基于过程方法的原油集输系统能耗分析及节能对策

张田

（大庆油田有限责任公司第一采油厂）

自《京都议定书》生效以来，国际国内对能源供给与消费都提出了绿色低碳化的更高要求[1]。石油作为世界第一大能源，直接影响着世界各国经济发展的诸多领域，虽然国际在减少“碳排放”的目标上达成了公约协议，但是，在目前的国际新冠疫情形势背景下，各国对石油的需求并没有显著地减少。而原油生产过程中，传统的油气集输系统中存在着较大的能源消耗[2]，这就加大了我国达成双碳目标的难度，也增加了石油生产企业的成本，既不利于石油工程经济效益的实现，也不利于突出我国石油企业整体节能降耗的社会责任。通过对原油集输系统过程的分析，总结集输系统的能耗，有的放矢地提出节能对策。

1 能耗分析

1.1 集输系统简介

油气集输系统是专门进行油气资源集中、运输、存储和初加工的系统[3]。这一系统起始于原油井口，由抽油机将原油及其伴生物质提升出来，然后经过管道集中，并在场站进行必要的处理和加工。经过处理加工后的原油再经管道输送至其他场所。总而言之，概括起来，原油集输系统是生产合格原油的系统，其包含了：采油、输油、集油、处理原油等生产过程。

1.2 能耗分析

原油集输的各个过程都有能量的消耗。例如：在采油过程，需要消耗电能使电动机转动，用来维持抽油杆带动井抽油泵上下运动，从而把原油抽出。所以，在分析整个集输系统的能耗情况时，运用过程方法可以更加全面地对能耗节点进行识别。

1.2.1 过程方法

首先，可以将过程理解为是互相作用以产生与组织目标相一致的结果，过程具有相关互联的活动和输入满意实现输出[4]。而通过技术性地将某一系统中各个过程加以识别，同时识别出每个过程或者过程之间的相互作用关系，再通过分析这些关系来配置资源和管理来达到预定的目标和结果，这种方法就是“过程方法”。

过程方法广泛应用于企业管理体系中，企业通过运用过程的方法，梳理出生产和服务的主要过程，建立相应的工作（工艺）流程图，使参与管理的人员可以清楚了解到自身企业生产和服务的关键内容，这些关键内容往往是需要进行控制，期以获得更好的绩效。过程方法适用性极强的管理方法，所以，也能够应用在原油集输系统中，用于分析组成系统的各个过程，将能耗节点一一分析出来。

1.2.2 集输过程的能耗分析

通过对集输系统的技术原理进行了细致分析，运用过程方法，将原油集输系统识别为若干个过程，从而得到原油集输系统的能耗表，原油集输系统能耗分析见表1。

通过表1，可以清晰地看到，在原油集输系统中的七个关键过程，主要的能耗为电能和天然气，主要的能耗设备集中为各类的机泵，这些设备消耗的能源占生产原油总能源的90%以上。

表1 原油集输系统能耗分析

1.3 原油集输系统能耗现状

我国的各大油田都存在着一个共性问题，就是油田区域范围面积大，原油集输场所分散，往往采用热力、电力分供、分产的方式，这就导致油气集输系统生产活动的用电量较大、利用效率较低的现象[5]。集输系统所需的电能依靠电网供给，造成电网距离长，线损增加；而热能依靠场站的加热炉或小型锅炉提供，供热面积分散，而且这些供热设备技术并不先进，其燃烧效率大多数都低于77%，这就造成了能源浪费的现象。

为了防止原油在输送过程中的凝固、析蜡而堵塞管道，所以需要对原油进行伴热。这个过程中产生了能源的消耗，并且，输送原油的管道以埋地管道为主，这些管道在地下由于各种原因存在保温层剥落的现象，这就使热量进一步散失，只有增加能源的消耗才能保证原油正常输送。

