高含硫氣田集輸系統(tǒng)能耗分析與評價

梁金國，林日億，王修張，劉德緒，尹家文，龔金海，王方正

(1.中國石油大學(xué) 儲運與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580;2.中原油田設(shè)計院，河南 濮陽 457001;3.中石化天然氣川氣東送管道分公司，武漢 430070)

目前，國內(nèi)正在開發(fā)的一些較大氣田(如普光氣田)的氣井地理位置復(fù)雜且氣候條件比較特殊，氣田硫化氫、二氧化碳的含量都非常高。這些復(fù)雜的工況條件導(dǎo)致了氣田集輸系統(tǒng)布置相當(dāng)復(fù)雜，造成了高含硫氣田集輸系統(tǒng)的運行效率低，能耗高。天然氣集輸系統(tǒng)的效率從廣義上講是指整個集輸系統(tǒng)的能量利用率，是系統(tǒng)能量消耗的重要衡量指標。由天然氣集輸系統(tǒng)效率定義［1］，可定性得出天然氣集輸系統(tǒng)的站效與管效決定了整個集輸系統(tǒng)的效率。因此，集輸系統(tǒng)效率的提高要著眼于集氣站設(shè)備效率的提高和處理流程能耗的降低［2，3］。本文針對高含硫氣田集輸運行效率低，系統(tǒng)能耗高的現(xiàn)狀，應(yīng)用熱力學(xué)能量平衡原理和方程進行能耗分析，旨在為高含硫氣田高效、低耗的運行提供技術(shù)保障。

1 集氣系統(tǒng)

高含硫氣田集輸系統(tǒng)［4］因考慮H2S 氣體危害及腐蝕一般采用全濕氣加熱保溫混輸工藝:井口天然氣先進入集氣站，經(jīng)加熱、節(jié)流、分離、計量后外輸至集氣末站分水;含飽和水蒸氣的酸氣至凈化廠凈化。

2 集氣系統(tǒng)能量分析

能量分析，是指依據(jù)能量轉(zhuǎn)換和傳遞理論，對設(shè)備或系統(tǒng)用能過程的有效性和合理性進行評價和分析。能量分析法分為能量平衡分析法和分析法［5］。

2.1 能量平衡分析法

2.1.1 能量平衡分析模型

能量平衡分析法主要利用熱力學(xué)第一定律。對于一個系統(tǒng)來說，進出系統(tǒng)的能量變化等于系統(tǒng)內(nèi)部的能量變化。而對于穩(wěn)定系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部能量不變，因此進入系統(tǒng)的能量等于離開系統(tǒng)的能量。其能量平衡方程式［5］可表示:

式(1)中，Qwr、Qw分別為由介質(zhì)帶入、帶出系統(tǒng)的能量(kW);Qsup為外界供給系統(tǒng)的能量(kW);Qpc為系統(tǒng)排出的能量(kW)。

2.1.2 集輸系統(tǒng)內(nèi)主要設(shè)備及系統(tǒng)的能量平衡分析

對于高含硫天然氣田，天然氣處理工藝包括:節(jié)流閥節(jié)流、添加緩蝕劑、添加水合物抑制劑、加熱爐加熱、清管、計量分離、輸送等。為了便于整個系統(tǒng)的用能狀況的能量平衡分析，建立能量平衡模型［6，7］。模型以井排來天然氣混合物為入口，以外輸濕天然氣為出口，其間涉及天然氣的加熱、節(jié)流閥的降溫，降壓以及火炬的燃燒損失等，為一個開口的穩(wěn)定流系統(tǒng)。

天然氣集輸系統(tǒng)的能量收支平衡方程:

式(2)中，Q1為天然氣混合物進站時帶入的總能量(kW);Qr為燃料燃燒釋放出的總能量(kW);Qe為電能帶入系統(tǒng)的等價熱量(kW);Q2為濕天然氣帶出系統(tǒng)的能量(kW);Qhj為火炬損失能量(kW);Qjrl為加熱爐能量損失(kW);Qqt為系統(tǒng)其他的散熱損失(kW)。

2.2 集輸系統(tǒng)分析

式(3)和式(4)中，Exin為進入系統(tǒng)的(kJ/(K·s);Exsup為供給，由源或具有源作用的物質(zhì)供給系統(tǒng)的，如燃料、電(或功)等(kJ/(K·s));Exbr為帶入，由除源以外的物質(zhì)帶入體系的(kJ/(K·s));Exef為有效，被系統(tǒng)有效利用或有帶出的可被有效利用的(kJ/(K·s));Exefc為有效耗，指將原料加工成產(chǎn)品過程中理論上必須消耗的(kJ/(K·s));Exlin為內(nèi)部損，系統(tǒng)內(nèi)部由于存在不可逆的因素造成的損失(kJ/(K·s));Exlout為外部損，系統(tǒng)向外界排出的未被有效利用的(kJ/(K·s))。

圖1 集輸系統(tǒng)黑箱分析模型

圖1 中，Egw為天然氣混合物帶入(kW);Eg為外輸天然氣帶出(kW);Ew為污水帶出(kW);Ef為集輸系統(tǒng)供給燃料(kW);Ee為集輸系統(tǒng)供給電(kW);El為集輸系統(tǒng)總損(kW)。

