分析在油田集输系统能耗分析中的应用

成庆林 郭子敬 杨金威 孙 巍 李治东

1. 东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室, 黑龙江 大庆 163000;2. 中油国际管道公司, 北京 100007

0 前言

20世纪80年代初,油田生产内部就开始重视并陆续开展能分析。通过能分析可以了解油田的用能现状、耗能水平以及节能潜力。最早人们只意识到能在量上的差异，随着热力学的不断发展,一些专家学者们认识到了能质的差异,于是将这一概念引入到能量分析中,形成了具有鲜明特色的分析模型。是表示系统与环境达到平衡时做出的最大功,表示做功能力。分析则是将不同品质的能量值进行平衡分析,充分考虑能量的品质对实际利用的影响,考虑能量的同时也兼顾了能质的作用。分析模型不仅能分析计算设备外部能量损失,还可分析计算内部能量损失。目前,在“双碳”背景下,能分析更是成为能源应用科学的重要组成部分。因此,对能耗大的生产系统或设备进行用能分析评价十分必要。在原油生产过程中,集输系统作为油田地面工程一个重要环节,其能耗也是巨大的。本文从能量利用的角度将油田集输系统分为热能利用系统和用电系统,对每个系统中关键的单体设备进行分析,分析其能量利用情况，总结设备能量利用效率低的原因及其解决方法，提出了多能级互补系统的分析模型,目的在于提高能量利用效率、节约电能，并为油田企业实现节能降耗提供技术支持。

1 热能利用系统分析

热能利用系统作为油田集输系统中能源消耗较大的子系统,其系统内设备耗能情况不容忽视,以下为该系统内几个主要耗能设备的能量利用情况及相关节能措施。

1.1 加热炉用能分析

加热炉是原油加热环节的关键设备,主要作用是对原油进行加热,降低原油黏度便于脱水、脱气、输送等后续环节的进行[1],是集输系统中最大的耗热设备。因此,提高加热炉能量利用效率对于集输系统节能降耗有着重要作用。

赵洪滨等人[2]利用热力学第二定律对江苏油田瓦6接转站某工况下的加热炉进行了分析,并将效率作为评价指标,效率的计算见式(1)。计算结果发现,该加热炉的一次能源效率较高为72.09%,而效率仅为12.73%。说明能量不仅有量的多少,还有质的高低,将燃料的高品质化学能转化为油品的低品质热能导致了加热炉设备对能量品质的浪费。基于以上分析内容,赵洪滨提出了减少燃料油供应或在高负荷下运行可以提高加热炉运行效率。

(1)

式中:ηex为效率;Exsup为设备或系统的供给,kJ;Exef为设备或系统的有效,kJ。

港东联合站原油加热过程的关键设备有膨胀罐、热媒炉、热媒泵、马西来油换热器和储油罐。何湘禹[3]对港东联合站原油加热子系统的3个热媒炉进行了用能分析,发现热媒炉的热效率普遍较高(均在80%以上),但效率较低(1#热媒炉效率为16.51%,2#、3#热媒炉效率均在40%左右)。由此说明热媒炉能质利用情况较差。针对此问题,提出了及时更换热媒油,以及对热媒炉内部进行定期清垢、维护和清扫等措施来提高热媒炉的能质利用效率。

加热炉内部存在着燃烧、传热、物质排放等多种不可逆过程,不仅有散热、排烟等多种外部损失,而且涉及温差换热、不完全燃烧等内部不可逆损失。

图1 加热炉“白箱”分析模型图Fig.1 Exergy analysis model of “white box” in heating furnace

图2 加热炉流图Fig.2 Exergic flow diagram of heating furnace

支淑民[5]对辛东采油厂加热炉系统进行了能量分析,根据辛一站和辛三站加热炉的实际运行参数和测试数据进行了能量分析和分析，归纳总结分析计算结果[5]见表1。相比能量分析,分析可以计算出加热炉内部燃烧和热传递的不可逆过程损失。

表1 辛一站和辛三站加热炉分析计算结果表

Tab.1 Exergy analysis results of the heating furnaces in Xinyi and Xinsan central treating station

表1 辛一站和辛三站加热炉分析计算结果表

联合站内部损外部损燃烧损传热损总损排烟损散热损不完全燃烧损总损效率辛一站41.19%38.07%81.72%4.79%1.95%0.35%7.09%10.31%辛三站38.79%28.00%68.20%5.59%1.85%0.24%7.68%9.80%

