夹点分析优化后的油田联合站分布式能源系统特征与节能潜力

徐涛，许飞，刘伟

(中石化胜利油田分公司，山东 东营 257000)

目前国内外部分油田进入特高含水期，经调研发现普遍存在的问题有两个方面：一方面，天然气加热炉效率普遍偏低，采出污水不能很好的利用；另一方面，供热和供电独立供给，热能、电能综合利用效率偏低，热能直接利用过程产生的能量不可逆损失大。国内外对于部分油田采出污水的处理，或排入地面储水系统，或通过注水井回注到地下[1-2]。Sladovsky等[3]将美国蒙大拿州油田的采出污水用于农业灌溉，结果表明相对于采出污水回注更加节能。Sahana等[4]针对污水余热无合理利用的情况，提出了一种联合冷却-脱盐装置来回收油田高含水阶段的余热，从而减少了化石燃料的使用和相应的温室气体排放。Gu等[5]使用热泵回收采出污水余热，并取得了很好的节能效果。但对于将燃气轮机或燃气内燃机发电、烟气驱动热泵回收污水余热和加热原油等工艺相结合的处理方法研究较少，该方法对油田联合站目前普遍存在的问题进行了统一处理，有较好的应用效果。石油作为我国重要的能源消费类型，油田开采难度加大，采油成本上升[6]，其节能降耗对推进行业的绿色转型具有重要意义，能够为实现更绿色的“双碳”可持续发展目标作出贡献[7]。

联合站传统用能系统的能流分析方法主要是基于热力学第一定律的系统效率分析法[8-10]、基于热力学第二定律的或熵分析法[11-12]及同时基于热力学第一、二定律的热经济分析法[13-14]。夹点分析方法已经用于联合站内的能流分析[13-14]，但是尚未见到夹点分析方法用于联合站分布式能源系统能流一体化优化研究[15]。夹点技术是一种过程系统集成技术，以热力学为基础，能够从宏观的角度分析过程系统中能流沿温度的分布，进而发现系统用能的“瓶颈”，通过这种方法能够去除“瓶颈”[16-24]。

本文通过对传统联合站以及联合站分布式能源系统进行夹点分析，从而实现能流分析优化。首先，基于燃气内燃机变工况能流模型，通过热力模拟进行燃气内燃机的燃烧计算，进而对基于水套加热炉加热原油的联合站进行夹点分析，然后对基于烟气余热驱动的溴化锂吸收式热泵能流模型，进行热泵的变工况热力模拟，得到热泵性能指数和天然气发电过程的耦合能流关系，之后，通过联合站分布式能源系统的夹点分析得到夹点温差的合理范围以及优化后的节能潜力，最后，对联合站分布式能源系统与传统联合站进行了对比分析，从理论上验证了采用夹点技术进行能流分析优化的合理性。

1 埕东联合站夹点分析

1.1 油气处理工艺流程与换热网络物流分析

图1所示为埕东联合站工艺流程和运行数据。8股来液分别进入8个三相分离器，分离出来的原油进入加热炉，污水送往污水站，被加热炉加热后的原油依次进入一次沉降罐、二次沉降罐进一步脱水，脱完水后的原油再次进入加热炉加热，加热后的原油依次进入三次沉降罐和净化油罐继续脱水，最终脱水完成的原油经外输泵加压外输。

图1 埕东联合站工艺流程Fig.1 Process flow of Chengdong joint station

1.2 物流参数确定

夹点分析通常采用温焓图法和问题表格法两种方法。联合站内能流关系较复杂，温升幅度小，温焓图法不准确且很繁琐，故采用问题表格法确定夹点。在进行夹点分析时，根据现场实际运行参数，得出如表1所示的联合站物流数据。

表1 埕东联合站物流参数

1.3 温区划分

在对冷热物流进行温区划分时，首先要根据冷热物流参数的初始温度和目标温度，按照升序排列；再选择水套加热炉的夹点温差ΔT，按照热物流温度下降ΔT/2，冷物流温度上升ΔT/2，将冷热物流的温度按升序排列；最后将联合站内中所有物流按其初始温度和终了温度的温度高低，由高到低在坐标轴竖直方向标出，并画成带箭头的垂直线，热物流为下箭头、冷物流为上箭头，从而得到联合站的温区划分图。

