海上油氣田原油處理系統(tǒng)火用分析

楊澤軍， 朱海山

(中海油研究總院， 北京 100010)

海上油氣田原油處理系統(tǒng)火用分析

楊澤軍， 朱海山

(中海油研究總院， 北京 100010)

將火用分析法引入海上原油處理系統(tǒng)的能耗分析中，指導(dǎo)工藝流程優(yōu)化、提高能量利用效率。概述了火用分析法及主要評價(jià)參數(shù)，提出了基于灰箱模型并結(jié)合HYSYS模擬對海上原油處理系統(tǒng)及設(shè)備進(jìn)行火用分析的方法。選取EP24-2和KL10-1油田的兩個(gè)典型原油處理流程進(jìn)行火用分析，評價(jià)系統(tǒng)的整體能量利用情況。結(jié)果表明：2個(gè)海上系統(tǒng)的火用效率分別為29.07%和25.07%，大于陸上油氣集輸系統(tǒng)的火用效率；由于換熱介質(zhì)“能質(zhì)不匹配”，換熱器成為系統(tǒng)中火用損最大的設(shè)備，2個(gè)系統(tǒng)中換熱器火用損率分別為83.7%和54.2%。建議優(yōu)化熱媒溫度，以進(jìn)一步提高海上原油處理的能量利用效率。

能耗分析；海上原油處理系統(tǒng)；火用分析；火用效率；火用損

0 引言

油氣集輸是海上油氣田生產(chǎn)的主要環(huán)節(jié)，包含多種耗熱、耗電設(shè)備，生產(chǎn)能耗巨大。目前，海上平臺設(shè)計(jì)中采用焓分析法對原油處理系統(tǒng)進(jìn)行能耗分析。焓分析法基于熱力學(xué)第一定律，從“量”的角度對能量進(jìn)行分析，但未能涵蓋對能量“質(zhì)”的評價(jià)。在油價(jià)持續(xù)低迷、開采成本攀升的新形勢下，改進(jìn)設(shè)計(jì)中的能耗分析方法對提高能源利用效率、減少資源浪費(fèi)、節(jié)能減排、降本增效具有重要意義。

結(jié)合熱力學(xué)第一、二定律的火用分析法將能量質(zhì)量統(tǒng)籌納入系統(tǒng)能耗分析中，對不同類型能量的動力利用價(jià)值進(jìn)行區(qū)分，從科學(xué)性和實(shí)踐指導(dǎo)性上優(yōu)于僅關(guān)注能量數(shù)量的傳統(tǒng)焓分析法[1-3]。由于火用分析法更明確、全面地指明了合理用能的方向，在能耗分析領(lǐng)域已獲得越來越多的應(yīng)用[1-4]。

朱明善[1]和吳梅[2]認(rèn)為火用分析能夠真正揭示出系統(tǒng)中能量利用不合理的地方，解決用能過程中能質(zhì)不匹配的問題，并推薦采用逐級串聯(lián)、分級使用的總能系統(tǒng)，保證能量的充分利用；項(xiàng)新耀[5]提出了針對陸上油氣集輸系統(tǒng)準(zhǔn)確、可靠的火用分析方法，深化了集輸系統(tǒng)的節(jié)能潛力測算，改進(jìn)了大慶油田集輸流程，使其火用效率提高數(shù)倍；李榮暉[3]、楊肖曦[4]和趙建新[6]分別對魯寧線長清輸油泵站和某陸上油氣集輸系統(tǒng)進(jìn)行火用測試分析，建議選用與原油能級匹配的低溫?zé)崃鞫皇侨剂嫌突螂娂訜嵩?，從而提高系統(tǒng)火用效率；成慶林等[7-8]分別采用黑箱和灰箱模型對油庫系統(tǒng)進(jìn)行火用分析，認(rèn)為降低加熱爐換熱火用損是提高油庫火用效率的關(guān)鍵；李東明等[9]對大慶薩南油田兩個(gè)接轉(zhuǎn)站的油氣集輸系統(tǒng)進(jìn)行灰箱火用分析，發(fā)現(xiàn)主要火用損設(shè)備為原油加熱爐、熱水爐和外輸加熱爐。

