天然氣分布式能源聯(lián)供技術(shù)在油氣田集氣站的應(yīng)用

李正茂，王紅濤

分布式能源

天然氣分布式能源聯(lián)供技術(shù)在油氣田集氣站的應(yīng)用

李正茂，王紅濤

（中國石化撫順石油化工研究院，遼寧撫順113001）

油氣田企業(yè)供能多采用分產(chǎn)分供方式，能源利用率低，能耗偏高。天然氣分布式能源可提高系統(tǒng)供電安全性和能源利用率。利用天然氣發(fā)電，可滿足集氣站用電需求，利用煙氣和高溫缸套水提供站內(nèi)所需熱量。智能管控系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳輸和遠方監(jiān)控。自動控制裝置，通過控制三通閥開度，滿足不同季節(jié)所需負荷和溫度變化。

分布式能源系統(tǒng)；熱電聯(lián)供；內(nèi)燃發(fā)電機；換熱器；水套加熱爐

0 引言

油氣田企業(yè)大都處于較為偏遠的區(qū)域，油氣井呈現(xiàn)點多面廣的分布特點。隨著勘探開發(fā)的深入，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，對供能安全性、可靠性和經(jīng)濟性要求越來越高。當前，在生產(chǎn)用能過程中普遍存在以下問題：

1）供能主要采用分產(chǎn)分供方式，能源利用率低，能耗偏高；

2）電力主要采用網(wǎng)購方式，每年要支付數(shù)額可觀的購電費，生產(chǎn)運行成本高；

3）工藝加熱和保溫直接采用燃油或燃氣方式，熵損失大；

4）配電網(wǎng)普遍采用架空線路長距離供電，線損大，供電安全性差；

5）低壓伴生氣主要采用燃燒排空方式處理，不僅浪費資源，而且會對環(huán)境造成影響。

選擇適宜位置建設(shè)分布式能源站，利用排空低壓伴生氣，按照能量梯級利用的原則實現(xiàn)區(qū)域熱電聯(lián)供，是解決油氣田能源利用率低、供電安全性差、排空天然氣污染環(huán)境等問題的有效手段。

集氣站是連接氣井與管網(wǎng)的中間環(huán)節(jié)，主要是用于收集氣田產(chǎn)出的天然氣，并對其進行降壓、分離和凈化處理，脫除雜質(zhì)、水、凝析油和酸性物質(zhì)，使天然氣達到符合管輸要求的條件，然后輸往長輸管道。[1]隨著天然氣開發(fā)力度的加大，集氣站數(shù)量呈現(xiàn)快速增長的趨勢，但大多數(shù)集氣站普遍存在管理粗放、用能方式不合理和能源利用率低的問題。集氣站生產(chǎn)過程中有電、冷、熱負荷的需求，同時有低壓放空天然氣，是開展分布式能源聯(lián)供的較佳的場所。

隨著全球經(jīng)濟的快速發(fā)展，如何保證能源供應(yīng)的可靠性和資源利用的合理性，減少對環(huán)境的破壞，成為保證經(jīng)濟穩(wěn)定發(fā)展必須解決的當務(wù)之急。分布式能源聯(lián)供系統(tǒng)可以實現(xiàn)能源的梯級利用，提高能源整體利用效率。在美國、日本等發(fā)達國家，分布式能源已經(jīng)成為公用建筑領(lǐng)域重要的供能方式和手段。2003年，分布式能源總裝機5600萬kW，占全美電力裝機的7%，發(fā)電量占9%[2]。

本文在深入分析西北油田某天然氣集氣站的電、熱需求的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一套天然氣熱電聯(lián)供和智能管控系統(tǒng)。實際運行情況表明，利用天然氣發(fā)電機可滿足集氣站電負荷需求，利用煙氣和缸套水余熱可以替代原水套爐滿足站內(nèi)生產(chǎn)、生活用熱需求，天然氣能源綜合利用效率達到74.2%。智能管控系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳輸、遠方監(jiān)控和自動控制。自動控制裝置，通過控制三通閥開度，滿足不同季節(jié)所需負荷和溫度變化。

