氣田節(jié)電技術(shù)實(shí)踐

劉軒宇 單華 張效東 王倩倩 何偉 劉君臣

（中國(guó)石油塔里木油田分公司天然氣事業(yè)部）

天然氣作為清潔能源，近年來(lái)發(fā)展很快，在能源消耗的占有比例上也越來(lái)越高。在氣田生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)天然氣閃蒸氣的回收，防止水合物的生成等方面必然會(huì)消耗大量電能，通過(guò)對(duì)耗電設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)行研究，可產(chǎn)生大量經(jīng)濟(jì)效益。迪那氣田自投產(chǎn)以來(lái)就把低成本生產(chǎn)作為精細(xì)管理的目標(biāo)之一進(jìn)行控制，在電伴熱優(yōu)化運(yùn)行、空壓機(jī)時(shí)序優(yōu)化、燃料氣電加熱器停運(yùn)等方面積累了重要經(jīng)驗(yàn)，全年節(jié)約電能297.16×104kWh。

1 氣田處理工藝及主要耗電設(shè)備

來(lái)自氣井井底的原料氣進(jìn)入油氣處理廠后，一般要脫水以滿足水露點(diǎn)的要求，同時(shí)回收部分重?zé)N組分，滿足烴露點(diǎn)的要求，以防止在長(zhǎng)輸管線中析出液態(tài)水和烴而影響管輸效率；同時(shí)，重?zé)N成分經(jīng)過(guò)分餾穩(wěn)定或輕烴回收裝置處理后單獨(dú)外賣，以獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益。脫水一般采用分子篩脫水或三甘醇脫水工藝，如果井口有較高的壓力可以利用，也可采用低溫工藝將水和烴同時(shí)脫除[1]。

在對(duì)天然氣進(jìn)行脫水脫烴的過(guò)程中，產(chǎn)生大量閃蒸氣，回收這部分閃蒸氣和烴類，以及大量輔助裝置設(shè)備，需要消耗大量電能。主要設(shè)備包括壓縮機(jī)、泵、空冷器、電加熱器、電伴熱、空冷器、燈等[2]。

2 氣田節(jié)電措施

2.1 電伴熱優(yōu)化運(yùn)行

2.1.1 迪那氣田電伴熱使用概況

根據(jù)工藝運(yùn)行情況，迪那氣田共采用4種規(guī)格型號(hào)的電伴熱，設(shè)計(jì)鋪設(shè)電伴熱約26 km，總功率約為1 000 kW，涵蓋了處理廠、集氣站以及單井內(nèi)所有可能存在凍堵風(fēng)險(xiǎn)的管線。電伴熱是整個(gè)氣田的耗電大戶。結(jié)合工藝運(yùn)行情況對(duì)電伴熱進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)行，停用一部分不影響裝置正常運(yùn)行的電伴熱，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，產(chǎn)生較大經(jīng)濟(jì)效益[3]。

2.1.2 具體措施

1）處理廠電伴熱優(yōu)化運(yùn)行。設(shè)計(jì)電伴熱時(shí)將所有可能存在凍堵風(fēng)險(xiǎn)的管線、設(shè)備、儀表都考慮進(jìn)去，但實(shí)際運(yùn)行時(shí)，部分設(shè)施不存在凍堵的風(fēng)險(xiǎn)：合格天然氣作為燃料氣的工藝管線、儀表和設(shè)備；含有乙二醇介質(zhì)的管線；溫度較高的凝析油管線。將這些管線的電伴熱停運(yùn)可大大減少電伴熱所消耗的電能。結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況，迪那氣田油氣處理廠冬季共停用電伴熱管線35處，共計(jì)1 971 m，并將投運(yùn)時(shí)間縮短，經(jīng)過(guò)計(jì)算每小時(shí)可減少功率152 kW。停運(yùn)電伴熱統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