本文將火用分析法引入海上原油處理系統(tǒng)的能耗分析中，探尋海上油氣集輸系統(tǒng)能量利用的薄弱環(huán)節(jié)，旨在指導(dǎo)工藝流程優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、降本增效的目的。

1 火用分析法及評價(jià)參數(shù)

火用分析是指基于熱力學(xué)第一、二定律計(jì)算各物流和能流的火用值，通過火用平衡原理確定系統(tǒng)的整體火用損失及各設(shè)備火用損失的權(quán)重，從而定位系統(tǒng)能量利用薄弱環(huán)節(jié)的熱力學(xué)分析方法。物流火用、火用損失計(jì)算及火用平衡原理是火用分析的基礎(chǔ)。

1.1 物流火用

物流火用是指物流由當(dāng)前狀態(tài)可逆地變化到與給定環(huán)境處于非約束性平衡狀態(tài)過程中能夠最大限度轉(zhuǎn)換為有用功的能量?；鶞?zhǔn)狀態(tài)一般選用龜山-吉田模型[10]，環(huán)境溫度T0=298.15K，壓力p0=101.325kPa。

由熱力學(xué)定律推導(dǎo)穩(wěn)定系統(tǒng)單位工質(zhì)的物流火用計(jì)算公式(忽略宏觀動能和位能)為

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式中：h0,s0為物流在基準(zhǔn)狀態(tài)的焓和熵；h,s為物流在某狀態(tài)下的焓和熵。

本文通過工藝模擬軟件HYSYS[11-12]模擬原油處理系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工況，獲取其中物流的關(guān)鍵熱力學(xué)參數(shù)，用于計(jì)算物流火用值。

圖1 火用平衡模型

1.2 火用平衡原理

從能量利用角度分析系統(tǒng)各火用流可知，輸入系統(tǒng)的火用恒等于系統(tǒng)的有效輸出火用與各種火用損之和，即火用平衡原理：輸入系統(tǒng)的帶入火用Ex,br和供給火用Ex,sup經(jīng)能量傳遞或轉(zhuǎn)換，部分消耗于內(nèi)部的火用耗散Exl,in和外部的火用損失Exl,out，其余轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)有效輸出火用Ex，ef?；鹩昧麝P(guān)系如圖1所示。能量系統(tǒng)火用平衡方程為

(2)

1.3 火用損失

任何實(shí)際過程總存在不可逆性，也必定伴隨著火用向(火無)的轉(zhuǎn)化。油氣集輸流程也不可避免地會產(chǎn)生由不可逆過程和能量排放引發(fā)的火用損失，如溫差傳熱、機(jī)械摩擦、節(jié)流和混合等過程。

火用損失可通過過程中各物流的火用值進(jìn)行計(jì)算。已知進(jìn)入過程物系的火用∑Ex,br，∑Ex,sup和過程物系輸出的火用∑Ex，ef，由火用平衡原理可知其火用損失為

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1.4 火用效率

為比較不同工況下各過程和設(shè)備的火用利用情況、反映實(shí)際過程偏離理想過程的程度，火用分析廣泛采用火用效率的概念[13]?；鹩眯师嵌x為輸出火用與輸入火用的比值，可逆過程η=1，完全不可逆過程η=0；火用效率越大說明過程的不可逆程度越小，熱力學(xué)上越完善。

火用效率的確定須根據(jù)系統(tǒng)或設(shè)備的性質(zhì)、目的和任務(wù)具體分析，如實(shí)反映系統(tǒng)和過程能量利用的具體情況。

1.5 火用損率

火用損率用于衡量系統(tǒng)的用能薄弱環(huán)節(jié)，即系統(tǒng)中單元設(shè)備的火用損與系統(tǒng)總火用損之比。設(shè)Exl,i和Exl分別為第i個(gè)過程的火用損以及系統(tǒng)總火用損，則火用損率為

