北五原油集輸脫水站提高熱能利用探討

田三忠，武明民，楊 陽，王新建，宋成龍

（1.成都理工大學(xué)，四川成都 610059；2.中國石油長慶油田分公司第三采油廠，寧夏銀川 750006）

靖安油田北五轉(zhuǎn)原油集輸系統(tǒng)始建于2004 年，是以靖一聯(lián)合站為主體終點(diǎn)的原油集輸系統(tǒng)，目前日處理液量占靖安油田侏羅系集輸系統(tǒng)的近1/2。2014 年對(duì)北五原油接轉(zhuǎn)站實(shí)施了改建脫水站工程，改建完成后，由于北五原油脫水站加溫系統(tǒng)采用天然氣加溫，受干氣量少，集輸管線管程過長等因素影響，北五原油脫水站自投用以來，外輸溫度始終低于下游要求溫度，給下游站點(diǎn)集輸系統(tǒng)運(yùn)行帶來很大壓力。本文主要針對(duì)北五原油脫水站目前工藝流程及生產(chǎn)參數(shù)來探討該系統(tǒng)熱值消耗，探尋一套符合北五原油脫水站的運(yùn)行模式，以期提高集輸系統(tǒng)熱能利用率，實(shí)現(xiàn)靖安油田侏羅系集輸系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行。

1 集輸生產(chǎn)現(xiàn)狀調(diào)查

1.1 集輸系統(tǒng)現(xiàn)狀

北五原油脫水站主要負(fù)責(zé)塞248 區(qū)塊、ZJ4 新區(qū)、楊66 區(qū)塊及新56 區(qū)塊的原油集輸任務(wù)，由較集中的8 個(gè)增壓點(diǎn)以及7 個(gè)井組單井組成，日處理液量達(dá)到1 492 m3，油量670 m3/d，水量820 m3/d。污水回注1 205 m3/d，需要靖一聯(lián)補(bǔ)充污水400 m3/d。

北五原油脫水站目前利用三相分離器進(jìn)行油水分離，對(duì)產(chǎn)進(jìn)原油進(jìn)行統(tǒng)一加溫加藥之后，進(jìn)入三相分離器進(jìn)行油水分離，分離出原油外輸至下游站點(diǎn)靖一聯(lián)合站，管線規(guī)格φ159×6×11.2 km，日集輸液量670 m3。分離出污水處理后進(jìn)行就地回注。

目前北五轉(zhuǎn)三相分離器進(jìn)液溫度63 ℃，所投加藥品為長慶化工集團(tuán)提供的破乳劑YT-100，投加濃度為200 mg/L。三相分離器出口原油含水0.5 %，污水含油50 mg/L，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)標(biāo)。

1.2 熱值利用消耗現(xiàn)狀

北五原油脫水站基本集輸流程為原油經(jīng)過總機(jī)關(guān)閥組，首先進(jìn)入80 m2換熱器加溫，然后進(jìn)入60 m3緩沖罐，再經(jīng)過加熱爐加溫進(jìn)入三相分離器，最后油水分離后，凈化油進(jìn)入儲(chǔ)油罐外輸，污水進(jìn)入除油罐、凈化污水罐回注。由北五原油脫水站流程簡(jiǎn)圖可以看出（見圖1），原油在進(jìn)入三相分離器之前有兩次加溫過程，即80 m2產(chǎn)進(jìn)換熱器和兩具真空加熱爐，而在三相分離器后端并沒有加溫設(shè)備。由于三相分離器出口凈化油在站內(nèi)無法加溫，外輸原油溫度低，不能滿足下游站點(diǎn)要求，北五原油脫水站只能提高三相分離器進(jìn)口原油溫度，來盡量滿足原油外輸溫度要求，目前三相分離器進(jìn)口液量溫度63 ℃，已經(jīng)達(dá)到站點(diǎn)加溫上限。

1.3 目前生產(chǎn)存在問題

由于連續(xù)產(chǎn)能開發(fā)和后端燃煤點(diǎn)氣化改造的實(shí)施，靖安油田加溫用氣量逐年上升，已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)生活需要。北五原油脫水站干氣壓力下降，給站點(diǎn)生產(chǎn)生活帶來挑戰(zhàn)，必須用盡可能少的天然氣達(dá)到最好的加溫效果，實(shí)現(xiàn)原油集輸系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。

