三相流環(huán)狀集輸管網(wǎng)能量利用優(yōu)化研究

翟 婧，劉德俊(遼寧石油化工大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，遼寧撫順 113001)

三相流環(huán)狀集輸管網(wǎng)能量利用優(yōu)化研究

翟 婧，劉德俊
(遼寧石油化工大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，遼寧撫順 113001)

三相流環(huán)狀集輸管網(wǎng)能量利用優(yōu)化研究是通過(guò)環(huán)狀集輸管網(wǎng)的物理模型、管內(nèi)油氣水三相流之間的溫降模型，建立了以最小能耗為目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)模型，分析出了摻水量、溫度、壓力與總能量消耗之間的變化關(guān)系，找到了影響總能耗的主要因素、次要因素及最小因素分別為摻水溫度、摻水流量、壓力，并得到管道總能耗的最優(yōu)方案。在生產(chǎn)實(shí)際過(guò)程中盡量降低摻水溫度以使總能量消耗最少。

三相流；環(huán)狀集輸管網(wǎng)；能量利用；總能耗；優(yōu)化

油氣水混合物沿集油管道從井口到轉(zhuǎn)油站的流動(dòng)屬于三相管流[1]。油氣水三相流動(dòng)現(xiàn)象廣泛存在于石油與天然氣工業(yè)中[2]，近年來(lái)，石油儲(chǔ)量在不斷減少開(kāi)采難度卻不斷提高，設(shè)備的運(yùn)行效率降低導(dǎo)致能耗不斷增加，相關(guān)費(fèi)用不斷上升，嚴(yán)重影響了油田的生產(chǎn)成本，因此對(duì)三相流環(huán)狀集輸管網(wǎng)能量利用優(yōu)化研究不僅對(duì)油田開(kāi)采帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)用價(jià)值而且為實(shí)現(xiàn)低耗、高效、有序的油田地面工程起到重要作用。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)環(huán)狀集輸流程的節(jié)能運(yùn)行或能耗優(yōu)化進(jìn)行了大量的研究。亓福香[3]通過(guò)對(duì)原油集輸系統(tǒng)效率和能耗分析編制程序并結(jié)合工程熱力學(xué)、流體力學(xué)等理論，研究了系統(tǒng)效率與能耗分析和改造的優(yōu)化方案。H.D.Beggs等[4]利用能量守恒方程推到出了在考慮管路起伏影響的情況下兩相管路的壓降計(jì)算公式，適用于傾斜及水平管路。陳玉慶[5]通過(guò)建立系統(tǒng)能耗黑箱—灰箱數(shù)學(xué)模型并利用熱力學(xué)能量平衡分析法，研究了原油集輸系統(tǒng)效率分析計(jì)算方法。南松玉[6]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量對(duì)集輸系統(tǒng)的能耗分布規(guī)律進(jìn)行分析，研究了系統(tǒng)節(jié)能的方式，找出存在的問(wèn)題和產(chǎn)生原因并提出相應(yīng)的解決辦法。O.Baker[7]通過(guò)采用洛-馬法來(lái)計(jì)算兩相管路壓降，研究出了流型圖，并歸納了各種流型折算系數(shù)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。程江[8]通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)找到三相流的安全混輸溫度，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行修正，從而達(dá)到節(jié)能降耗的效果。唐堅(jiān)波[9]針對(duì)油氣水分離流程陳舊、起輸溫度過(guò)高、高溫產(chǎn)出液能量浪費(fèi)等問(wèn)題進(jìn)行熱能綜合利用，在實(shí)行不加熱集輸之后，可給企業(yè)節(jié)約燃料費(fèi)5 010 萬(wàn)元/a。何毅等[10]針對(duì)長(zhǎng)慶油田部分未充分利用的資源和地面工程效率低下等現(xiàn)狀，通過(guò)減少油氣集輸?shù)膭?dòng)力、熱力消耗和一系列的工藝能耗，從而達(dá)到提高資源利用率，保護(hù)環(huán)境等目的。R.Wilkens等[11]通過(guò)對(duì)上傾5°的傾斜和高壓的水平管道中三相流型進(jìn)行觀測(cè)，研究了加大傾斜角度會(huì)促使段塞流在低流量下，且隨著壓力升高對(duì)流型無(wú)其他影響。然而鮮有人利用最優(yōu)化計(jì)算來(lái)約束三相流環(huán)狀集輸管網(wǎng)的能量消耗，建立三相流環(huán)狀集輸管網(wǎng)能量消耗的計(jì)算模型，并對(duì)總能耗進(jìn)行優(yōu)化分析，為環(huán)狀集輸管網(wǎng)能耗計(jì)算提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 環(huán)狀集輸管網(wǎng)能量利用模型的建立