如果电动机运行在额定负荷或额定负荷附近，则电动机属于经济运行[6]。但是，在油田实际生产过程中，由于产油量的不稳定，电动机长期处于轻载运行的状态。电动机按照既定的转速运行，却没有相应足量的负载，使得电动机、泵在运行过程中效率低下，存在负荷浪费的现象。

2 节能对策

基于上述各过程能耗设备、能耗的分析，结合我国油田集输系统能耗现状，针对工艺流程、设备设施等方面制定相应的节能对策。

2.1 引进新工艺技术

各油田可以根据自身地理、原油成分特点，结合国内外优秀的工艺技术成果，引进适用于自身节能减排需要的新工艺技术。

2.1.1 新采油工艺

可以在采油过程中，原有的游梁式抽油机的基本特点是结构简单，制造容易，使用方便，特别是它可以长期在油田全天候运转，使用可靠。但是，这种抽油机存在着能耗大，效率低下的问题，是采油过程中的主要能耗源。采用新的抽油机的举升方式，配合以新设备的参数设置，就能获得了较好的节能效果。目前，塔式抽油机技术发展比较迅速，其主要优点：一是冲程大，可以满足需要依靠长冲程排液才能满足原油生产的油井；二是其动载负荷相对较小，运行过程平稳，对管杆系统的冲击力小，不易损伤管杆；三是能耗低，节电率可达40%以上；四是井场占地面积小于传统油井，节约土地；五是钢材使用量小，节约材料。正因塔式抽油机的诸多优点，基于节能的目的，可以在适用的情况下广泛应用。在某油田应用塔式抽油机57 口，单井日节电48.0 kWh，节电率为50.7%，年可节电1.75×104kWh[7]。某油田应用塔式抽油机前后能耗对比见表2。

表2 某油田应用塔式抽油机前后能耗对比

2.1.2 低温或不加热集油工艺

加热炉在长期使用过程中，烟管内会产生大量的烟垢，多层烟垢将造成烟气排放不通畅，从而致使加热炉燃烧效率降低。原油生产企业必须定期对烟管等部件进行清洗，否则既提高了天然气的能源消耗，又直接影响了加热炉的安全运行。在实际操作上，加热炉烟垢清洗工作难度很大，清理后的效果也不十分明显。现阶段，通过往原油里面添加改进剂，使其结构出现改变，减小了油流黏度，切实增加集输效益[8]。低温或不加热集油工艺主要有8种类型的方式来实现，包括：双管出油不加热集油；井口化学点滴加药防蜡降黏不加热集油；电热伴热集肤效应不加热集油；单管通球不加热集油；单管自然输送不加热集油；双管掺常温水不加热集油；单管环状掺液不加热集油等。依靠对于采用这种方式的低温或者不加热集油工艺，可以很好地突破传统的加热集油工艺带来的诸多限制，高效地利用含水原油，从而降低能耗。所以，在原油生产中，综合设计、施工、生产的各项条件，尽可能地铺开不加热集油工艺的应用，实现节能减排的重要目标。

2.2 加热炉的更（翻）新

原油集输系统中，天然气的消耗主要用于对原油的加热、油水分离等。使用中的加热炉普遍存在老化问题，出现了壳体脱落、保温效果差、结垢严重等现象[9]。通过节能监测的数据，对那些能耗效率低的老旧设备进行更换。相较于旧式加热炉，真空加热炉应用了微正压通气燃烧技术，以及可以通过提高加热炉气缸容积的热强度，并控制好过量空气系数来实现热效率的提高，对加热炉的总体热效率起到了很好的保障作用。引进真空加热炉替换老式加热炉，其热效率可达90%以上，远远大于老式加热炉77%的热效率。

而对于一些暂时不便于更换的老式加热炉，也可以运用一些工程方法来进行“翻新”。目前，加热炉高效节能涂料可以涂抹在火筒处，能够使其受热面的辐射吸收率得到增强，红外波被节能涂层多次吸收，通过内能传递作用，转化为红外辐射热源，以致提高了吸收辐射热量的能力。通过技术改造，一般能够使加热炉热效率提高5%～10%。列举某油田不同场站更（翻）新加热炉前后能耗对比见表3。

