油田地面集输系统碳排放计算分析

罗 舜 郭林琼 刘 扬 魏立新

（1.大庆油田工程有限公司；2.东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室）

近年来，我国经济的高速发展大多建立在能源高消耗的基础上，能源的高消耗又必将伴随着大量的CO2排放，CO2是温室气体的重要组成部分，其排放量的增加会导致大气中温室气体的浓度上升，进而加剧温室效应，导致气候变暖、冰川消融、海平面上升、气候异常及影响人类健康等一系列危害。 以往我国高度重视各企业带来的经济效益（期望的产出），而在一定程度上忽视了随之带来的环境影响等负面后果。 随着全球环境气候的变化，国家越来越重视保护环境，企业也通过大力推进节能减排的生产方式减少对环境的破坏。 石油石化行业是我国碳排放来源之一，该行业既生产能源同时也消耗能源。 油田各项生产在消耗能源的同时不可避免地产生了大量的温室气体，为实现国家温室气体减排目标，促进石油化工行业的可持续发展，需要加强环保工作的研究力度。 油田企业作为消耗能源排放CO2的大户，其中消耗能源占比近半的重要环节——地面集输系统不容忽视，对该系统进行碳排放计算分析具有重要意义［1］。

大庆油田经过多年的开发，集输系统生产运行参数发生巨大的变化， 油气集输系统效率降低、能耗升高，CO2排放量增加［2］，通过建立油气集输系统碳排放计算模型， 分析其主要影响因素，为制定相应的节能减排措施提供合理的依据和科学的指导。

1 集输系统工艺流程及碳排放源识别

1.1集输系统工艺流程

集输系统工艺流程按管网布局形状分为树状和环状集油流程，按油品加热方式分为加热集油流程和掺水集油流程。 最终集输油流程由管网布局和加热方式组合确定，其中最典型的、国内油田广泛采用的是树状掺水集输油流程［3］。 笔者以树状掺水集输油流程为例对集输系统进行碳排放分析，流程图如图1 所示，由图可见主要能耗设备为机泵和加热炉。

图1 树状掺水集输系统集输油工艺流程

1.2集输系统碳排放源识别

碳排放营运活动为系统边界范围内与集输系统相关的温室气体的活动，主要包括加热油品时热力消耗引起的碳排放、油品输送时动力消耗引起的碳排放及分离净化等生产设备耗电产生的碳排放［4］。

CO2直接排放的活动为热系统， 主要是加热炉和掺水炉的燃料燃烧。 CO2间接排放的活动有电系统，主要是站内所有泵机组用电、燃烧设备用电和分离装置用电产生的间接CO2排放（生产电力时燃烧燃料发电产生碳排放）， 虽然这部分CO2在系统边界以外， 却是由于系统消费购买而造成的。 CO2其他间接排放的活动主要是外引气的处理过程产生的，在集输系统运行不需要外引气时可忽略。

2 集输系统碳排放计算方法

为了使温室气体排放的量化、监测、报告、审定和核查具有明确性和一致性， 英国标准协会（BSI）和国际标准化组织（ISO）、政府间气候变化专门委员会（IPCC）、世界资源研究所（WRI）及时间持续发展商业理事会（WBCSD）等先后建立了一系列与温室气体量化和报告相关的规范和指南，涵盖了国家、企业（组织）、产品和服务及个人等层面。 这些标准的实行和推广，为促进全球温室气体减排起到了巨大的推动作用［5］。

这些规范和指南分别基于终端消耗、全生命周期两个层面提供了温室气体排放和清除量化及报告的方法论指导和操作性规范。 无论是基于终端消耗还是基于产品/服务的全生命周期来识别温室气体排放源，其基本的思路如图2 所示。

图2 温室气体排放源识别的基本思路

2.1碳排放核算边界

集输系统的碳排放边界，可以定义为油田油气集输环节的基本生产系统边界。 根据集输系统流程图，边界区域空间范围划定为井口到联合站所有涉及CO2排放的营运活动；边界时间范围划定为根据企业是否需要了解和能否获取有效运行参数确定的一段统计期。