1 應(yīng)用實例

1.1 天然氣集氣站簡介

西部油田某采氣廠集氣站，主要任務(wù)是收集開采出的天然氣，對其進行脫水和回收凝析液，處理后輸往采氣廠繼續(xù)處理后進入輸氣管網(wǎng)。其中低壓井油氣經(jīng)過分離處理后壓力低，數(shù)量少，投運壓縮機升壓后輸往采氣廠不經(jīng)濟，主要采用排空燃燒方式處理。

1.2 集氣站用能分析

集氣站所需的能源主要是電能和熱能，其中電負荷400kW，主要為丙烷壓縮機和各類泵提供動力，采用外購方式，引自當?shù)?10kV變電所，通過架空線引至集氣站。熱能用于油氣分離、油罐保溫和冬季采暖，配有兩臺水套加熱爐，分別為1臺400kW（#1）和1臺200kW（#2）燃氣水套爐，燃料為低壓天然氣。

集氣站的電能由地方電網(wǎng)提供，每年要支付168萬元的購電費，單回路供電電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，直接影響站內(nèi)的正常生產(chǎn)。集氣站低壓井氣分離后除為水套爐提供燃料外，主要采用排空火炬燃燒方式處理，不僅造成資源的浪費，而且造成對環(huán)境的污染。

根據(jù)現(xiàn)場用能需求，擬采用熱電聯(lián)供方案，用以滿足生產(chǎn)需要，提高能源的綜合利用率[3-5]。新上一臺內(nèi)燃發(fā)電機組，利用低壓排空天然氣為燃料，為集氣站提供所需的電能；利用發(fā)電機高溫煙氣和缸套水，通過換熱器為水套爐水提供熱量，滿足原油加熱油氣分離和油罐伴熱保溫所需熱量。發(fā)電機并入變電站母線與地方電網(wǎng)相連，采用并網(wǎng)不上網(wǎng)的運行方式。當發(fā)電機發(fā)生故障，通過地方電網(wǎng)向集氣站送電，水套爐通過燃燒天然氣提供熱量，保證集氣站正常供能，提高整個系統(tǒng)的安全系數(shù)。

1.3 天然氣熱電聯(lián)供方案

通過對現(xiàn)場所需電、熱負荷進行綜合計算并結(jié)合遠期發(fā)展規(guī)劃，確定熱電聯(lián)供裝置規(guī)模和工藝流程。其中，發(fā)電機組采用600kW天然氣發(fā)電機，針對煙氣和缸套水兩部分余熱，采用400kW煙氣余熱利用裝置和200kW缸套水余熱利用裝置，同時配套相關(guān)的控制測量設(shè)備。

天然氣熱電聯(lián)供系統(tǒng)如圖1所示。內(nèi)燃發(fā)電機利用低壓排空天然氣發(fā)電，發(fā)出的電經(jīng)變壓器升壓后并入處理站變電所10kV母線，供全站電源。供熱方面，根據(jù)使用用途及現(xiàn)場工藝流程特點分成兩個部分。天然氣內(nèi)燃機發(fā)電機組燃燒后排放的煙氣可達到550℃，通過熱管式換熱器，將進水加熱到90℃，并入400kW水套爐，用于凝析油加熱進行油氣分離。內(nèi)燃機的高溫缸套水出水溫度為75℃，通過板式換熱器將進水加熱到60-70℃，并入200kW水套爐，為凝液儲罐和底水罐提供保溫伴熱。

煙氣和缸套水控制閥的控制點分別為凝析油出口溫度和#2水套爐出水溫度，溫度控制可在就地PLC控制柜由通過授權(quán)的操作人員可進行修改，以滿足不同季節(jié)生產(chǎn)的需求。另外在兩余熱利用回路之間設(shè)置切換閥，當夏季#2水套爐不運行時，可實現(xiàn)回收缸套水熱量并入#1水套爐，用于凝析油加熱進行油氣分離。當出現(xiàn)發(fā)電機故障或站內(nèi)電負荷減少，余熱利用裝置無法滿足生產(chǎn)所需熱量時，水套爐可通過補燃天然氣的方式滿足生產(chǎn)需要熱量。