圖1 北五原油脫水站流程簡(jiǎn)圖

1.3.1 站內(nèi)集輸系統(tǒng)熱能利用率低 北五原油脫水站日處理液量1 492 m3，其站內(nèi)閥組匯管溫度僅為27.5 ℃，將全部液量加溫到63 ℃進(jìn)行原油脫水，之后凈化油外輸至靖一聯(lián)進(jìn)行下一步處理，污水處理后回注。該過程分離產(chǎn)生凈化油672 m3/d，污水820 m3/d，利用熱能定律：Q=CMΔt。

式中：Q：熱量（焦耳，J）；C：比熱容（焦耳/千克·攝氏度，J/kg·℃），C水=4 200 J/kg·℃，C油=1 800 J/kg·℃；Δt：溫度差（攝氏度，℃）。

計(jì)算：Q水=4 200×820×（63-27.5）×1 000=1 229×108J；Q油=1 800×672×0.857 3×（63-27.5）×1 000=368×108J；Q水+Q油=1 597×108J。

得出，北五原油脫水站將1 492 m3液量從27.5 ℃提溫至63 ℃需要熱量1 597×108J（3 820×104kcal），需要消耗天然氣4 140 m3，其中污水升溫所占能量為77%，油升溫所占能量比例為23 %。

表1 加藥濃度為200 mg/L 時(shí)溫度對(duì)原油脫水影響

1.3.2 原油脫水溫度過高導(dǎo)致熱能消耗增大 目前，北五轉(zhuǎn)三相分離器運(yùn)行采用集中加溫加藥，其中加藥為破乳劑YT-100，由長慶化工集團(tuán)提供。在相同破乳劑投加濃度下，做溫度對(duì)原油破乳效果實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)破乳劑加藥濃度為200 mg/L。實(shí)驗(yàn)效果（見表1，圖2）。

圖2 破乳劑濃度100 mg/L 時(shí)溫度對(duì)原油脫水影響效果圖

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，破乳劑YT-100 的最佳脫水溫度為42 ℃。而在實(shí)際操作中，為了滿足原油外輸溫度，只能提高三相分離器前端溫度，實(shí)際運(yùn)行溫度為63 ℃，遠(yuǎn)高于最佳脫水溫度，造成了熱能消耗過大，熱能利用率低。

1.3.3 原油輸送熱能損失嚴(yán)重 由于北五原油脫水站集輸管線規(guī)格為φ159×6×11.2 km，存在輸送液量少，僅有672 m3，是管程的3 倍。輸送距離遠(yuǎn)，達(dá)到11.2 km。同時(shí)因受到山區(qū)地形影響，管線外露[1]，加速了熱量散失，導(dǎo)致下游靖一聯(lián)合站收到原油溫度低。下游靖一聯(lián)合站需要各站來油溫度達(dá)40 ℃以上，而北五原油脫水站外輸溫度需要達(dá)到63 ℃才能勉強(qiáng)滿足靖一聯(lián)收到溫度的要求。

另外，北五原油脫水站輸送原油基本為凈化油，進(jìn)入下游靖一聯(lián)合站后與其他站點(diǎn)液量匯合進(jìn)入沉降罐又進(jìn)行沉降分離，無形中又增加了熱值損耗，降低了熱能利用率（見表2）。

表2 靖一聯(lián)上游站點(diǎn)來油溫度記錄

2 北五原油脫水站集輸系統(tǒng)提高熱能利用率思路

根據(jù)生產(chǎn)中存在的問題進(jìn)行綜合分析，從兩個(gè)方面進(jìn)行綜合處理。第一，降低三相分離器進(jìn)口溫度，使其在破乳劑的最佳效果溫度運(yùn)行，即控制三相分離器進(jìn)口溫度為42 ℃。第二，鑒于第一條思路的實(shí)施，導(dǎo)致三相分離器出口原油溫度僅為40 ℃左右，不能滿足外輸要求。此時(shí)，需要對(duì)外輸原油進(jìn)行加溫處理，使得外輸溫度達(dá)到63 ℃，滿足外輸溫度要求。該思路主要優(yōu)點(diǎn)為，將三相分離器“低溫”脫水，分離出的凈化油再進(jìn)行加溫外輸，分離出的污水直接處理回注，減少了脫出污水的熱值消耗[2]。