同時(shí)，將投運(yùn)電伴熱時(shí)間由規(guī)定時(shí)間更改為結(jié)合實(shí)際情況投運(yùn)。當(dāng)連續(xù)5天環(huán)境最低溫度低于5℃時(shí)投運(yùn)電伴熱；當(dāng)連續(xù)5天環(huán)境最低溫度高于5℃時(shí)停運(yùn)電伴熱。將電伴熱投運(yùn)時(shí)間由151天減少至105天，共減少46天。

2）井場(chǎng)電伴熱優(yōu)化運(yùn)行。迪那氣田現(xiàn)有集氣站3座，單井25口，為保證單井冬季安全運(yùn)行，每口單井共有7處管線閥門和儀表需要安裝電伴熱。采氣樹(shù)、出站閥組的伴熱由1根電伴熱帶在采氣樹(shù)、出站閥組上繞行來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門管線和儀表進(jìn)行伴熱，在繞行過(guò)程中多數(shù)電伴熱帶“只起到連接過(guò)渡”作用。起過(guò)渡作用的伴熱帶在伴熱過(guò)程中，由于完全暴露在外面，始終達(dá)不到其上限溫度，只能24 h發(fā)熱消耗大量電能，大約占電伴熱總耗電量的60%～70%，造成很大浪費(fèi)。

表1 停運(yùn)電伴熱統(tǒng)計(jì)

原每口單井電伴熱帶總長(zhǎng)約45 m，改造后每口單井電伴熱帶總長(zhǎng)約15 m。迪那氣田集輸系統(tǒng)共減少電伴熱帶750 m，每米功率為49 W，每小時(shí)可減少功率37 kW。單井電伴熱改造示意圖見(jiàn)圖1。

3）利用2口井暖管，停用電伴熱。由于設(shè)計(jì)原因，迪那2-3集氣站至DN204井的計(jì)量干線沒(méi)有流體流動(dòng)，冬季發(fā)生過(guò)凍堵。當(dāng)DN204井不計(jì)量時(shí)，DN2-17井至DN204井的計(jì)量干線無(wú)介質(zhì)流動(dòng)也會(huì)發(fā)生凍堵。為防止該段管線凍堵，計(jì)量干線上設(shè)置了電伴熱，冬季投用。經(jīng)分析研究，利用DN204井（產(chǎn)量26.1×104m3/d，二級(jí)節(jié)流后溫度30℃）和DN2-14井（產(chǎn)量37.6×104m3/d，二級(jí)節(jié)流后溫度57.18℃）2口井的井流物同時(shí)導(dǎo)入暖管流程。流程見(jiàn)圖2。

通過(guò)HYSYS軟件模擬，2口井暖管時(shí)在DN2-17井三通匯合處的溫度為23.82℃，高于水合物形成溫度（19.26℃），因此不會(huì)形成水合物，消除了管線凍堵的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，利用DN2-14井通過(guò)計(jì)量干線繞行至迪那2-3集氣站，DN2-17井大橋處的計(jì)量干線冬季運(yùn)行時(shí)一直有高溫介質(zhì)流動(dòng)。經(jīng)過(guò)模擬，DN2-14井的介質(zhì)到達(dá)DN2-17井大橋處的溫度約為45℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水合物形成溫度（19.26℃），不會(huì)出現(xiàn)凍堵，因此停用了該段露出管線上的電伴熱，節(jié)約了電能。

DN2-17井大橋段安裝的電伴熱帶約有1 500 m，電伴熱功率為65 W/m。停用該處電伴熱后，在冬季運(yùn)行期間（10月10日至3月15日）可節(jié)約電能36.27×104kWh。2.1.3 經(jīng)濟(jì)效益

通過(guò)實(shí)施上述節(jié)能措施，全年共節(jié)電194.3×104kWh。

圖1 單井電伴熱改造示意圖

2.2 空壓機(jī)時(shí)序調(diào)整

2.2.1 空壓機(jī)運(yùn)行背景

迪那氣田油氣處理廠現(xiàn)有3臺(tái)空壓機(jī)，1用2備。空壓機(jī)在卸載時(shí)關(guān)閉進(jìn)氣閥，不產(chǎn)生壓縮空氣，使機(jī)組呈空載狀態(tài)。由于干燥塔循環(huán)時(shí)間為10 min，期間左右塔各干燥5 min。在1天運(yùn)行中干燥塔要切換288次，導(dǎo)致干燥塔及其空壓機(jī)出現(xiàn)下述問(wèn)題：