圖1 天然氣熱電聯(lián)供系統(tǒng)示意圖

1.4 智能管控方案

建立智能管控系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳輸，遠方監(jiān)控、自動調(diào)整。遠傳監(jiān)控系統(tǒng)解決了分布式電源系統(tǒng)發(fā)電、負荷、儲能、非電量數(shù)據(jù)傳輸、實施動態(tài)可視監(jiān)控，就地、遠方協(xié)調(diào)控制技術(shù)。

數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如圖2所示，采集現(xiàn)場所需運行參數(shù)，通過光纜傳輸?shù)浆F(xiàn)場集控室。在集控室內(nèi)可實時了解運行參數(shù)、趨勢、報警情況和裝置能源利用效率。在集控室通過局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至生產(chǎn)系統(tǒng)，可實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控。

在發(fā)電機組排煙口加裝電動控制三通閥，控制進熱管換熱器的煙氣量，進而控制400kW水套爐出口油溫；在發(fā)電機、缸套水出口處加裝電動控制三通閥，控制進入板換的熱水流量，進而控制200kW水套爐出水溫度。

當檢測到400kW水套爐出油溫度高于設(shè)定值時，關(guān)小至熱管換熱器開度，開大至煙氣旁路直通門開度。當檢測到400kW水套爐出油溫度低于設(shè)定值時，開大至熱管換熱器閥門，關(guān)小至煙氣旁路直通門開度。

當檢測到200kW水套爐出水溫度高于設(shè)定值時，關(guān)小至板式換熱器開度，開大至發(fā)電機空冷器開度。當檢測到200kW水套爐出油溫度低于設(shè)定值時，開大至板式換熱器開度，關(guān)小至發(fā)電機空冷器開度。

采用余熱利用控制系統(tǒng)能夠根據(jù)現(xiàn)場實際需求變化，通過調(diào)整溫度設(shè)定，自動調(diào)整煙氣和混水三通閥開度，保證工質(zhì)出口溫度達到工藝要求，同時保證發(fā)電機組連續(xù)正常工作。

圖2 數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)配置圖

圖3 遠傳監(jiān)視控制系統(tǒng)

2 運行效果分析

2.1 實際運行參數(shù)

集氣站熱電聯(lián)供系統(tǒng)自2014年6月份開始建設(shè)，10月底完成整體建設(shè)（裝置如圖4所示），并進行現(xiàn)場調(diào)試工作。

圖4 熱電聯(lián)供現(xiàn)場裝置

2.1.1運行數(shù)據(jù)

1）發(fā)電機實際功率：400kW

2）天然氣耗量：124.16N m3/h

3）#1水套爐：進水溫度：68.3℃；出水溫度：75.2℃；流量：45.09t/h。

4）#2水套爐：進水溫度：50.8℃；出水溫度：58.6℃；流量：18.95t/h。

2.1.2工藝計算

換熱器換熱量：

式中Q—熱量，M J；

c—水的比熱，kJ/（kg·℃）；

qv—質(zhì)量流量，t/h；

t1—進水溫度，℃；

t2—出水溫度，℃。

#1水套爐換熱量：

Q1=1331.49M J

#2水套爐換熱量：

Q2=618.85M J

根據(jù)現(xiàn)場檢測的數(shù)據(jù)，天然氣的低位發(fā)熱量為36.8M J/Nm3。

能源綜合利用率：

式中η—能源綜合利用率，%；

W—發(fā)電功率，kW；

Q1—#1水套爐換熱量，M J；

Q2—#2水套爐換熱量，M J；

B—天然氣體積流量，N m3/h；

QL—天然氣低位發(fā)熱量，M J/Nm3。系統(tǒng)天然氣能源綜合利用率：

2.2 效益分析

整套熱電聯(lián)供裝置投資為150萬元。

按發(fā)電機組年運行7000h，平均運行功率為400kW，天然氣價格1.6元/N m3，當?shù)鼐W(wǎng)電0.6元/kW h計算。

年減少網(wǎng)購電280萬度，節(jié)約購電費168萬元?；厥諢崃刻娲烊粴饧訜崴谞t，按熱量計算每小時可節(jié)約天然氣58.89N m3，年節(jié)約天然氣41.22萬Nm3。