(1)将冷热物流的初始和目标温度按升序排列。

热物流：20、55、60、70、73、79 ℃；

冷物流：53、67、73、79 ℃。

(2)选定联合站的夹点温差为(ΔTmin)10 ℃时，热物流温度下降5 ℃；冷物流温度上升5 ℃。

热物流：15、50、55、65、68、74 ℃；

冷物流：58、72、78、84 ℃。

(3)将冷热物流的温度按升序排列。

冷热物流：15、50、55、58、65、68、72、74、78、84 ℃。

(4)将整个系统划分为9个温区。

将所有物流按其初始温度和终了温度的温度高低，由高到低在坐标轴竖直方向标出，并画成带箭头的垂直线，热物流为下箭头、冷物流为上箭头，如图2所示。

图2 温区划分Fig.2 Temperature-zone division

1.4 热量衡算及热级联计算

第一步：根据温区划分图，结合冷热物流的参数值，计算联合站系统中各网格内的赤字量、网格的输入热量、输出热量。其中：

ΔHk=(∑CPcold-∑CPhot)(Tk-Tk+1)，

(1)

其中，ΔHk为第k个温区所需外加热量，kW；∑CPcold为温区k中所有冷物流的热容流率之和，kW/℃；∑CPhot为温区k中所有热物流的热容流率之和，kW/℃；Tk和Tk+1分别为该温区的进、出口温度，℃；k为温区数。

第二步，热级联计算，计算外界无热量输入时各温区之间的热通量。

第三步，确定最小加热公用工程量。

第四步，温区之间热通量为零处，即为夹点。

表2所示为联合站夹点分析的问题表格。

表2 埕东联合站夹点分析的问题表格

1.5 总复合曲线

根据表2中数据，在T-H图上作出热泵系统的总复合曲线，如图3所示，纵坐标为问题表中各温区冷热流体的平均温度，横坐标为对应输入的热量。

图3中H=0处对应的横坐标位置即为夹点位置，可以得出，联合站油气处理工艺流程夹点位置处的平均温度为68 ℃，夹点之上表示需要的外界加热量与平均温度的关系；夹点之下表示需要的外界冷却量与平均温度的关系。最小公用加热工程量为2 070.03 kW，最小公用冷却工程量为20 866.91 kW。

图3 总复合曲线Fig.3 Total compound curve

1.6 换热网络优化调整及节能潜力

为保证系统具有最大的能量回收潜力，应遵循三条基本原则：在夹点处不能有热流量穿过、夹点的上方不能加入冷却公用工程、夹点的下方不能加入加热公用工程[21-23]。如图4所示，原换热网络存在不合理之处，物流C1、C2、C3、H11均违背了夹点基本原则，这样会导致公用工程增加，不利于节能。因此，应进一步结合夹点技术优化处理，挖掘联合站的节能潜力。

图4 夹点下的换热网络Fig.4 Heat-exchange network under the pinch point

图5为改造后的换热网络图，在夹点之下，H1～H11需进行冷却,夹点之上，C1～C3均需要831 kW的热量，C4需要957 kW的热量。将热物流H9、H10、H11与冷物流进行换热，将H11这股热物流温度降至夹点温度，且要求夹点匹配中热物流的热容流率不大于冷物流的热容流率，根据经验规则应尽量选择热容流率相近的冷热物流进行匹配换热，所以将热物流H11进行分流，使其中一部分热量为237 kW，并与冷物流C4匹配，另一部分热量为416 kW，并与冷物流C3匹配，增设的换热器热负荷1 680 kW。冷物流C1～C4剩余的热负荷均由加热公用工程来实现。

图5 改造后的换热网络Fig.5 Heat-exchange network after the transformation

从改造后的换热网络可以看出，从3次沉降罐出来的污水进入换热器E3、E4加热加热炉3和加热炉4之前的原油，节省了加热炉3和加热炉4一部分的热负荷，从一次沉降罐以及二次沉降罐以及出来的污水进入换热器E1、E2加热加热炉1和加热炉2之前的原油，节省了加热炉1和加热炉2一部分的热负荷。优化改造之前，联合站需热负荷为25 801 kW，采用夹点分析优化改造之后，联合站需热负荷为24 441 kW，故节能潜力为(25 801-24 441)/25 801=5%。