1）在空壓機(jī)卸載停機(jī)時(shí)，由于干燥塔使用的是固態(tài)時(shí)間控制器，無(wú)法同步停止工作，造成干燥塔頻繁切換，浪費(fèi)大量干燥氣用作再生氣[4]。

2）在空壓機(jī)卸載停機(jī)時(shí)，干燥塔繼續(xù)工作浪費(fèi)干燥氣，造成壓縮空氣的不必要浪費(fèi)，進(jìn)一步加大空壓機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷，延長(zhǎng)空壓機(jī)的運(yùn)行時(shí)間。

圖2 暖管流程

2.2.2 具體措施

通過(guò)改造空壓機(jī)干燥塔控制程序來(lái)實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)節(jié)能降耗，實(shí)現(xiàn)干燥塔吸附、再生與空壓機(jī)啟停機(jī)同步，延長(zhǎng)原干燥塔切換時(shí)間間隔。

2.2.3 實(shí)施效果

改造前，空壓機(jī)每天加載時(shí)間為16 h，卸載時(shí)間為8 h。時(shí)序優(yōu)化調(diào)整后，空壓機(jī)每天運(yùn)行時(shí)間為7 h，卸載時(shí)間為17 h，改變了以前干燥塔24 h連續(xù)運(yùn)行的模式。同時(shí)，減少了干燥塔蝶閥的開(kāi)關(guān)頻次，降低了干燥塔再生用氣量，減小了空壓機(jī)啟機(jī)頻次，縮短了空壓機(jī)加載運(yùn)行時(shí)間。

2.2.4 經(jīng)濟(jì)效益

通過(guò)計(jì)算，空壓機(jī)時(shí)序改造后全年可節(jié)電20.7×104kWh。

2.3 停運(yùn)燃料氣電加熱器

2.3.1 燃料氣裝置流程及參數(shù)

處理廠燃料氣（6.2～7.0 MPa）來(lái)自外輸氣零號(hào)閥室，經(jīng)電加熱器加熱至50℃再經(jīng)調(diào)節(jié)閥將壓力降低至0.5 MPa，然后去各個(gè)高壓燃料氣用戶；部分燃料氣經(jīng)自力式調(diào)節(jié)閥將壓力降低至0.18 MPa，然后去各個(gè)低壓燃料氣用戶（圖3）。

2.3.2 實(shí)施過(guò)程

通過(guò)HYSYS軟件模擬，計(jì)算出節(jié)流至0.18 MPa時(shí)水合物形成溫度為-50.9℃。為確保裝置安全運(yùn)行，節(jié)流后溫度應(yīng)高于水合物形成溫度5℃，故節(jié)流后溫度需大于或等于-45.9℃，而對(duì)應(yīng)燃料氣電加熱器出口溫度大于或等于-6.1℃即可。根據(jù)設(shè)計(jì)文件，燃料氣分離器出口管線設(shè)計(jì)溫度為-20℃，故節(jié)流后溫度需大于或等于-20℃，而對(duì)應(yīng)燃料氣電加熱器出口溫度僅需大于或等于14.9℃。

圖3 燃料氣系統(tǒng)工藝流程

綜上所述，只要保證燃料氣電加熱器出口溫度大于或等于14.9℃，就能滿足現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)需要。目前電加熱器出口溫度設(shè)定值為50℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于所需溫度。

迪那氣田油氣處理廠電加熱器入口溫度歷年最低為12℃，低于所需最低溫度14.9℃。針對(duì)此問(wèn)題，處理廠對(duì)外輸首站到燃料氣電加熱器之間約80 m的管線加裝保溫，將電加熱器入口溫度提高約5℃，滿足電加熱器停運(yùn)條件。

