環(huán)狀摻水集油系統(tǒng)溫度季節(jié)性優(yōu)化研究

尚增輝，曲 虎，劉 靜，邵艷波，張鵬虎

(中國石油集團(tuán)工程設(shè)計有限責(zé)任公司 華北分公司，河北 任丘 062550)

0 引言

對于油井產(chǎn)液量、溫度和含水量均較低，且原油的粘度、凝固點、含蠟量都比較高的外圍油田，常采用單管環(huán)狀摻水集油工藝［1－2］。該工藝在集中處理站設(shè)有摻水泵和摻水加熱爐，水經(jīng)過加熱爐升溫后，通過摻水泵升壓后輸送至集油閥組間，由閥組分配給各集油環(huán)的油井［3－4］。熱水與井口出油管的原油混合后通過集輸管線混輸至處理站進(jìn)行處理，分離出來的伴生氣供加熱爐進(jìn)行燃燒［5－7］。

在運行過程中，為了能夠保證原油的安全輸送，必須要保持一定的摻水溫度，但是如果摻水溫度過高，則會使摻水系統(tǒng)能耗損失增大，運行費用增加［8－9］。因此，本文以某斷塊油田為研究對象，研究摻水溫度對能耗損失和運行費用的影響，優(yōu)化不同季節(jié)的摻水溫度，達(dá)到降低運行費用的目的。

1 計算依據(jù)

1．1 計算公式

(1)集輸管線溫降計算［10］

式中 tx——管道沿線任意點的流體溫度/℃;

t0——管外環(huán)境溫度/℃;

t1——管道起點的流體溫度/℃;

x——管道計算段起點至沿線任意點的長度/m;

a——系數(shù)。

式中

K——總傳熱系數(shù)/W·m－2·℃－1;

D——管道外徑/m;

qm——原油的質(zhì)量流量/kg·s－1;

C——原油比熱容/J·kg－1·℃－1。

(2)集輸管線壓降計算

式中

Δp——集輸管道壓降/MPa;

λm——阻力系數(shù);

ρm——氣液混合物平均密度/kg·m－3;

vm——流體流速/m·s－1;

L——管道長度/km;

1．2 計算參數(shù)

20℃時原油密度0． 897 3 g/cm3，50℃粘度55.23 mPa·s，凝固點30℃，氣油比10 m3/t，產(chǎn)液量為216 t/d，綜合含水率為60．3%，井口平均出油溫度25℃，控制進(jìn)站溫度35℃，進(jìn)站壓力0．2 MPa，井口最高回壓1． 5 MPa，冬季管線埋地土壤溫度為5℃，夏季管線埋地土壤溫度15℃。傳熱系數(shù)根據(jù)“油氣集輸設(shè)計規(guī)范”GB50350 － 2005 附錄中取值。

圖1 原油粘度隨溫度的變化曲線

由圖1 和圖2 可以看出，原油粘度隨著溫度的上升而下降，含水原油的粘度隨著含水率的升高先上升后下降，原油轉(zhuǎn)向點為60%左右。

圖2 含水原油粘度隨含水率的變化曲線

1．3 計算方法

本文使用PIPESIM 軟件進(jìn)行計算。

2 計算結(jié)果及分析

2．1 計算條件

分別對摻水溫度為50 ～85℃8 個溫度下的模型進(jìn)行計算，模型中管道埋深為－1．5 m，保溫層厚度為40 mm。調(diào)節(jié)摻水比來控制產(chǎn)出液的進(jìn)站溫度在35℃左右，通過模型計算各個溫度下的摻水比、井口回壓、耗氣量、耗電量及運行費用，具體計算結(jié)果見表1 和表2。

2．2 結(jié)果分析

2．2．1 摻水溫度對摻水比的影響

在不同的摻水溫度下(摻水泵流量通過變頻進(jìn)行控制)，通過調(diào)節(jié)摻水比控制產(chǎn)出液的進(jìn)站溫度在35℃左右，由圖3 可以看出，在保證產(chǎn)出液進(jìn)站溫度的情況下，摻水比隨著摻水溫度的升高而增大，曲線在50 ～60℃之間時變化比較明顯，說明摻水比在低溫區(qū)對摻水溫度的變化比較敏感，在溫度超過70℃以后，摻水比隨摻水溫度的升高變化比較平緩。冬季土壤溫度較低，管線的散熱量較大，因此冬季摻水比相比夏季有所增大。

圖3 摻水比隨摻水溫度的變化曲線

表1 冬季不同摻水溫度下各摻水的計算結(jié)果

表2 夏季不同摻水溫度下各摻水的計算結(jié)果

2．2．2 摻水溫度對井口回壓的影響

井口回壓主要是由管線的沿程摩阻決定的，沿程摩阻主要受流體粘度和流速的影響，管線摩阻損失隨流體粘度和流速的降低而下降。由圖4 可以看出，摻水溫度在50 ～55℃時，井口回壓下降比較明顯，在摻水溫度達(dá)到60℃以上時，摻水溫度對井口回壓影響不大。