(4)

(5)

2 海上原油處理系統(tǒng)火用分析

選取2種典型的海上原油處理工藝流程，通過HYSYS獲取各物流熱力學(xué)參數(shù)，基于火用平衡原理、采用灰箱模型對其進(jìn)行火用分析，據(jù)此評價(jià)海上原油處理系統(tǒng)的整體能量利用情況及其中的薄弱環(huán)節(jié)。

2.1 EP24-2油田主工藝流程

EP24-2油田位于南海區(qū)域，產(chǎn)出原油為中質(zhì)油，原油處理系統(tǒng)采用自由水分離、熱化學(xué)脫水二級分離處理：各單井流體匯集，經(jīng)合格原油/井流換熱器加熱后進(jìn)入一級分離器進(jìn)行油、氣、水分離，油相經(jīng)熱媒換熱器加熱后進(jìn)行二級分離，出口原油經(jīng)增壓泵加壓，與井流換熱后儲存。流程灰箱模型如圖2所示。

圖2 EP24-2工藝流程灰箱模型

根據(jù)灰箱模型，得出其系統(tǒng)火用效率為29.07%。由于海上平臺采用合格油/井流換熱器回收原油熱量，同時(shí)采用低溫?zé)崦郊訜峋?，因此系統(tǒng)火用效率遠(yuǎn)高于陸上某集輸系統(tǒng)9.65%[4]和大慶薩南油田N8-3和N8-4接轉(zhuǎn)站4.60%和7.63%的火用效率[10]，其中各設(shè)備火用損率分別為：分離器6.4%，節(jié)流閥5.3%，換熱器83.7%，泵4.6%。

可以看出，換熱器是EP24-2流程的主要火用損設(shè)備，熱油/井流換熱器火用損率9.7%，熱媒換熱器火用損率74.0%。換熱器火用損失主要由溫差傳熱的不可逆性造成，在高溫?zé)崦较虻蜏鼐鱾鬟f熱量的過程中能量雖守恒、能質(zhì)卻貶值，從而產(chǎn)生火用損失，降低了系統(tǒng)的火用效率。傳熱溫差越大，能級不匹配情況越嚴(yán)重，熱媒能量品味降低越多，火用損失越大，設(shè)備的火用效率也就越低，熱油/井流換熱器火用效率64.7 %，熱媒換熱器火用效率41.4 %。

此外，工藝流程中的節(jié)流、機(jī)械摩擦和組分分離等原因?qū)е麻y門、泵和分離器存在火用損失，但總量較小，共16.3 %。

2.2 KL10-1油田主工藝流程

KL10-1油田位于渤海區(qū)域，產(chǎn)出原油為重質(zhì)油，原油處理系統(tǒng)采用典型的自由水分離、熱化學(xué)脫水和電脫水三級處理：A平臺海管來液經(jīng)段塞流捕集器氣液分離，液相與B平臺來液混合，物流經(jīng)合格油/井流換熱器加熱后進(jìn)行油、氣、水三相分離，油相加熱進(jìn)入熱化學(xué)分離器，之后增壓經(jīng)電脫水器處理成合格原油，合格油與井液換熱后進(jìn)入緩沖罐，通過泵增壓外輸?；蚁淠Ｐ腿鐖D3所示。

圖3 KL10-1工藝流程灰箱模型

根據(jù)灰箱模型，得出其系統(tǒng)火用效率為25.07%，各設(shè)備火用損率分別為：分離器32.8%，節(jié)流閥0.2%，混合器4.2%，換熱器54.2%，泵8.6%。

可以看出，換熱器是KL10-1流程的主要火用耗設(shè)備，合格油/井流換熱器和熱媒換熱器的火用損率分別為16.0%和38.2%，火用效率分別為68.1%和48.4%。由于KL10-1井流溫度較EP24-2高，熱媒與井流換熱溫差較小，因此換熱器火用效率較高。