結(jié)合前期的各項(xiàng)分析驗(yàn)證，迪那氣田油氣處理廠對(duì)電加熱器進(jìn)行停運(yùn)試驗(yàn)，成功實(shí)現(xiàn)電加熱器停運(yùn)。停運(yùn)后燃料氣節(jié)流至0.18 MPa，最低溫度約為-13℃，燃料氣系統(tǒng)運(yùn)行正常。

2.3.3 經(jīng)濟(jì)效益

電加熱器功率為66 kW，停運(yùn)電加熱器后全年可節(jié)電57.0×104kWh。

2.4 自壓外輸停運(yùn)外輸泵

2.4.1 液化氣自壓外輸

由迪那氣田油氣處理廠設(shè)計(jì)的1500 m3液化氣球罐有4座，每日產(chǎn)液化氣約140 t（約265 m3），利用泵將液化氣輸送至下游牙哈裝車站，與下游高差約300 m（圖4）。

圖4 液化氣自壓外輸流程

通過(guò)HYSYS軟件對(duì)液化氣外輸流程進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)液化氣在自壓的情況下，外輸壓力、流量滿足要求。液化氣自壓外輸HYSYS軟件模擬數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。經(jīng)過(guò)實(shí)踐，可在不啟運(yùn)液化氣外輸泵的情況下完成液化氣外輸。

表2 液化氣自壓外輸HYSYS軟件模擬數(shù)據(jù)

液化氣外輸泵排量為25 m3/h，功率為22 kW，采用液化氣自壓外輸，全年可節(jié)電8.16×104kWh。

2.4.2 輕烴自壓裝車

由迪那氣田油氣處理廠設(shè)計(jì)的2 000 m3輕烴儲(chǔ)罐有2座，每日產(chǎn)液化氣約450 t（約642 m3），其中約450 m3液化氣經(jīng)輕烴裝車站裝車，而其余的通過(guò)泵輸送至下游牙哈裝車站，與下游高差約100 m（圖5）。

通過(guò)HYSYS軟件對(duì)輕烴自壓裝車流程進(jìn)行模擬，以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，在不啟運(yùn)裝車泵的情況下，可通過(guò)自壓方式進(jìn)行裝車，裝車流量滿足要求（正常裝車速度為30～60 m3/h）。輕烴自壓裝車HYSYS軟件模擬數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 輕烴自壓裝車HYSYS軟件模擬數(shù)據(jù)

輕烴裝車泵排量為120 m3/h，功率為17.5 kW，采用輕烴自壓裝車每年可節(jié)電2.30×104kWh。

2.5 空冷器變頻調(diào)節(jié)

在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，工頻電動(dòng)機(jī)不能很好地適應(yīng)較大溫差的調(diào)節(jié)需求，在晝夜和冬夏交替時(shí)，需要頻繁調(diào)節(jié)空冷器百葉窗，這不僅工作量大，而且調(diào)節(jié)不及時(shí)會(huì)造成工藝參數(shù)難以控制，也浪費(fèi)電能。針對(duì)這一情況，提出了設(shè)置1臺(tái)變頻器改變電動(dòng)機(jī)頻率來(lái)適應(yīng)不同工況所需的制冷溫度，操作人員只需坐在主控室即可完成對(duì)原料氣溫度的遠(yuǎn)程控制。經(jīng)計(jì)算，年節(jié)約電量為17×104kWh。

圖5 輕烴自壓裝車流程

3 結(jié)論

1）通過(guò)電伴熱優(yōu)化運(yùn)行、空壓機(jī)時(shí)序優(yōu)化、燃料氣電加熱器停運(yùn)等多項(xiàng)節(jié)電改造措施，迪那氣田實(shí)現(xiàn)全年節(jié)電297.16×104kWh。

2）經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐而總結(jié)出的各項(xiàng)氣田節(jié)能技術(shù)，指明了節(jié)能降耗的方向，對(duì)于其他氣田的生產(chǎn)運(yùn)行具有參考意義。