“碳中和”背景下采油厂地面工程节能降耗问题研究

于鹏（大庆油田有限责任公司第十采油厂）

我国能源利用率低于西方发达国家10%[1]。习总书记提出2060 年争取实现“碳中和”，在此背景下，各行各业均开始实施绿色低碳发展。作为传统能源企业的重要生产单位，采油厂地面工程的耗能问题也需要尽快解决。从目前国内采油厂地面工程现状入手，从新能源的替代和生产运行优化对策方案等角度，研究出相关的节能降耗措施。

1 国内地面工程用能概况

1.1 地面工程常用流程现状

油气田行业内采油厂的地面工程涵盖油气田地面生产设施、辅助生产设施和其他相关的附属设施，主要有油气集输与处理、采出水处理、注水、供配电、仪表自控、通信、建筑与结构等系统。地面工程能保障油气达标外销、采出水回注等[2]。

目前我国的采油厂地面工程常用的集输工艺已逐步完善为各具特色的密闭全流程工艺，例如大庆萨尔图流程工艺、双管掺水集油流程、小环掺水流程等多种集输流程工艺，还有根据产油特性独创的流程工艺，例如稠油油田常用的掺稀油集输流程工艺、蒸汽集输流程等，含硫较高的油田常用的加氢脱硫工艺、气提脱硫工艺等，含砂量高的油田常用的重力脱砂工艺、离心脱砂工艺等，常见的三级布站双管掺水集油及处理流程见图1。

图1 三级布站双管掺水集油及处理流程

1.2 地面工程用能现状分析

目前采油厂的地面工程各类设备设施组成的系统中，耗能最多的是注水系统，其次是油气集输与处理系统。油田地面工程用能设备主要包括加热炉等加热设备、各类泵设施等，能源类型为电能、天然气和原油等。原油集输系统主要包括原油收集、集输、处理、储存和运输等多个生产环节，涉及的站场主要包括计量间、中转站、污水站、注水站等站库所、油库等，耗能情况见表1。

表1 耗能情况

其中耗能部分，中转站、污水站等站库集输系统耗能占据84%，尤其是以加热炉和锅炉耗能最高。以长庆油田为例，集输系统日耗电量超过160×104kWh，日耗煤量为300 t 左右，日耗油量大于600 t。数据表明集输系统耗能较大[3]，以集输系统为代表的地面工程各环节开展节能降耗研究。

2 采油厂地面工程节能降耗措施

2.1 新能源技术替代方案

从绿色新能源角度拓展思路，将传统耗能与可再生的低成本新能源结合，从能源结构上改变耗能的现状，可以有效降低传统能源消耗程度，达到节能降耗的目的。新能源种类主要考虑比较成熟的地热资源和光电资源，由于风电、核电前期成本较高，投入运行难度大，现实可行性较小，故不在考虑范围内。

2.1.1 地热资源挖潜利用

辽河、大庆等油田已开始利用废弃井改造为地热井，为油田生产提供热源[4]。目前可以采用多级梯次分类使用的方式，应用不同温度的热水，例如从地热井中采出70 ℃地热水把传热器内的介质升温至65 ℃，同时流出较低温度的地热水，再通过二次传热器与新的循环水合成更低温度（一般是26 ℃）的水回灌至地层。此外可以在换热流程中加入加热泵，只需要少量的能源加热，即可实现多类温度的不同使用，减少了传统能源在热量上的持续消耗，由此实现降低能耗的目标。

2.1.2 光伏发电替代利用

我国部分油田例如大庆、吉林、新疆等油田，分布在太阳能资源较丰富地带，各油田光能情况见表2。可以充分考虑目前采油厂所在区域土地使用情况、电力网络负荷能力等，采取分布式光伏电力系统，与现有电路结合，代替或者部分代替传统电能，以实现降低耗能、推进“碳中和”目标的实现。例如吉林油田应用光伏的区块年节电达936万元。

表2 各油田光能情况

2.2 生产方面优化运行对策方案

污水余热回用方案类似于地热资源使用流程，采用多级梯次分类使用方式，加热不同温度的热水。2020 年我国各油田折算后污水余热量高于142×104t 标煤[5]。若辅助少量传统能源加热后，升温80℃的高热量流动介质，可用于生产经营活动，例如外输油、脱水加热、冬防保温等热能需要。污水余热回用方案已经在大庆、辽河、新疆等油田地面工程中实现高效利用，产生了可观的节能降耗效果，例如吉林油田某联合站采取污水余热回用后，年减少天然气消耗1 040×104m3，年降低传统能源成本1 706 万元。