1.1 三相流環(huán)狀集輸管網(wǎng)物理模型

從計(jì)量間出來(lái)的熱水經(jīng)800、325、425、360、305 m管段溫降后分別與第一、二、三、四口油井產(chǎn)出液混合變成了油氣水混合物，最后回到計(jì)量間。三相流環(huán)狀集輸管網(wǎng)的試驗(yàn)裝置流程圖如圖1所示，管段、原油、油井、其他基本參數(shù)分別見(jiàn)表1、2、3、4。

圖1 工藝試驗(yàn)流程圖

Fig.1Processtestflowchart

表1 管段的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table 1 Physical data of pipe

表2 原油的基本物性參數(shù)Table 2 Physical parameter of crude oil

表3 油井的基本參數(shù)Table 3 Physical parameter of wells

表4 其他基本參數(shù)Table 4 Physical parameter of others

1.2 三相流環(huán)狀集輸管網(wǎng)的數(shù)學(xué)方程

假設(shè)不考慮在加熱爐本體的能量消耗，三相流環(huán)狀集輸管網(wǎng)的能耗包括了試驗(yàn)環(huán)路燃料消耗的能量(熱能)和泵機(jī)組動(dòng)力消耗的能量(動(dòng)能)，能量利用的優(yōu)化目的是最大限度地降低能量損耗使得相應(yīng)的費(fèi)用減少。目標(biāo)函數(shù)為:總消耗的能量=燃料消耗的熱能+泵機(jī)組動(dòng)力消耗動(dòng)能。

運(yùn)行費(fèi)用數(shù)學(xué)模型:

M=MR+MD

(1)

MR=c1Q(T1-T2)+ch1Qh1(T3-T2)+ch1Qh1(T4-T3)+ch2Qh2(T5-T4)+ch2Qh2(T6-T5)+ch3Qh3(T7-T6)+ch3Qh3(T8-T7)+ch4Qh4(T9-T8)+ch4Qh4(T10-T9)

(2)

(3)

式中:M為總消耗的能量，kW；MR為加熱爐燃料消耗的熱能，kW；MD為泵機(jī)組動(dòng)力消耗動(dòng)能，kW；Tn(n=1,2,…,10)為從加熱爐出口處環(huán)繞一周回到計(jì)量間不同管段的水溫，℃；c1為熱水的比熱容，J/(kg· ℃)；Q為流入管道熱水的質(zhì)量流量，kg/s；chn(n=1,2,3,4)為熱水分別與第1—4口油井產(chǎn)出液混合后流體的比熱容，J/(kg· ℃)；Qhn(n=1,2,3,4)為熱水分別與第1—4口油井產(chǎn)出液混合后流體的質(zhì)量流量，kg/s；Qv為熱水的體積流量，m3/s；Qvhi為熱水與第i口油井產(chǎn)出液混合后流體的體積流量，m3/s；pn(n=1,2，…，6)為從加熱爐出口處環(huán)繞一周不同管段的壓力，kPa。

假設(shè)熱水與油井產(chǎn)出液均勻混合建立如下模型分別為:管道內(nèi)全是水的溫降模型，熱水與油氣水混合物的摻混計(jì)算模型，管道內(nèi)是油氣水混合物的溫降模型和不同油氣水混合物之間的摻混計(jì)算模型。

1.2.1 管道內(nèi)全是水的溫降模型 從計(jì)量間出來(lái)的熱水經(jīng)800m管段的溫降利用蘇霍夫溫降公式計(jì)算，即:

式中:Ttu為摻水管道附近的土壤溫度，℃；L為摻水管道的總長(zhǎng)度，m；D為管道外徑，m；k為管道傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)。

式中，α1為管內(nèi)流體與管道內(nèi)壁之間的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；ni為保溫層、絕緣層及鋼管的厚度，m；λi為保溫層、絕緣層及鋼管的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；α2為管線外圍與大氣的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)。

1.2.2 油氣水混合物與熱水的計(jì)算摻混模型 由能量守恒公式得:

式中:Th1為第一口油井產(chǎn)出液混合后的溫度，℃。

1.2.3 管道內(nèi)油氣水混合物的溫降模型

其中:

式中:τ0為年循環(huán)一個(gè)周期的時(shí)間，s；x為土壤埋深，m；τ為與最熱大氣中溫度相距的時(shí)間，s；g為重力加速度，m/s2；η、ηg為油氣水三相流、氣體焦?fàn)枩愤d系數(shù)，℃ /Pa；cp、cpl、cpg為油氣水三相、油水兩相及單相氣相的質(zhì)量比熱容，J/(kg·K)；θ為傾斜角度，rad；w、wg、wl為油氣水三相、單相氣相及單相液相質(zhì)量流量，kg/s；xwg、xwl為單位質(zhì)量的含氣率、單位質(zhì)量的含液率；ρl為單相液相的密度，kg/m3；d為管道的內(nèi)徑，m。

1.2.4 不同油氣水混合物之間的摻混計(jì)算模型

由能量守恒公式得:

式中,Th2為第二口油井產(chǎn)出液混合后的溫度，℃。

總數(shù)學(xué)模型為:

(9)

1.3 三相流環(huán)狀集輸管網(wǎng)的實(shí)例驗(yàn)證

以大慶油田第八采油廠三礦7#-4計(jì)量間環(huán)2作為試驗(yàn)環(huán)路。改變摻水量，實(shí)際溫降值與理論溫降值的比較誤差不超過(guò)5%，故理論計(jì)算值在合理范圍之內(nèi)(如圖2所示)。

圖2 實(shí)際與理論溫降值比較

Fig.2Thecompareoftemperaturedropof
practicalandtheoreticalvalues

2 摻水量、溫度、壓力對(duì)能量消耗影響

2.1 摻水量對(duì)能量消耗的影響

摻水溫度為55.8 ℃、摻水壓力為0.38 MPa保持不變，分別改變摻水量從1.0 m3/h按0.1 m3/h的間隔遞增到4.0 m3/h，運(yùn)用公式(1)、(2)、(3)計(jì)算得出摻水量與總能量消耗的關(guān)系，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)摻水量從1.0 m3/h到1.5 m3/h總能耗迅速增加，從1.5 m3/h到2.3 m3/h總能耗增加緩慢，而從2.3 m3/h到2.5 m3/h總能耗增加幅度很大，曲線幾乎呈垂直狀態(tài)，從2.5m3/h到4.0m3/h總能耗平緩增加，在4.0 m3/h達(dá)到總能量消耗的最大值為60.605 6 kW。

圖3 摻水量與總能量消耗的關(guān)系

Fig.3Relationshipbetweenmixingwater
andtotalenergyconsumption

2.2 摻水溫度對(duì)總能量消耗的影響

保持摻水流量為2.1 m3/h、壓力為0.38 MPa不變，分別改變摻水溫度從50 ℃按1 ℃的間隔增加到80 ℃，運(yùn)用公式(1)、(2)、(3)計(jì)算得出摻水量與總能量消耗之間的關(guān)系,結(jié)果如圖4所示。

圖4 摻水溫度與總能量消耗關(guān)系圖

Fig.4Relationshipbetweenwatertemperature
andtotalenergyconsumption

由圖4可知，從50 ℃到80 ℃總能量消耗不斷增加，曲線呈波浪式不斷上升，且在80 ℃時(shí)達(dá)到總能量消耗的最大值為66.976 3 kW。

2.3 摻水壓力對(duì)總能量消耗的影響分析

保持摻水流量為2.1 m3/h、溫度為65.2 ℃不變，分別改變摻水壓力從0.320 MPa按0.001 MPa/h的速率遞增到0.420 MPa，運(yùn)用公式(1)、(2)、(3)計(jì)算得出摻水量與總能量消耗的關(guān)系,結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，隨著摻水壓力從0.32 MPa增加到0.42 MPa，總能量消耗是不斷下降，從0.035 0 kW減小到0.023 3 kW，曲線呈階梯式降低，且在摻水壓力為0.42 MPa時(shí)達(dá)到總能量消耗的最小值(0.023 3 kW)。

圖5 摻水壓力與總能量消耗關(guān)系

Fig.5Relationshipbetweenwaterpressure
andtotalenergyconsumption

3 結(jié)論

(1)由于熱能的消耗占總能量消耗的比例有99%以上，故對(duì)于降低總能耗首先應(yīng)該考慮熱能的消耗量。

(2)若保持摻水溫度和壓力不變，隨著摻水量的增加，總能耗不斷增加；若保持摻水量和壓力不變，隨著溫度的增加，總能耗也在增加；保持摻水量和溫度不變，隨著壓力的增加，總能耗不斷減少。