2.2碳排放计算模型

2.2.1直接CO2排放量的计算

石油化工生产企业直接碳排放有两种计算方法［6］。

按燃料实际燃烧消耗和燃料的实测碳含量加权平均值为基准计算CO2排放量：

式中 CEi——某一种燃料燃烧产生的CO2排放量，t；

CFi——该种燃料的碳含量，%；

CRi——该种燃料燃烧的碳转化率，%；

FQi——该种燃料的用量，t。

其中，44、12 分别为 CO2的相对分子质量和碳原子的相对原子质量。

根据燃料的热值和对应的CO2的排放因子进行计算：

式中 EFi——燃料的排放因子，kgCO2/MJ；

HVi——燃料的低位热值，MJ/kg。

2.2.2间接CO2排放量的计算

油气集输系统所涉及的间接CO2排放为系统运行用电所对应的CO2排放，可根据实际消耗量和相应的排放因子进行计算。 计算公式为：

式中 BQ——外购电力的数量，kW·h；

EF——外购电力所对应的排放因子，kgCO2/（kW·h）（国网供电排放因子参照国家发展和改革委员会公布的最新数据，国网供电最新公布国家平均生产电力CO2排放因子为0.86kgCO2/（kW·h））；

IE——外购电力对应的间接排放量，t。

3 集输系统碳排放计算分析

3.1碳排放量计算

根据集输系统流程图和排放源识别可知，笔者所探讨的集输系统碳排放为集输系统内转油站中的泵和加热炉耗能所致，因此将集输系统内转油站的耗能和运行参数作为碳排放分析样本，进而分析系统整体的碳排放状况。 以中国石油大庆油田某个集输系统为例进行碳排放分析计算，数据来源为大庆油田某外围采油厂的一个转油站2015~2017 年的运行参数，利用石油化工企业碳排放计算方法，根据转油站综合耗气量和耗电量计算集输系统CO2直接排放量和间接排放量。为了直观地展示计算结果，将计算结果绘制在折线图中（图3a~c）。集输系统消耗能源的直接目的是为系统中管道运行提供动力，为了便于后面的分析，将集输系统管道运行环境也绘制成曲线图（图3d）。

图3 2015~2017 年计算结果

3.2计算结果分析

集输系统可看作是由系统内多个转油站子系统组合而成的，因此分析其中某个转油站的碳排放规律，可反映出集输系统的碳排放规律。 利用该转油站3 年的碳排放量化结果结合集输系统内转油站运行数据，对集输系统的碳排放规律进行分析：

a.集输系统直接碳排放量明显多于间接碳排放量。 由图3a、b 可看出，直接 CO2排放量远大于间接CO2排放量，因此总CO2排放量的变化规律也主要由直接CO2排放量决定（图3b、c）。说明集输系统热能消耗产生的碳排放量大于电能消耗产生的碳排放量。 加热炉的状况优劣以及运行参数如各站加热温度、输量等直接影响着碳排放量的多少。 确定合理的运行参数并定期进行加热炉的维护对减少油田碳排放起着重要的作用［7］。

b.碳排放量随季节变化明显。 为保护埋地管道免受地面设施、车辆等的损害，管顶覆土要求不小于0.8m，为了分析管道周围环境对集输系统碳排放的影响，按一般管道埋深（管中心距地表距离）1.2m 计算集输系统管道周围土壤温度，管道埋深处土壤温度随季节变化规律如图3d 所示。 由图3c、d 可看出，碳排放量随季节成反相关的关系，这是由于环境温度高，集输系统内管道热能耗散少，需要的热能供应少，燃料使用量减少，从而使碳排放量减少。

c.集输系统运行过程中碳排放量和输油量有着密不可分的关系。 2015~2017 年转油站运行数据显示不同年份（同一月份）输油量是总体递减的趋势，同一月份同一转油站相对来说对运输温度要求相近，对比3 年来同一月份的数据（1~3月份） 碳排放量随着输油量的变化波动不大，这是由于1~3 月份环境温度低， 需要的热力消耗大，从而使环境因素占主导地位，碳排放量总体较大。4~12 月份，热力消耗影响地位下降，碳排放量随着输油量变小而变小，然而输油量继续变小时碳排放量反而又增大。 由于集输系统通过掺水量可控制输油量，因此寻找合适的运行输量以达到CO2低排放的状态是非常有必要的。 CO2年总排放量与总输油量的关系见表1， 由数据也可看出输量调节对减少碳排放具有积极作用。

表1 转油站输油量与碳排放量关系

4 结束语

通过建立集输系统碳排放计算模型，对集输系统碳排放进行计算分析，明确集输系统碳排放规律及其影响因素，为集输系统实现节能减排提供了可靠的依据。 针对集输系统碳排放影响因素，集输系统实现减排的途径主要可从设备和运行参数两方面着手。 针对集输系统直接碳排放占主导作用，可以从加强加热炉的设备管理，提高加热炉效率来促进减排工作。 针对集输系统碳排放随环境（季节）、输量变化，可以从碳排放最小为目标入手， 研究集输系统减排优化运行方案。制定不同月份的最优运行方案，使得集输系统实现绿色环保运行。 集输系统碳排放的量化和减排方案的探索，是集输系统实现节能减排，响应时代要求的必然趋势。