集油站能耗分析與應(yīng)用

楊增森，孫寶國

(中國石化勝利油田分公司 石油開發(fā)中心有限公司生產(chǎn)技術(shù)科， 山東 東營 257000)

20世紀(jì)90年代以來，由于油田開采周期較長，我國主要油田如勝利、大慶油田等當(dāng)前的采出液已處于高含水階段[1,2]，隨開采原油含水率的不斷增加，需要處理的采出液量及污水量也不斷增加，進而油氣集輸系統(tǒng)的耗能持續(xù)上升。調(diào)查表明，在原油生產(chǎn)過程中，油氣集輸系統(tǒng)耗能占總能耗的30%～40%[3,4]，所以為了縮減油田開發(fā)生產(chǎn)中耗能，應(yīng)將降低集油站的能耗擺在首位。集油站的基本流程主要包括油氣水分離、原油脫水及穩(wěn)定、天然氣凈化回收及采出水的處理等。由集油站的基本流程可得出其主要特點：①系統(tǒng)工藝流程復(fù)雜；②系統(tǒng)中不確定因素較多，變量較多；③相關(guān)性、連續(xù)性為主要特性。通過以上特點，對整個集油站系統(tǒng)的主要能耗部位進行分析，可以得到：調(diào)整流程中關(guān)鍵的參數(shù)后，能減少總體能量的消耗，進而改善企業(yè)的總體效益。因此認(rèn)識集油站的能耗情況對減少整個油田的能耗有著積極、重要的作用。

1 集油站能耗分析

目前，多家石油石化單位已成功運用Bodo Linnhoff等[5～7]提出的夾點技術(shù)和華賁[8～10]提出的“三環(huán)節(jié)”能量分析方法指導(dǎo)生產(chǎn)降耗工作，通過改進能量系統(tǒng)的具體運行參數(shù)，能夠降低設(shè)備設(shè)施在運行中的能耗，減少企業(yè)的能耗損失。“三環(huán)法”的建立以熱力學(xué)第二定律為依據(jù)。立足于過程系統(tǒng)的全局優(yōu)化，通過分析不同形式能量在系統(tǒng)內(nèi)的轉(zhuǎn)化規(guī)律，可以從本質(zhì)上定量地闡述系統(tǒng)內(nèi)耗能的能流的變化?！叭h(huán)節(jié)”法能與數(shù)學(xué)規(guī)劃法、試探法、人工智能等其他形式的優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，達到更加準(zhǔn)確能量分析效果，通過明確、定位系統(tǒng)中用能障礙及節(jié)能改進的環(huán)節(jié)，減少企業(yè)的能耗，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。

1.1 集油站能量系統(tǒng)劃分

根據(jù)提出的“三環(huán)節(jié)”理論的方法，集油站的工藝流程包括能量的轉(zhuǎn)換和傳輸環(huán)節(jié)、能量工藝?yán)铆h(huán)節(jié)及能量回收環(huán)節(jié)如表1所示。

表1 根據(jù)“三環(huán)節(jié)”劃分的能量系統(tǒng)

1.2 集油站物理模型的建立

根據(jù)集油站的實際生產(chǎn)工藝流程及集油站能量系統(tǒng)的劃分(見表1)，應(yīng)用 “三環(huán)節(jié)”能量結(jié)構(gòu)模型，建立集油站能量系統(tǒng)的模型(見圖1)。

1.3 集油站數(shù)學(xué)模型的建立

供入系統(tǒng)電能的等價熱量EPE如下：

EPE=ξEQE

(1)

式中，QE為系統(tǒng)耗電量，(°)/h；ξE為電能二次能源的折算系數(shù)，取3 600。

物流帶入或帶出系統(tǒng)的能量如下：

(2)

式中，EW為流體攜帶或帶出系統(tǒng)的能量，kJ/h；G為進出系統(tǒng)的物流質(zhì)量流量，kg/h；Cpm為出入系統(tǒng)的流體定壓比熱容，kJ/(kg·℃)；T、T0為流體溫度與其基準(zhǔn)溫度，℃，T0=0 ℃；P、P0為流體壓力與其基準(zhǔn)壓力，MPa，其中P0=0.1 MPa；ρ為物流密度，kg/m3。

燃料供入系統(tǒng)的能量EPR如下：

(3)

回收循環(huán)能ER主要指換熱器回收的油水混合物所含的熱量，如式(4)所示。

ER=GhsCps(ths1-ths2)V+GhsCpy(ths1-ths2)(1-V)

(4)

式中，Ghs為油水質(zhì)量流量，kg/h；Cps、Cpy為回收水與油的比熱，kJ/(kg·℃)；

thc1、ths2為開始溫度與終止溫度，℃；V為混合液的含水率，%。

散熱損失計算如下：

(5)