油品在加热炉内进行加热的过程是将燃料的化学能转化为油品热能的过程,是能质蜕变的过程。因此,加热炉的效率较低、损较大。将加热炉看作是“白箱”模型进行分析,并结合加热炉流图可以直观看出加热炉内外部不同过程的损,准确揭示出加热炉内部损远大于外部损。可采用定期清垢、维护、减少燃料供应、提高加热炉负荷以及控制过剩空气系数等方式，从提高能质利用效率、降低加热炉内部损两方面提高加热炉效率。

1.2 换热设备用能分析

在油气田地面工程中,换热设备主要应用于原油处理工艺[6],是实现冷热流体热量传递的设备,这一过程主要由传热来完成。林洪亚等人[7]针对换热设备传热过程进行了能量损失分析,建立的换热设备分析模型见图3(其中Cph为热流体定压热容；Cpc为冷流体定压热容)，根据分析模型推导出的换热设备换热过程损公式见式(2)。

图3 换热设备分析模型图Fig.3 Exergy analysis model of heat exchange equipment

(2)

式中:ExL为损,kJ;T0为环境温度,K;Q为总传热量,kJ;Tmc、Tmh分别为冷热流体对数平均温度,K。

耿士敏[8]对高压加热器换热过程进行了分析,建立了高压加热器换热过程的数学模型,得到了高压加热器过热段、凝结段和疏冷段冷热流体的温度分布,并通过分析方法计算出换热器各段的效率,得知换热器效率很小。对此,提出了减少换热器换热表面污垢、增大流体流速、管壁采用导热性能好的金属材料可降低损和提高效率的方法。

综上所述,当油品在换热设备内进行换热时,可采用高温热媒介质、定期清理换热器内壁污垢、合理增大油品在换热器内流速等方式降低损、提高换热器效率、降低能源消耗。

1.3 管网用能分析

管网系统是个简单的能量传输系统,管网对外界散热而不从外界吸收能量。在外输管网系统中,管道的外表面为体系边界,体系与外界环境之间的能量交换通过管道散热的方式来完成,体系内部由于原油流动摩阻产生压降。因此,管道是一个耗能设施,在管网系统中存在散热损和压能损。刘海涌[9]对东三联外输管道进行了能量分析,并根据该管道的基础数据进行了相关计算,外输管网的平衡模型[9]见图4,图4中ExLs为管道外部散热损，ExLp为管道内部流动阻力引起的损，Ex1和Ex2分别为系统进口和系统出口，该管道分析计算结果[9]见表2。

图4 某外输管道平衡模型图Fig.4 Exergic equilibrium model of a transportation pipeline

表2 东三联外输管道分析计算结果表

Tab.2 Calculation results of exergy analysis of Dongsanlian transportation pipeline

表2 东三联外输管道分析计算结果表

外输管道散热流动摩阻损系数损率损系数损率效率未保温25.40%80%10.40%20%60.60%保温10.40%80%9.32%20%77.13%

李雪峰[10]针对辽河油田稠油集输系统进行了“灰箱”模型分析，该集输系统有掺稀油、掺水和三管伴热等流程，经相关计算得知,掺稀油流程平均能量利用率最高,为62.07%。从节能降耗的角度来看,应优先考虑掺稀油流程。

为提高海上油气田能量利用效率,刘月勤等人[11-12]对海上油田原油集输系统进行分析,指出原油处理系统的损失仅次于发电系统；导致原油处理系统效率低的原因是换热系统设计不合理,因而浪费了大量原油和废水余热；此外,原油处理设施的温降和压降也导致了部分损失。对此，提出调整换热网络、回收污水余热、对分离器做好保温工作可有效降低该系统损失的建议。

通过对热能利用系统内各设备的用能情况进行总结可知,上述具体设备涉及到不同形式能量之间的转换、热量传递以及热散失等过程。在能量传递过程中,能质蜕变是导致效率降低的主要原因。加热炉是以上3种设备中损较严重的设备,提高加热炉效率可通过采用控制过量空气系数的方法使燃料完全燃烧,降低内部燃烧损。换热器可采用定期除垢、选择高温热媒介质等方式提高效率。对于输油管网可采用增加保温设施的方式降低散热损。针对整个热能利用系统可采用调整换热网络、回收余热、对设备做好保温工作等措降低损。