KL10-1流程中容器類設(shè)備較多并設(shè)置電脫水分離器(耗電設(shè)備)，因此其分離器火用損率較大，達(dá)32.8%。同時(shí)，由于其外輸泵增壓較大(1 200 kPa，EP24-2 200 kPa)，設(shè)備功率大，對應(yīng)火用損失也比EP24-2大。

此外，流程混合A和B平臺物流，兩股物流溫度、壓力及組分有差別，混合過程中產(chǎn)生不可逆火用損，其火用損率為4.2%。

3 熱媒進(jìn)出口溫度對火用效率的影響

海上平臺生產(chǎn)系統(tǒng)熱媒換熱器熱媒進(jìn)、出口溫度較高(EP24-2和KL10-1熱媒進(jìn)出口溫度分別為180℃和160 ℃)，換熱溫差大，因此其火用效率較低，火用損率較高，這與文獻(xiàn)[4,7,9]的研究結(jié)果一致。不同熱媒溫度下系統(tǒng)和設(shè)備的火用效率見表1。

表1 EP24-2熱媒溫度敏感性分析

由表1可知：熱媒進(jìn)出口溫度對系統(tǒng)和設(shè)備火用效率影響很大，火用效率隨熱媒進(jìn)出口溫度的降低而升高；進(jìn)口溫度每降低10 ℃，系統(tǒng)火用效率平均提高1.3%，設(shè)備火用效率平均提高2.1%；熱媒進(jìn)口溫度越低，系統(tǒng)和設(shè)備火用效率提升越大。

熱媒溫度的降低會引起換熱面積的增加，因此在選擇熱媒換熱溫度時(shí)需要綜合考慮能質(zhì)匹配和設(shè)施投資，同時(shí)選擇合適的方法提高傳熱效率，盡可能地增加能量利用效率。

4 結(jié)論

本文開展了海上油氣處理工藝流程火用分析方法的研究，并對典型原油處理流程進(jìn)行火用分析。主要結(jié)論如下：

(1)采用灰箱模型對EP24-2和KL10-1的原油處理流程進(jìn)行火用分析，其火用效率分別為29.07%和25.07%，遠(yuǎn)高于陸上集輸系統(tǒng)9.65%、7.63%(4.60%)的火用效率。

(2)由于溫差換熱產(chǎn)生大量不可逆火用損失，換熱器成為嚴(yán)重的耗火用設(shè)備，在系統(tǒng)中火用損率超過50%；適當(dāng)降低熱媒溫度同時(shí)提高傳熱效率，可提高能質(zhì)匹配程度，從而增強(qiáng)能量利用效率。

(3)電脫水器、外輸泵等耗電設(shè)備亦產(chǎn)生較大火用損，設(shè)計(jì)選型時(shí)需盡可能提高設(shè)備效率。

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Exergy Analysis of Crude Treatment System in Offshore Platform

YANG Zejun， ZHU Haishan

(CNOOC Research Institute， Beijing 100010, China)

A system of exergy analysis for energy consumption evaluation of crude treatment system in offshore platform is described to optimize the treatment process and improve energy efficiency. The methods of exergy analysis and main evaluation parameters are briefly summarized, and then an exergy analysis method suitable for offshore crude treatment system is proposed, which is based on Grey Box Model and HYSYS simulation. The use of the method is discussed and two examples, crude treatment systems in EP24-2 and KL10-1 oil fields, are given to evaluate their overall energy utilization. Analysis results reveal that the exergy efficiency of EP24-2 and KL10-1 are respectively 29.07% and 25.07%, which are far above the exergy efficiency in onshore crude treatment system. Emphasis is placed on the heat exchanger, which contributes to the largest exergy loss rate, respectively 83.7% and 54.2%, because of the exergy mismatching of heat medium. It is suggested that the exchanging temperature of heat medium be lowered in order to further improve energy efficiency in offshore crude treatment.

energy consumption evaluation; offshore crude treatment system; exergy analysis; exergy efficiency; exergy loss

2016-04-21

楊澤軍(1986-)，男，工程師

1001-4500(2017)02-0069-05

TE624

A