式中，ESR為設(shè)備散熱量，kW；Kij為第j臺i類設(shè)備從工質(zhì)流體到環(huán)境的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·℃)；Fij為第j臺i類設(shè)備的總散熱面積，m2；Tcpij為第j臺i類設(shè)備內(nèi)流體的平均溫度，℃；Te為環(huán)境溫度， ℃，取當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度為20 ℃。

2 集油站“三環(huán)節(jié)”法能耗評價準(zhǔn)則

根據(jù)《油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測試和計算方法》(SY/T5264—2006)，提出下列指標(biāo)以便于進行生產(chǎn)節(jié)能評價。

2.1 能量轉(zhuǎn)換與傳輸環(huán)節(jié)能耗評價

1)評價指標(biāo)

(6)

式中，ηU為能量轉(zhuǎn)換率，%；EW為該環(huán)節(jié)直接散失的能量，kJ/h；EP，Ein為外界的總供入能與井排來液供入能，kJ/h。

2)分析指標(biāo)

①熱能有效消耗率

(7)

②電能有效消耗率

(8)

2.2 能量利用環(huán)節(jié)能耗評價

1) 評價指標(biāo)

(9)

式中，ηT為能量轉(zhuǎn)換效率，%；EUD，EN為該環(huán)節(jié)中損失能量與工藝總耗能，kJ/h。

2) 分析指標(biāo)

(10)

式中，λ為工藝耗能，kJ/h；GCP為外輸油品流量，t/h。

2.3 能量回收環(huán)節(jié)能耗評價

1) 評價指標(biāo)

(11)

式中，ηR為回收能量效率，%；ER，EE，EO為能量回收環(huán)節(jié)的循環(huán)能量、輸出能量與待回收能量，kJ/h。

2) 分析指標(biāo)

(12)

根據(jù)建立的“三環(huán)節(jié)”法，對比、分析提出的評價、分析指標(biāo)。1)在能量轉(zhuǎn)換、傳輸環(huán)節(jié)中，提出了兩個分析指標(biāo)，熱能、電能有效消耗率，其中分析指標(biāo)確定了在系統(tǒng)內(nèi)被消耗能量的形式，并且兩種指標(biāo)的大小反映不同形式能量消耗的具體情況；2)在能量利用環(huán)節(jié)中，提出了工藝能耗的概念及計算公式，單位工藝能耗為生產(chǎn)單位質(zhì)量產(chǎn)品與生產(chǎn)該產(chǎn)品過程中所消耗的能量的比值，表征在這一環(huán)節(jié)中能量的損耗程度；3)能量回收環(huán)節(jié)中，比較評價指標(biāo)、分析指標(biāo)，計算發(fā)現(xiàn)二者的差值為回收輸出能，集油站回收輸出能主要為外輸原油攜帶出系統(tǒng)的能量，一般情況下，這部分能量不回收利用，可不計入，所以分析指標(biāo)更能充分地指導(dǎo)實際工作。

綜上所述，兩種指標(biāo)不僅針對性更強而且適用范圍更加寬闊，且兩種指標(biāo)互補優(yōu)缺點，評價指標(biāo)反映理想狀況下系統(tǒng)的能耗情況，所以兩種指標(biāo)相輔相成、缺一不可。

3 集油站節(jié)能潛力預(yù)測

集油站的設(shè)計參數(shù)為：原油處理和外輸量為150×104t/a，污水處理量為2×104t/d，原油穩(wěn)定量為75×104～90×104t/a，輕烴回收量為3×104～5×104m3/d。工藝流程如圖2所示。

集油站的能耗評價指標(biāo)與分析指標(biāo)的優(yōu)化結(jié)果，見表2。

表2 由“三環(huán)節(jié)”法評價指標(biāo)與分析指標(biāo)

針對各個環(huán)節(jié)的能耗重點，通過節(jié)能技術(shù)整改手段，提高集油站的能量利用效率，降低了能源的占用和消耗，集油站的節(jié)能預(yù)測效果，見表3。

通過對以上三個能量環(huán)節(jié)進行節(jié)能改造，提高了系統(tǒng)的能量利用率，節(jié)能改造后，集油站每年節(jié)省燃料油1 057.5 t，節(jié)約電量67 097度，回收利潤約為424萬。

表3 集油站改造前后節(jié)能預(yù)測情況

4 結(jié)論

根據(jù)“三環(huán)節(jié)”法對集油站耗能情況進行分析。依據(jù)規(guī)范《油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測試和計算方法》(SY/T 5264-2006)，針對具體環(huán)節(jié)的用能情況，提出相應(yīng)的分析指標(biāo)，并結(jié)合建立的“三環(huán)節(jié)”評價指標(biāo)，更加有效判斷出系統(tǒng)用能的主要環(huán)節(jié)。