另外，根據(jù)BIG網(wǎng)站信息，印度尼西亞早在2013年之前，就意識到了多規(guī)合一的重要性，執(zhí)行了“一張圖”政策，計劃到2019年底全面實現(xiàn)“一張圖”的標(biāo)準(zhǔn)化目標(biāo)。該政策從基礎(chǔ)圖、林業(yè)用圖、空間規(guī)劃圖等方面對1∶50 000地圖首先進(jìn)行多規(guī)合一，以服務(wù)于土地出讓和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等方面的工作，這一工作比我國大部分省區(qū)開展得都早。在印度尼西亞，這項工作的直接負(fù)責(zé)人是印度尼西亞總統(tǒng)和副總統(tǒng)，相關(guān)部委的部長、各省的省長、相關(guān)市的市長等直接領(lǐng)導(dǎo)人參與，這一點也是我國在開展這類工作時值得借鑒和學(xué)習(xí)的。

2．2．3 摻水溫度對耗氣量的影響

由圖5 可知，耗氣量隨著摻水溫度的升高而增加，這是因為隨著摻水溫度的增加，摻水系統(tǒng)熱負(fù)荷逐漸增大，摻水系統(tǒng)的熱負(fù)荷是通過加熱爐燃燒氣提供的，因此摻水溫度的升高導(dǎo)致耗氣量逐漸增大。冬季管線熱損失比夏季多，因此冬季的耗氣量比夏季耗氣量大。

圖4 井口回壓隨摻水溫度的變化曲線

這是因為在低溫時，摻水比隨著摻水溫度的下降有明顯增幅，摻水比的增加使管線內(nèi)流體流速增加，根據(jù)式(3)，流體流速增大是使摩阻損失增大的因素，摻水溫度升高使流體粘度下降，這是摩阻損失減小的因素，但由圖2 可知，摻水量的減小又使流體粘度上升，這是摩阻損失增大的因素。在低溫區(qū)，流速成為影響摩阻損失的主要因素，因此，三個因素綜合的結(jié)果是井口回壓下降，在摻水溫度達(dá)到60℃以上時，三個因素基本保持平衡，井口回壓變化不大。

圖5 月耗氣量隨摻水溫度的變化曲線

2．2．4 摻水溫度對耗電量的影響

集油系統(tǒng)的電量消耗主要是摻水泵將低壓回水增壓，然后通過站間摻水管道輸至集油摻水閥組間的摻水匯管，并分配至各集油環(huán)管道內(nèi)所消耗的電量。

由圖6 可知，耗電量隨著摻水溫度的升高而降低，這是因為，在進(jìn)站溫度一定的情況下，隨著摻水溫度的升高，摻水比逐漸降低，由式(4)可知，泵的輸出功率與泵的流量和揚程成正比，由于管線摩阻損失隨摻水溫度變化不大，因此泵的揚程變化不大，所以隨著摻水比的逐漸下降，泵的輸出功率也逐漸降低［11］。相同摻水溫度下，冬季摻水比較大，因此冬季的耗電量較多。

圖6 摻水系統(tǒng)耗電量隨摻水溫度的變化曲線

式中

Q——流體流量/m3·h－1;

H——泵的揚程/m;

ρ——流體平均密度/kg·m－3;

η——泵的效率。

2．2．5 摻水溫度對運行費用的影響

由圖7 可知，摻水系統(tǒng)的運行費用隨著摻水溫度的升高，先減少后增加，運行費用主要包括燃?xì)赓M用和電費，由以上論述可知，隨著摻水溫度的增加，耗氣量逐漸增大，耗電量逐漸減小，當(dāng)摻水溫度處于低溫區(qū)時，電費的下降是運行費用變化的主導(dǎo)因素，因此隨著溫度的升高，運行費用逐漸降低;當(dāng)摻水溫度超過70℃(夏季65℃)以后，燃?xì)赓M用的增加成為運行費用變化的主導(dǎo)因素，因此，隨著摻水溫度的升高，運行費用逐漸增加。綜合考慮，冬季摻水溫度在70℃左右時運行費用最低，夏季摻水溫度在65℃左右時運行費用最低。

圖7 運行費用隨摻水溫度的變化曲線

3 結(jié)論

通過以上計算結(jié)果及分析，可以得到如下結(jié)論:

摻水系統(tǒng)熱損失隨著摻水溫度的升高而增大;井口回壓隨著摻水溫度的升高先降低后保持穩(wěn)定;耗氣量隨著摻水溫度的升高而增加，耗電量隨著摻水溫度的升高而降低;摻水系統(tǒng)運行費用隨著摻水溫度的升高先降低后升高，冬季摻水溫度在70℃左右時運行費用最低，夏季摻水溫度在65℃左右時運行費用最低。

［1］魏立新，李朋，等．單管環(huán)狀摻水流程降溫集輸運行實踐與分析［J］．節(jié)能，2011(7):112 － 115．

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［11］李陽初，劉雪暖． 石油化學(xué)工程原理(上冊)［M］．北京:中國石化出版社，2008:86 －115．