具體改造措施為，將原來80 m2產(chǎn)進(jìn)換熱器改造為外輸換熱器。運(yùn)行時(shí)控制加熱爐出口溫度為42 ℃，滿足原油在三相分離器中分離的最佳破乳劑使用溫度，減少熱量消耗[3]。三相分離器出口凈化油經(jīng)過外輸泵之后，再經(jīng)過80 m2換熱器加溫到63 ℃，如此改造大大節(jié)省了熱能消耗，提高了北五原油脫水站熱能利用率（見圖3）。

3 提高熱能利用率可行性分析

改造后北五原油脫水站三相分離器之前流程均可以實(shí)現(xiàn)，即控制三相分離器進(jìn)口溫度在42 ℃左右運(yùn)行，進(jìn)行以下分析。

換熱器的面積與熱功率的關(guān)系為：F=Q/aKT

式中：F-面積；Q-換熱量；K-換熱系數(shù)，據(jù)換熱介質(zhì)及工況不同，K 值差別較大，可由樣本中查出；T-對(duì)數(shù)平均換熱溫差；a-裕量系數(shù)，一般取0.7～0.9。

北五原油脫水站換熱器面積為80 m2；換熱系數(shù)K，選鋼材的換熱系數(shù)45 W/（m2·℃）；根據(jù)北五轉(zhuǎn)真空加熱爐水盤管進(jìn)出口溫度取T=10 ℃，則Q換=FaKT=80×0.8×45×10=28 800 W/h=24 768 kcal/h。

也就是說北五原油脫水站80 m2換熱器，當(dāng)進(jìn)出口溫度差為20 ℃時(shí)，每小時(shí)熱交換49 536 kcal。

而北五原油脫水站原油外輸排量：q=672/24=28 m3/h。

假設(shè)排量為32 m3/h，溫度從40 ℃上升到63 ℃需要熱量為：Q油=CMΔt=1 800×32×1 000×0.857 3×（63-40）=272 kcal。

Q油＜Q換，所以80 m2換熱器可以滿足外輸加溫需要。

4 節(jié)能改造效果評(píng)價(jià)

4.1 減少熱能消耗

該節(jié)能改造項(xiàng)目主要是減少了北五原油脫水站1 492 m3原油中脫出的864 m3污水繼續(xù)加溫消耗的熱值，即在加溫過程中，將1 492 m3原油加溫至42 ℃，經(jīng)三相分離器油水分離后繼續(xù)將凈化油加溫至63 ℃，而沒有將污水再加溫，減少了熱值消耗。下面是864 m3污水從42 ℃上升至63 ℃所需要能量。

圖3 北五原油脫水站提高熱能利用率改造流程簡(jiǎn)圖

通過計(jì)算得出，通過改造每日可減少能量消耗1 738×104kcal，可節(jié)省天然氣1 884 m3，改造后天然氣用量為目前用量的45 %。年節(jié)省天然氣用量68.78×104m3。

5 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

北五原油脫水站的提高熱能利用率改造，施工難度小，預(yù)期成效顯著。在目前靖安油田天然氣用量緊缺的時(shí)候，實(shí)施該改造項(xiàng)目已經(jīng)迫在眉睫。

5.1 節(jié)能經(jīng)濟(jì)價(jià)值評(píng)估

北五原油脫水站提高熱能利用率的實(shí)施，可每年節(jié)省天然氣用量68.78×104m3?？梢詽M足兩座液量400 m3規(guī)模接轉(zhuǎn)站的用氣量。

5.2 確保集輸系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行

北五原油脫水站提高熱能利用率改造的實(shí)施，可以有效提高原油外輸溫度，滿足了下游站點(diǎn)的溫度要求，緩解了下游站點(diǎn)加溫壓力，確保了集輸系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。

5.3 集群效應(yīng)

北五原油脫水站熱值利用的探討研究，為原油脫水站建設(shè)提出了一個(gè)合理的熱值利用思路，提出了脫水站節(jié)能降耗運(yùn)行模式，為油田后期建設(shè)規(guī)劃提出了技術(shù)指導(dǎo)。針對(duì)綜合含水較高、外輸溫度要求高的脫水站，可以先進(jìn)行低溫脫水處理，再經(jīng)過外輸加溫的運(yùn)行模式來實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。

［1］ 吳拓，才鴻年.金屬材料手冊(cè)［M］.江蘇：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

［2］ 孫世海，等.沙漠地區(qū)天然氣長輸管道工程［J］.油氣田地面工程，2006，（5）：22-23.

［3］ 華東水利學(xué)院，水工設(shè)計(jì)手冊(cè)（第一卷·基礎(chǔ)理論）［M］.水利電力出版社，1983.