表3 某油田不同场站加热炉更（翻）新前后能耗对比

2.3 设置变频器

集输系统中的七个主要过程中都涉及电动机泵、压缩机、加热炉等能耗设备。这些设备都是高耗能设备，并且处于经常性的运转状态，是原油生产中电能消耗的主力军，一般可占比在90%以上。但是原油产量是动态变化的，不是一个常量，所以，一成不变的电动机泵输出负荷与变化的负载不能保持一致，这就造成了电动机不是处于最佳的工作效率状态，从而产生了多余的能耗。设置变频器可以解决这一问题。变频器通过脉冲宽度调制（PWM）系统，按照负载量和电动机效率曲线改变交流电的频率，使电动机转速改变，输出负荷匹配负载，达到电动机泵工作效率的最优化和节能目的。以某注水站注水机泵安装变频器后的能耗对比为例，可以看出安装变频器后能耗效率有了明显的提升，某注水站安装变频器前后电动机能耗情况对比见表4。

表4 某注水站安装变频器前后电动机能耗情况对比

2.4 加大检测力度

输油管道的外保温层的破损、脱落致使原油热能损失。埋地管道的外检测应用大功率金属探测器、检漏仪，可以有效地检测出埋于地下的输油管道外保温层完整性。在检测出的保温层破损位置，以实时动态测量（RTK）设备进行定位，便于管道运营单位及时开展维护活动。通过实施埋地管道检测，可以有效减少因保温层破损脱落造成的原油伴热能耗增加。

2.5 提速集输系统信息化建设

伴随着我国信息化技术的不断创新与发展，更加集中的、智能的油田集输信息化系统可以通过互联网技术广泛发挥作用。在其调控下，油田各原油集输场站能够提高油气资源的利用效率，监视测量能耗设备运行情况，更加精准的对油气、电能等进行计量，提供准确的信息。所以，加快集输系统信息化建设，可以使原油生产过程工艺更加合理，能源分配更加有效，为油田管理人员提供更加高效、精准的数据。

2.6 加强能耗管理

2.6.1 建立能源管理体系

能源管理体系以“能源”为核心进行控制和管理，内容涵盖企业能源管理和利用全过程[10]。它是应用相应的标准规范，在某企业建立一套管理体系。这一管理体系基于ISO9000 系列标准规范的结构框架，基于过程控制方法、风险的思维，以及PDCA 循环的管理模式，来管理企业的能耗绩效。而且其能够与企业的质量、环境、职业健康安全管理体系相融合，不断推进企业的节能减排工作。

2.6.2 加强节能培训

只有通过广泛的节能培训，才能使石油生产过程中广大的员工获得节能意识、节能方法和每个人对企业节能减排的重要性。使节能减排深入人心，最终人人参与节能，人人为节能献策，形成节能减排的企业文化。

3 结束语

现阶段，绿色发展、低碳发展是我国经济社会发展的重要理念，同时，也是石油生产企业的发展方向，过程方法是一种适应性极强，且容易被人理解的管理方法，可以实现对集输工艺多个过程的连续控制，并运用PDCA 循环模式，获得对集输工艺各过程的持续改进。油田在生产过程中，运用过程方法分析技术工艺，可以全面分析出原油生产全过程中能源消耗的重要节点。在此基础之上，针对分析出的能耗关健节点，有的放矢地通过在一些采油、集输场站，更新翻新加热炉来节约天然气能源；应用变频器使电动机输出功率匹配油液量来节约电能；开展管道检测来减少绝热层破损带来的电能损失，以及油田企业内部不断提升管理水平的实践，在节约能源方面取得了显著的成效。基于过程方法来分析能耗的方式，完全适用于油田各类产品的生产作业，并籍此实现油田生产的节能降耗目标。