油氣集中處理站節(jié)能降耗與優(yōu)化技術(shù)研究

李巖芳，韓光明，胡桂秋，李江飛

(1.承德石油高等?？茖W(xué)校 熱能工程系，河北 承德 067000;2.承德石油高等?？茖W(xué)校科技發(fā)展與校企合作處，河北 承德 067000)

油氣集輸系統(tǒng)是油田生產(chǎn)的重要組成環(huán)節(jié)，它的技術(shù)工藝、能量消耗對整個油田的運(yùn)行成本起著重要作用。隨著油田進(jìn)入高含水開發(fā)中后期，油氣處理難度和成本都將急劇增加。對油氣集中處理站系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造可以降低原油處理能耗和成本，這也是目前節(jié)能降耗的主要途徑。但是進(jìn)行技術(shù)改造需要大量的資金投入，在資金投入不足的情況下，通過對油氣集中處理站的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，也可以實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。這種方法主要是著眼于現(xiàn)有的系統(tǒng)，投資少、成本低。以高青油氣集中處理站系統(tǒng)為研究對象，探討通過參數(shù)優(yōu)化與流程改造以降低集輸系統(tǒng)能耗的方法。

1 油品物性分析

對高青油氣集中處理站的進(jìn)站油樣進(jìn)行油品物性分析，包括密度、粘溫特性和凝點等，研究這些參數(shù)可以為節(jié)能降耗技術(shù)方案提供有力的依據(jù)。影響原油乳狀液破乳的因素很多，包括原油乳狀液的性質(zhì)、原油破乳劑的性質(zhì)、外界脫水條件等。在一定脫水溫度下，對比加入不同數(shù)量的破乳劑后，脫水率、脫水速率、脫出水含油率以及油水界面狀態(tài)，得出破乳劑的破乳效果與加藥濃度的關(guān)系，尋找合理的破乳劑濃度，以減少破乳劑投加量，節(jié)約投資。在不同的脫水溫度下，對比加入相同數(shù)量的破乳劑后的脫水率、脫水速率、脫出水的含油率以及油水界面狀態(tài)，得出經(jīng)濟(jì)合理的破乳溫度，以降低加熱爐的負(fù)荷，節(jié)約燃料。

通過實驗研究得到如下結(jié)論:a通過密度測定實驗，擬合出高青聯(lián)合站進(jìn)站原油密度隨溫度變化的經(jīng)驗公式;b通過粘溫特性的實驗研究，繪制了粘溫特性曲線;c通過分析油品物性及破乳對比實驗，得出經(jīng)濟(jì)的破乳溫度。

2 油氣集中處理站系統(tǒng)模型的建立與求解[1］

1)由于站內(nèi)工藝流程已經(jīng)確定，站內(nèi)與油氣處理直接相關(guān)的各種運(yùn)行費用主要為藥劑消耗、燃料消耗、電費三方面，系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)可以表示為:

2)優(yōu)化變量的確定。油氣集中處理站的運(yùn)行參數(shù)很多[2］，但是并不是所有參數(shù)都可以作為優(yōu)化變量，有些運(yùn)行參數(shù)對優(yōu)化變量沒有影響，有些參數(shù)不能獨立確定，而依賴于其他的工藝參數(shù)，如外輸溫度等。通過對工藝流程的分析，確定本優(yōu)化的優(yōu)化變量為:

式中:C1—進(jìn)站加藥濃度;T1—進(jìn)站加熱爐出口溫度。

各變量對目標(biāo)函數(shù)的影響為:a加藥濃度影響沉降罐的沉降脫水效果，加藥濃度越高，脫水效果越好，從而使得加熱爐出口油溫可適當(dāng)降低，從而減少了燃料費;但是加藥濃度高，會使得藥劑費用增加，因此必須優(yōu)選加藥濃度。b加熱爐溫度越高，脫水越容易、脫水效果越好，但是加熱爐的能量消耗必然越大，因此不能盲目追求脫水器的高工作溫度，應(yīng)在滿足油水指標(biāo)的條件下盡量降低電脫水器的工作溫度。

由上述各式及必要的工藝條件就組成了聯(lián)合站參數(shù)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，該優(yōu)化模型顯然是有約束的非線性最優(yōu)化問題，為了提高計算的速度和準(zhǔn)確性，編制計算機(jī)程序進(jìn)行求解。

3 油氣集中處理站系統(tǒng)用能狀況分析

油氣集中處理站節(jié)能降耗研究主要涉及到系統(tǒng)效率、能耗合理性分析方面。系統(tǒng)效率主要反映該系統(tǒng)在油氣處理過程中所消耗能量的利用率;能耗合理性分析主要反映該系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)能耗的大小、能耗的合理性和用能的薄弱環(huán)節(jié)。

對油氣集中處理系統(tǒng)進(jìn)行用能狀況分析的基礎(chǔ)是能量平衡[3］。無論是系統(tǒng)內(nèi)的集油管線、油氣處理的設(shè)備還是系統(tǒng)內(nèi)子系統(tǒng)(如加熱爐系統(tǒng)、泵系統(tǒng)等)的用能分析，都建立在能量平衡的基礎(chǔ)上。具體做法是運(yùn)用節(jié)點法，首先確定用能分析的對象，然后建立節(jié)點系統(tǒng)的能量平衡，并計算能量平衡式中的各項能量，最后根據(jù)對象的功能分析各項能量的利用情況。