2 联合站分布式用能模式

目前，油田集输领域联合站的烟气余热和污水余热回收利用技术主要包括热能直接利用、分布式能源利用、余热制热制冷等方式。基于以上方式，提出“吸收式热泵利用余热”余热利用模式、“基于天然气的联合站分布式能源系统”用能模式，天然气发电技术和烟气、污水余热利用技术相结合，能够实现天然气能源的梯级利用和烟气、污水余热的综合利用。

2.1 吸收式热泵利用余热模式

发电做功后的中温气体进入吸收式热泵，通过热泵回收烟气、污水余热，加热原油，燃气内燃机产生的缸套水余热也用于加热一部分油田来油，发电机组热水和油田含水原油进行换热的换热器采用螺旋板式换热器。天然气的能量通过机组发电、热泵利用烟气余热、缸套水加热原油等方式实现了天然气的梯次利用，提高了系统的能源利用率。

2.2 基于天然气的联合站分布式能源系统用能模式

图6为基于天然气的联合站分布式能源系统工艺流程图，脱硫处理的天然气和空气混合后进入燃气内燃机，在气缸内燃烧产生高温气体，进而通过发电设备发电。发电做功后的中温气体(烟气)进入烟气补燃式第一类溴化锂吸收式热泵，燃气内燃机排烟和燃油共同驱动热泵回收部分污水余热，发电机组的高温冷却水加热部分油田来油，剩余部分油田来油和高频聚结装置出口含水原油通过螺旋板式换热器与烟气型吸收式热泵制备的高温热水换热，烟气不足部分采用燃油补充。燃气内燃机的使用，减少了能源消耗和碳排放，实现了清洁能源的高效利用。

图6 联合站分布式能源系统工艺流程图Fig.6 Process flow chart of the distributed energy system of the joint station

3 联合站分布式能源系统夹点分析

3.1 物流参数确定

在夹点分析中，第一步要选取冷、热物流，根据联合站分布式能源系统实际工艺流程及能量转换情况可知，热物流有6股，冷物流有6股；根据各个设备的运行工况可知冷、热物流的初始温度与终了温度，然后由各个设备中流经介质的比热与质量流量可求得对应的热容流率，最终由冷、热物流各自对应初始温度与终了温度的温差与各自热容流率作积可得相对应的焓差，此即夹点分析的第一步。相应的物流参数如表3所示。

表3 联合站分布式能源系统物流参数

3.2 温区划分

在此以夹点温差ΔT=14 ℃为例，对联合站分布式能源系统的冷热物流进行划分。

(1)将冷热物流的初始和目标温度按升序排列。

热物流：41.00、68.71、73.78、77.00、88.70、91.00、91.50、91.51、128.53、131.84 ℃；

冷物流：41.00、41.01、52.00、53.00、67.00、68.00、68.71、73.00、80.00、100.20 ℃。

(2)选定联合站的夹点温差为(ΔTmin)14 ℃时，热物流温度下降7 ℃；冷物流温度上升7 ℃。则冷热物流温度分别为：

热物流：34.00、61.71、66.78、70.00、81.70、84.00、84.50、84.51、121.53、124.84 ℃；

冷物流：48.00、48.01、59.00、60.00、74.00、75.00、75.71、80.00、87.00、107.20 ℃。

(3)将冷热物流的温度按升序排列。

冷热物流：34.00、48.00、48.01、59.00、60.00、61.71、66.78、70.00、74.00、75.00、75.71、80.00、81.70、84.00、84.50、84.51、87.00、107.20、121.53、124.84 ℃。

(4)将整个系统划分为19个温区。

将所有物流按其初始温度和终了温度的温度高低，由高到低在坐标轴竖直方向标出，并画成带箭头的垂直线，热物流为下箭头、冷物流为上箭头。进而得到系统的温区划分图，如图7所示。

图7 温区划分图Fig.7 Temperature-zone division map

3.3 夹点位置的确定

通过对联合站分布式能源系统进行热量衡算以及热级联计算，绘制总复合曲线图，从而确定系统夹点位置，其具体步骤如下所示：

第一步：根据温区划分图，结合冷热物流的参数值，计算联合站分布式能源系统中各网格内的赤字量、网格的输入热量、输出热量。其中：

ΔHk=(∑CPcold-∑CPhot)(Tk-Tk+1)，

(2)

其中，ΔHk为第k个温区所需外加热量，kW；∑CPcold为温区k中所有冷物流的热容流率之和，kW/℃；∑CPhot为温区k中所有热物流的热容流率之和，kW/℃；Tk和Tk+1分别为该温区的进、出口温度，℃；k为温区数。