(3)在摻水量、溫度和壓力的3個(gè)影響因素中對(duì)總能量消耗影響最大的為摻水溫度，摻水量次之，影響最小的為摻水壓力。

(4)當(dāng)摻水溫度為50 ℃、摻水量為1.0 m3/h、壓力為0.42 MPa時(shí)管網(wǎng)達(dá)到最優(yōu)的總能量消耗量(22.187 9 kW)。

[1]劉曉燕，劉立君，張艷，等．高含水后期水平集輸管道內(nèi)油氣水流型及分析[J]．工程熱物理學(xué)報(bào)，2008，29(7):1167-1170． Liu Xiaoyan,Liu Lijun,Zhang Yan, et al.The testing and analyses for oil-gas-water flow pattern with super-high water-cut in horizontal gathering-transporting pipeline[J]．Journal of Engineering Thermo Physics,2008,29(7):1167-1170．

[2]胡志華，錢(qián)煥群，張亞勃，等．多相流參數(shù)的測(cè)量技術(shù)[J]．測(cè)量技術(shù)，2001，8(14):12-14． Hu Zhihua,Qian Huanqun,Zhang Yabo, et al.Multiphase flow parameter measurement technology[J]．Measurement Technology,2001,8(14):12-14．

[3]亓福香．特高含水期原油集輸系統(tǒng)能量最優(yōu)利用研究[D]．大慶:東北石油大學(xué)，2008．

[4]Beggs H D，Brill J R.A study of two-phase in inclined pipes[J]．Journal of Petroleum Technology,1973,25:607-617．

[5]陳玉慶．大慶油田原油集輸系統(tǒng)能耗分析與能量最優(yōu)利用研究[D]．北京:中國(guó)石油大學(xué)，2008．

[6]南松玉．油氣集輸系統(tǒng)能耗分析試驗(yàn)及節(jié)能對(duì)策[D]．大慶:東北石油大學(xué)，2012．

[7]Baker O.Simultaneous flow of oil and gas [J]．The Oil and Gas Journal,1954,53:185-195．

[8]程江．集油環(huán)節(jié)能降耗效果分析[J]．石油石化節(jié)能，2014(6):32-33． Cheng Jiang.Saving energy and reducing consumption analysis of collecting ring[J]．Energy Conservation and Emission Reduction in Petroleum and Petrochemical Industry,2014(6):32-33．

[9]唐堅(jiān)波．油氣集輸系統(tǒng)熱能綜合利用技術(shù)研究[D]． 大慶:東北石油大學(xué)，2013．

[10]何毅，王春輝，郭剛，等．長(zhǎng)慶油田油氣集輸與處理系統(tǒng)節(jié)能降耗研究[J]．石油規(guī)劃設(shè)計(jì)，2012(1):52-54． He Yi,Wang Chunhui,Guo Gang, et al.Saving energy and reducing consumption research of oil and gas gathering and processing system in Changqing oil field[J].Petroleum Planning and Engineering,2012(1):52-54．

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(編輯 王亞新)

Optimization Study on Energy Utilization of Three-Phase Flow in Circular Gathering Pipeline Network

Zhai Jing, Liu Dejun
(CollegeofPetroleumEngineering,LiaoningShihuaUniversity,FushunLiaoning113001,China)

Optimization study on energy utilization of three-phase flow in circular gathering pipeline network establish physical model of circular gathering pipeline network and temperature drop model of three-phase flow in tube, built with a minimum energy consumption as objective function of the mathematical model, and analysis the relationship between the changes of water content, temperature and pressure and total energy consumption, finally find out the main factors affect the total energy consumption, secondary factors and the minimum factors were temperature, flow rate, pressure, and get the optimal scheme and pipeline total energy consumption.In the actual production process to reduce temperature so that the total energy consumption minimum.

Three-phase flow; Circular gathering pipeline network; Energy utilization; Total energy consumption; Optimization

1006-396X(2014)06-0088-05

2014-06-03

:2014-11-20

遼寧省教育廳資助項(xiàng)目(L2011054)。

翟婧(1987-),女,碩士研究生，從事多相管流及油氣集輸技術(shù)研究；E-mail:zhaijing8710@sina.com。

劉德俊(1967-),男，碩士，副教授，從事原油及成品油管道輸送技術(shù)、油品儲(chǔ)存技術(shù)研究；E-mail:ldj88@163.com。

TE86

: A

10.3969/j.issn.1006-396X.2014.06.018