從能流圖1可分析出影響高青油氣集中處理站生產(chǎn)能耗的主要因素包括以下幾個方面:

①被加熱的污水量;②加熱爐效率;③泵運(yùn)行情況;④節(jié)流損失。

對系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)點劃分如圖2所示。

通過節(jié)點法對系統(tǒng)各用能單元分析(以泵單元為例)。

以卸油泵和裝車泵為研究對象。通過分析計算，可得泵單元能流圖3。

由圖3可以得出以下結(jié)論:泵單元的有用功僅占電動機(jī)輸入能量的34.8%，30.0%的能量損失在出口節(jié)流上，即泵傳遞給介質(zhì)能量的46.3%又消耗在出口閥門上(對于節(jié)流損失，由于本站流程簡單，管線較短，沿線節(jié)流部件較少，故為了簡化分析，近似認(rèn)為節(jié)流損失主要發(fā)生在泵的出口閥門處)。

通過分析得到:1)高青油氣集中處理站加熱爐單元的有效熱負(fù)荷僅占加熱爐熱負(fù)荷的33.8%，燃料燃燒放出熱量的40.7% 被油中含水帶走;2)設(shè)備損失偏高，達(dá)總輸入熱量的25.5%，加熱爐效率偏低。

4 系統(tǒng)用能優(yōu)化

以加熱爐為例進(jìn)行優(yōu)化分析。

對油樣進(jìn)行不加破乳劑的沉降脫水實驗(沉降時間為35 min，溫度分別為進(jìn)站原油的夏季油溫40℃，冬季油溫37℃)，以確定分水器出口原油的含水率;然后，在對油樣加入破乳劑(選用現(xiàn)用加藥比0.06‰)進(jìn)行沉降脫水實驗，確定分水器出口原油的含水率，并與不加破乳劑時所測的含水率進(jìn)行對比。實驗結(jié)果見表1。

表1 預(yù)分水可行性實驗數(shù)據(jù)對比表

通過對比實驗數(shù)據(jù)可知，在夏季進(jìn)站油溫40℃、冬季進(jìn)站油溫37℃下，對油樣加入0.06‰破乳劑后，再進(jìn)行分水，油水界面清晰，水層較清澈，分水效果明顯。進(jìn)行預(yù)分水實驗，得到分水前原油加熱熱負(fù)荷與分水后加熱熱負(fù)荷對比如圖4。

Q1—加熱含水原油的熱負(fù)荷;Q0—加熱不含水原油熱負(fù)荷;q—含水率。

由圖4可知，高青站加熱爐進(jìn)口原油含水由40%降到15%，站內(nèi)熱負(fù)荷可以減少23%。

以上實驗結(jié)果證明，預(yù)分水可行。因此，建議在加熱前、加藥點后增設(shè)一臺分水器，使加藥后的管線來油和車倒油先進(jìn)入分水器沉降，分出一部分水后，再進(jìn)入加熱爐加熱。

利用原油物性參數(shù)，根據(jù)優(yōu)化模型進(jìn)行優(yōu)化，得優(yōu)化前后用能對比情況如圖5。

如圖5所示，增設(shè)預(yù)分水后，高青站熱能利用率可提高至54.7%，近原來的兩倍;加熱爐燃料用量可減少約26.4%。為防止分水后油流流量減小、加熱爐熱負(fù)荷降低引起的加熱效率過低(目前也存在這樣的問題)，建議在預(yù)分水后只運(yùn)行一臺加熱爐。

5 結(jié)論

1)由于高青油氣集中處理站的年運(yùn)行費用主要由電費和藥費組成，對聯(lián)合站用電進(jìn)行優(yōu)化，效果將較顯著。

2)由系統(tǒng)能流圖可知，加熱污水，為能量流失的重頭，且屬于無用能量消耗。由結(jié)果可知，在加熱爐前、加藥點后增設(shè)預(yù)分水器，效果很明顯。建議在加藥點后，對進(jìn)站原油進(jìn)行預(yù)分水處理。采取預(yù)分水方式，可有效地減少加熱爐燃料消耗，減少無效熱負(fù)荷，從而降低油氣集中處理站運(yùn)行費用。隨著油田的深度開發(fā)，原油含水將逐年增高，預(yù)分水處理的重要性也必將隨之提高。

[1]李巖芳，韓光明.聯(lián)合站工藝優(yōu)化運(yùn)行研究[J］.承德石油高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2009(1):21－24.

[2]王曉明.白狼城-小河集輸聯(lián)合站優(yōu)化運(yùn)行研究[D］.西安:西安石油大學(xué)，2013.

[3]油田油氣集輸設(shè)計技術(shù)手冊編寫組.油田油氣集輸設(shè)計技術(shù)手冊(上冊)[M］.北京:石油工業(yè)出版社，1994.