2 用电系统分析

随着油田的不断开采,采出液油水比、气油比等性质会不断发生变化[13]，石油、天然气加工处理设备的性能也会发生显著变化,从而造成设备效率降低、电能消耗过大等问题,对环境有着重大影响。因此,对用电设备进行用能分析很有必要。

2.1 电脱水器用能分析

在联合站原油处理过程中,电脱水器是目前应用最广泛且效率最高、处理能力最强的一种依靠电场力的作用对油包水型乳化液进行破乳脱水的油水分离设备,特别是在有化学破乳剂共同作用的情况下,其生产的稳定可靠性与其他脱水方法相比具有较大优势。段伟强[14]结合现场实际运行数据对大庆杏三联合站电脱水器进行了分析计算,电脱水器的平衡模型[14]见图5。

图5 电脱水器的平衡模型图Fig.5 Exergic equilibrium model of electrical dehydrator

Ex1+Exe=ExLw+Ex2

(3)

式中:ExLw为污水,kW;Exe为电能,kW。

2.2 泵用能分析

泵是油田集输系统的关键设备之一,也是主要的耗能设备。由于用途不同可分为掺水泵和外输泵,其功能是将电能转化为机械能再转化为流体的压能以达到输送要求,泵设备平衡模型[9]见图6。

图6 泵设备平衡模型图Fig.6 Exergic equilibrium model of pump equipment

刘海涌[9]针对东三联站原油处理系统采用“灰箱”模型进行了分析,经计算得知东三联原油处理系统效率为6.30%,损系数为93.46%,其中输油泵机组损系数为2.23%,损较低。造成损的主要原因是流经泵的原油内部产生摩擦以及泵自身结构的机械摩擦而造成泵内的不可逆损失。可采用降低原油黏度或改进泵自身结构等方式提高泵效率、降低电能消耗。

吴浩等人[15]对大庆油田某双管掺水流程转油泵系统用能情况进行了分析,建立转油站泵系统“灰箱”分析模型见图7(其中Exw1、Exw2分别为掺水泵进出口掺水，ExLb1、ExLb2分别为外输泵和掺水泵损)。

图7 泵系统“灰箱”分析模型图Fig.7 Exergy analysis model of “grey box” in pump system

2.3 压缩机用能分析

Voldsund M等人[13,17]分析了北海某平台实际生产1天的油气加工过程,使用当天的测量数据模拟当天的工艺流程,并利用分析法对该工艺流程中各单元损情况及效率进行计算分析。经计算分析得知,物料流中的损主要由高压引起,损主要发生在增压或减压过程中,其中损最大的子系统是生产歧管、压缩系统和回注系统。

3 多能级互补系统分析

技术节能是油气田提高能源利用效率和降碳的关键途径,节能的直接效果是减少用能成本和CO2排放[18]。在油田集输系统中,污水处理过程会产生大量的回注地层水,其温度30 ℃左右[19],含有大量的热量,若采用回收装置可有效利用剩余能量。此外,还存在油田在原油采出过程中会产生伴生气，某些油田所处地区风力资源丰富等情况。因此,在油田站场可进行地热、天然气、风能等资源相互融合、相互补充的多能协同供应。李庆[20]对多能互补能源站的布站方式、运行调节、节能效果进行了研究,发现该项目技术要求较高,若能实现技术突破,可提供安全、稳定的电力和热力保障。

图8 多能级互补系统分析模型图Fig.8 Exergy analysis model of multi-level complementary system

(4)

式中:Exj为风使风车旋转所供给的机械能,这部分可通过风车叶片旋转速度计算求得,kJ;Exwr为含油污水中的热,kJ;Exout1为油田变电所接收的电,kJ;Exout2为油田各站场接受的通过热泵设备处理过的来自含油污水的热,kJ。

Laukkanen T P等人[21]将分析与一次能源分析结合起来形成PeXa方法对分析进行优化。一次能源效率是一种用于评价能量转换系统能量性能的方法，以热力学第一定律为基础,考虑了在系统边界处为生产某种产品而需要输入到生产系统的所有一次能量,提供了显示系统如何影响一次能源资源的优势。多能级互补系统借助风能和天然气两种一次能源进行发电,受环境因素影响较大。将一次能源分析和分析结合起来可以提供一个更全面的能效指标。采用PeXa方法对多能级互补系统进行分析,可对风能发电和燃气发电不同的生产路径进行比较,确定最优发电方案,使油田最大限度地节约电能。

4 结论