换、传输环节中，提出了两个分析指标，热能、电能有效消耗率，其中分析指标确定了在系统内被消耗能量的形式，并且两种指标的大小反映不同形式能量消耗的具体情况；2)在能量利用环节中，提出了工艺能耗的概念及计算公式，单位工艺能耗为生产单位质量产品与生产该产品过程中所消耗的能量的比值，表征在这一环节中能量的损耗程度；3)能量回收环节中，比较评价指标、分析指标，计算发现二者的差值为回收输出能，集油站回收输出能主要为外输原油携带出系统的能量，一般情况下，这部分能量不回收利用，可不计入，所以分析指标更能充分地指导实际工作。

综上所述，两种指标不仅针对性更强而且适用范围更加宽阔，且两种指标互补优缺点，评价指标反映理想状况下系统的能耗情况，所以两种指标相辅相成、缺一不可。

3 集油站节能潜力预测

集油站的设计参数为：原油处理和外输量为150×104t/a，污水处理量为2×104t/d，原油稳定量为75×104～90×104t/a，轻烃回收量为3×104～5×104m3/d。工艺流程如图2所示。

集油站的能耗评价指标与分析指标的优化结果，见表2。

表2 由“三环节”法评价指标与分析指标

针对各个环节的能耗重点，通过节能技术整改手段，提高集油站的能量利用效率，降低了能源的占用和消耗，集油站的节能预测效果，见表3。

通过对以上三个能量环节进行节能改造，提高了系统的能量利用率，节能改造后，集油站每年节省燃料油1 057.5 t，节约电量67 097度，回收利润约为424万。

表3 集油站改造前后节能预测情况

4 结论

根据“三环节”法对集油站耗能情况进行分析。依据规范《油田生产系统能耗测试和计算方法》(SY/T 5264-2006)，针对具体环节的用能情况，提出相应的分析指标，并结合建立的“三环节”评价指标，更加有效判断出系统用能的主要环节。