第二步，热级联计算，计算外界无热量输入时各温区之间的热通量。

第三步，确定最小加热公用工程量。

第四步，温区之间热通量为零处，即为夹点。

根据热量衡算以及热级联计算结果，在T-H图上作出联合站分布式能源系统的冷热物流总复合曲线如图8所示，纵坐标为问题表中各温区冷热流体的平均温度，横坐标为对应输入的热量，H=0处对应的横坐标位置即为夹点位置，可以得到夹点平均温度为59 ℃，最小公用加热工程量为812.65 kW, 最小公用冷却工程量为1 781.14 kW。根据物流数据可计算得到夹点温差与公用工程量的关系，如图9所示，公用工程量随夹点温差的减小而减小，属于夹点问题，并且根据图8所示的总复合曲线，临近90 ℃的温度区间存在局部热源，所涵盖的换热器具有节能潜力，所以可以按夹点技术进行优化。

图8 总复合曲线Fig.8 Total compound curve

图9 夹点温差与公用工程量的关系Fig.9 Relationship between the temperature difference of the pinch points and the amount of public works

3.4 换热网络优化调整

为保证系统具有最大的能量回收潜力，应遵循夹点分析三条基本原则。如图10所示，原换热网络存在以下不合理之处：来自冷凝器的热物流H5(蒸发器入口冷剂水)在原油换热器内存在跨越夹点传热，导致换热温差大，违背了换热网络不能存在跨越夹点的传热这一基本原则，否则将会导致公用工程增加。因此，应进一步结合夹点技术优化处理，挖掘联合站分布式能源系统的节能潜力。图11为改造后的系统换热网络图，在夹点之下，热物流H5需进行冷却。夹点之上，冷物流C2到C6需要加热，所需热量较大，可以通过热泵发生器排烟与采出水进行混合换热，进一步回收烟气余热；同时将热流H5和冷流C4进行换热，将热流H5温度分阶段先降低至夹点温度。

图10 夹点下的换热网络Fig.10 Heat-exchange network under the pinch point

图11 改造后的换热网络Fig.11 Heat-exchange network after the transformation

3.5 夹点温差的合理范围及节能潜力

通过技术经济评价可以确定联合站分布式能源系统的最优夹点温差。计算得到夹点温差与总费用的关系，如图12所示。由图12可以得出，较优的夹点温差范围为12～14 ℃，依据实际情况，换热网络选取的夹点温差14 ℃，符合要求。系统夹点温差为14 ℃时，夹点平均温度为59 ℃，即夹点处冷热流体的温度分别为52 ℃和66 ℃。

图12 夹点温差与费用的关系Fig.12 Relationship between the temperature difference between the pinch point and the cost

采用夹点分析之前，仅仅采用分布式能源系统用能模式，联合站所需热负荷为23 046 kW。较改进前传统的联合站用能模式，节省热负荷2 755 kW，节能潜力为：(25 801-23 046)/25 801=11%。采用分布式能源系统用能模式并采用夹点分析，联合站加热需求为19 608 kW，较采用夹点分析优化前节省热负荷3 438，节能潜力为(23 046-19 608)/ 23 046=15%，总节能潜力为(25 801-19 608)/25 801=24%。

分布式能源系统联合站具体的节能措施为：对于含水原油和油田来油可以通过热泵发生器排烟与采出水进行混合换热，进一步回收烟气余热，另外，可将蒸发器入口饱和水加热含水原油，将高温水在冷凝器和吸收器串联吸热，一段放热过程改为高温水吸收器和冷凝器串联吸热，两段放热模式进一步降低了原油换热器传热温差，降低原油加热过程的不可逆损失。

4 结论

本文通过对传统联合站以及分布式能源系统联合站进行夹点分析，根据夹点分析准则对换热网络进行改造，并对其进行节能潜力分析。结论如下：

(1)夹点分析优化后的传统联合站相对于传统联合站节能效率达5%；

(2)联合站分布式能源系统相对于夹点分析优化后的传统联合站节能效率达5.7%

(3)夹点分析优化后的联合站分布式能源系统相对于联合站分布式能源系统节能效率达15%；

(4)夹点分析优化后的联合站分布式能源系统较传统联合站节能效率达24%。