2.2.1 加热环节节能降耗对策

采油厂地面工程中消耗能量较大的各类环节中，突出集中在加热环节各类设备设施上，例如加热炉、锅炉等，故需要对此类设备开展节能降耗对策的研究，以加热炉为例。

1）加热炉运行优化对策。在选用高效雾化燃烧技术、蓄热燃烧技术、分级燃烧技术或富氧燃烧技术等新型技术的加热炉设备基础上，选择合理的空气过剩系数，防止过高或者过低的气体造成热量不必要的损耗或燃烧不充分的情况发生，此项工作可以按照图版进行多次试验，根据实际的设备运行情况，最终筛选出合理的空气过剩系数[6]。此外日常清理加热炉的污水结垢，也对加热炉的热传递效率有促进提升的作用。

2）加热炉节能涂料降耗对策。材料科学的发展给加热炉的节能降耗带来新的思路，在加热炉的受热表面上施加耐高温的节能喷涂材料，大幅度提升受热表面的热辐射吸收能力，转换空间内红外波为新的热辐射源，提升辐射表面的受热温度，可以大大提高热量的利用效率，传递给受热介质，从而达到现有耗能基础上，提升加热效果，变相的降低了同等温度下的耗能[7]。资料显示年平均节气达105×104m3。

3） 烟气余热回用对策。研究表明排烟降低13 ℃对应提升热效率1%[8]。所以在设备空间允许的基础上，可以采取对流室数量增加或面积扩大的改造方式，降低排烟温度，充分回用烟气余热，同时推广应用空气预热器和余热回收换热器，都可以实现烟气热量回收的效果，从而降低热量损耗，提升能源利用率。

2.2.2 电能优化使用对策

在采油厂地面工程的前期建设中，可以预先调整电力线路结构，优化电网的运行方式和状态，降低地面工程电网损耗，实现节能降耗。

目前无功补偿设备较多用来降低地面工程电网损耗情况。使用后能够将线路的损耗降低了10 个百分点，取得明显的节能效果。

除了无功补偿技术之外，电能优化使用对策更多的集中在用电设备方面。在采油厂地面工程中，注入系统中的各类泵机组是耗能大户，要及时淘汰老旧设备，及时更新节能型的离心泵、节能型电动机、变频调速技术应用等，满足运行效率的同时，降低电能损耗。同时还需合理使用参数[9]。我国各油田采油厂地面工程中，电动机的节能使用情况集中在三相双定子节能永磁同步电动机选用上。研究表明该电动机节电达30%[10]。虽然更换设备初期产生一定成本，但是从长期看，结合节能降耗的间接收益，长期经济效益可观。而在离心泵的优化使用中，应用泵内涂抹技术，能够有效降低泵内水力摩擦，大幅度降低水力损耗，提高单泵运行效率4.4%，降低单泵电能损耗5.44%。

2.2.3 现代信息技术使用对策

互联网已逐渐在节能领域应用。在条件允许的情况下，采油厂可以在地面工程范围内，建立数字化的耗能管理平台，时时更新各环节、每台设备的耗能数据。收集数据涵盖传统能源消费量、耗能投入比、产值综合能耗比、节能量、产值节能量等各种数据。由于各种历史数据和实时数据规模呈现超大规模，现有的设备和网络不能实现快速处理，所以需要借助云计算，及时计算出能耗数据和处理结果，立即计算出优化策略，及时传送给各级管理人员。由此实现通过大数据、云端等技术，及时优化运行参数、调整运行策略，从地面工程整体系统的运行上实现节能降耗目标。

3 总结

“碳中和”的目标提出是国家对高质量发展的新的要求，是推进包括油田在内的各大企业改革发展的新的契机。作为能源产业链重要环节的采油厂，地面工程作为耗能的主要领域需要加大力度研究节能降耗策略。从新能源替代、耗能的回收利用、设备的优化运行、电能的优化使用和现代信息技术的推广使用，可以大幅度提升现有能源的利用率，减少传统耗能，有效实现节能降耗的目标。