圖2 中，Ef1、Ef2分別為加熱爐供給燃料和火炬供給燃料(kW);Ee1～Ee4為各設(shè)備所需電(kW);El1～El4為各設(shè)備損值(kW)。

圖2 集輸系統(tǒng)灰箱分析模型

2.3 實例計算分析

由于氣田地面集輸系統(tǒng)的集氣站眾多，而且大同小異，本文以某氣田SC1 站(該站有5 口采氣井)為例進行計算分析整個集氣站、官網(wǎng)和系統(tǒng)的能量和量。

2.3.1 集氣站計算

表1 SC1 集氣站能量平衡分析

表2 SC1 集氣站能量流動分布

由表1 和表2 可以看出各種能量損失中，火炬損失量最大，能耗損失系數(shù)為56. 99%，其次是加熱爐損失系數(shù)為11.84%。由此可知天然氣集輸系統(tǒng)能耗的薄弱環(huán)節(jié)為火炬系統(tǒng)和加熱爐。對此，應(yīng)在確保安全的情況下對火炬和加熱爐開展技術(shù)改造，提高熱能利用率。

2.3.2 管網(wǎng)計算

集氣管網(wǎng)包括3 條管線，通過管網(wǎng)用能分析，得到管網(wǎng)能量分析和分析結(jié)果(如表5)。

表3 SC1 集氣站分析評價指標

表3 SC1 集氣站分析評價指標

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表4 SC1 集氣站損計算結(jié)果

表4 SC1 集氣站損計算結(jié)果

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表5 天然氣集輸系統(tǒng)管網(wǎng)分析

2.3.3 集輸系統(tǒng)計算

集輸系統(tǒng)的能耗分析包括集氣站的能耗與管網(wǎng)能耗的總和，因此需要將整個系統(tǒng)能量進行累加并計算，根據(jù)計算結(jié)果繪制能流圖(圖3)和流圖(圖4)。

圖3 集輸系統(tǒng)能流圖

由圖3 可以看出各種能量損失中，火炬損失量最大，能耗損失系數(shù)為58.78%，其次是加熱爐損失系數(shù)為11.69%。由此可知天然氣集輸系統(tǒng)能耗的薄弱環(huán)節(jié)為火炬系統(tǒng)和加熱爐。

由圖4 可以看出，集輸系統(tǒng)中存在的節(jié)流閥和火炬系統(tǒng)產(chǎn)生的損失效率過大(一級節(jié)流損失率為4.74%、二級節(jié)流損失率為7.09%、三級節(jié)流損失率為4.34%、火炬損失率為10.24%)導(dǎo)致天然氣集輸系統(tǒng)的效率為負值，因此不能用其表示站的可用能情況，只能采用熱力學(xué)完善度這個指標來表示，整個集輸系統(tǒng)的熱力學(xué)完善度為0.70，說明天然氣集輸系統(tǒng)是一個可逆程度非常低的系統(tǒng)。

圖4 集輸系統(tǒng)流圖

3 集氣站的模糊綜合評價

為了更全面評價天然氣集輸系統(tǒng)，這里采用模糊綜合評價法綜合評價高含硫天然氣集輸系統(tǒng)。模糊綜合評價法［9］就是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，將事物的定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價，其優(yōu)點是模型簡單，容易掌握，多于因素復(fù)雜問題評價效果好。

高含量天然氣集輸系統(tǒng)的考核指標［10-12］，主要有經(jīng)濟指標、效率指標和生產(chǎn)約束指標三類。對于集氣站，以往的評價指標為站的效率、萬立方天然氣耗電量、萬立方天然氣耗氣量和火炬耗氣量。而考慮高含硫量天然氣濕氣集輸系統(tǒng)的實際情況，要考慮外輸氣體溫度和外輸氣體壓力。通過以上幾個評價指標進行評價分析，各集氣站評價結(jié)果見表6。

表6 各集氣站評價

由表6 可見，集氣站指標達到“良”的站有9 座，占69.23%;達到“中”的站有2 座，占15.38%;“及格”和“不及格”各有一座站，分別為7.69%。其中得分最多的站是SA2站，為86.75 分;“不及格”的站為SC5，得分為57.93。通過上述結(jié)果可以確定需要整改的站為SC4 和SC5 站。

4 結(jié)論

基于熱力學(xué)第一、第二定律，建立了高含硫氣田集輸系統(tǒng)能量與分析模型，對天然氣集輸系統(tǒng)開展了計算分析，得到了能耗分布，繪制了能流圖和流圖。系統(tǒng)用能的薄弱環(huán)節(jié)為火炬系統(tǒng)和加熱爐系統(tǒng)，可在保證安全的條件下減少火炬用氣量和改善加熱爐的燃燒工況來提高集氣站的效率。在能耗分析的基礎(chǔ)上，基于模糊數(shù)學(xué)方法和集氣站評價指標，建立基于集氣站評價指標的模糊數(shù)學(xué)綜合評價模型，對天然氣集輸系統(tǒng)進行評價與管理。對于所評價的某氣田，其集氣站達到“良”的集氣站得比例為69.23%，屬于中上等水平。

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