年發(fā)電需耗天然氣86.91萬N m3，比原來用水套爐加熱多耗45.69萬Nm3。

按放空天然氣回收并以市場價計算，該項目年降本94.9萬元，靜態(tài)投資回收期為1.6a。

利用放空天然氣或油田伴生氣發(fā)電，可以減少伴生氣排空污染，減少天然氣、電能的輸送損耗，實現(xiàn)自發(fā)電與網(wǎng)電的相互備用，提高集氣站供電的可靠性?；厥绽冒l(fā)電機煙氣和缸套水熱量用于滿足集氣站內(nèi)加熱需求，可減少加熱爐燃料消耗，降低生產(chǎn)運營成本，提高企業(yè)盈利能力。對于處于偏遠地區(qū)，電網(wǎng)基礎(chǔ)相對薄弱的地方，采用熱電聯(lián)供的方式替代利用柴油發(fā)電機的方式，可大幅提高能源綜合利用率，降低生產(chǎn)運行成本。如果采取適當方法，對節(jié)省下的天然氣進行進一步處理，回收附加值高的輕烴組分，經(jīng)濟效益將更可觀。

3 結(jié)語

采用熱電聯(lián)供方式提高集氣站能源利用效率在技術(shù)上和經(jīng)濟上都是可行的，綜合能源利用效率可達74.2%。該技術(shù)還可廣泛應(yīng)用于油氣田集輸站、聯(lián)合站、污水處理站、天然氣凈化廠等場所。采用天然氣分布式發(fā)電與網(wǎng)電構(gòu)成雙電源模式，提高了系統(tǒng)的安全性。天然氣分布式能源聯(lián)供技術(shù)與油氣田生產(chǎn)需求有機地結(jié)合，能夠滿足企業(yè)多種用能需求，減少天然氣和電能的輸配損失，提高能源利用效率，減少碳排放和煤電比例，具有更深層次的環(huán)保節(jié)能意義。

[1]王遇冬.天然氣處理原理與工藝[M].北京：中國石化出版社，2007.

[2]華賁.天然氣分布式供能與“十二五”區(qū)域能源規(guī)劃[M].廣州：華南理工大學出版社，2012.

[3]連紅奎，李艷.我國工業(yè)余熱回收利用技術(shù)綜述[J].節(jié)能技術(shù)，2011，29（2），123-128.

[4]高春陽.天然氣供熱鍋爐排煙余熱回收的經(jīng)濟性研究(碩士學位論文) [D].西安:西安交通大學，2003.

[5]楊存章.推廣應(yīng)用煙氣余熱利用技術(shù)降低蒸汽鍋爐排煙熱損失[J].油田節(jié)能，2005，16（1），42-43.

Application of Natural Gas Distributed Energy Cogeneration Technology in Oil and Gas Field

LI Zheng-mao，WANG Hong-tao
（Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals，SINOPEC，F(xiàn)ushun 113001，China）

The energy supply of oil and gas field enterprises is divided into different m odes of production and distribution.N aturalgas distributed energy can im prove the power supply security and energy efficiency.Using naturalgas, gas gathering station can m eetthe dem and forelectricity,the use ofhigh tem perature flue gas and cylinderw aterprovide the required heatstation.Intelligentcontrolsystem to achieve real-tim e data transm ission and rem ote m onitoring.The autom atic controldevice,the controlvalve opening,to m eetthe differentneedsofseasonalload and tem perature change.

distributed energy system；com bined heat and pow er；diesel generator；heat exchanger；w ater jacket furnace

TK 019

B

2095-3429（2017）01-0001-05

2016-11-16

修回日期：2016-12-28

李正茂（1974-），男，山東煙臺人，學士，高級工程師，從事天然氣分布式能源和節(jié)能技術(shù)研究。

D O I：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.01.001