高含水油田集輸系統(tǒng)節(jié)能潛力分析及區(qū)域性節(jié)能改造實踐

楊陽（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

1 油田集輸系統(tǒng)現(xiàn)狀及潛力

截至目前，某油田共建轉(zhuǎn)油站47座、聯(lián)合站7座。油氣集輸系統(tǒng)分離轉(zhuǎn)液能力46.98×104t/d，運行負(fù)荷率76.56%，游離水脫除能力29.92×104t/d，運行負(fù)荷率73.9%，電脫水能力3.4×104t/d，運行負(fù)荷率48.82%。

由于集輸系統(tǒng)整體液量大，因此電量消耗占比較大。按轉(zhuǎn)油(放水)站外輸液量762.7×104m3預(yù)計，如果按照平均噸液耗電從1.09 kWh/t 降低到0.1 kWh/t計算，則年節(jié)電可達915.24×104kWh。

1.1 節(jié)電潛力

集輸系統(tǒng)用電主要集中在外輸泵，通過節(jié)點分析看，節(jié)電潛力主要集中在兩個方面：

1）外輸泵。隨著油田整體產(chǎn)液量的逐年降低，部分轉(zhuǎn)油站存在站內(nèi)設(shè)備不匹配、能力過剩的矛盾，而且仍有能耗高設(shè)備運行。調(diào)查表明，共有16 座站外輸負(fù)荷率低于55%，檢測外輸泵32 臺，其中有18臺機泵低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)效率。

2）變頻器。目前，油田聯(lián)合站、轉(zhuǎn)油站變頻設(shè)備均采用定頻運行，即在設(shè)定的30～45Hz 頻率區(qū)間定時進行變頻調(diào)節(jié)。根據(jù)站內(nèi)生產(chǎn)實際負(fù)荷及罐內(nèi)液位動態(tài)變化的規(guī)律，卻未能達到輕負(fù)載、降能耗的目的。對比表明，采取動態(tài)依據(jù)負(fù)荷變頻生產(chǎn)，與常規(guī)的額定功率的定頻工作相比，單臺年節(jié)電5×104kWh。按全油田采用方式相比，新增及優(yōu)化調(diào)整集輸系統(tǒng)變頻，預(yù)計年節(jié)電240×104kWh。此外，轉(zhuǎn)油站安裝變頻器57 套中變頻損壞、停運的有11 套，如果11 套變頻全部正常投用，預(yù)計年可增加節(jié)電113×104kWh。

1.2 節(jié)氣潛力

高含水油田集輸系統(tǒng)耗氣主要集中在冬季，受低溫影響，必須進行加熱集輸。單井冬季摻水，以及維持較高摻水匯管壓力等，導(dǎo)致擴邊井冬季加熱集輸年耗氣約50×104m3。這部分可通過合理匹配單井最小摻水量，控制摻水匯管壓力等措施，實現(xiàn)冬季周期性不加熱集輸。其次，調(diào)查目前聯(lián)合站、轉(zhuǎn)油站在用加熱爐292 臺，其中有175 臺使用年限在15 年以上，爐體老化嚴(yán)重、熱效率低。通過爐效普查結(jié)果表明，測試加熱爐137 臺，平均爐效75.5%。其中：爐效不符合節(jié)能要求的共39臺，占總數(shù)的28.5%，造成爐效偏低的主要原因是負(fù)荷偏離正常運行負(fù)荷；超負(fù)荷運行15 臺，平均負(fù)荷率為106.4%；低負(fù)荷運行加熱爐24 臺，平均負(fù)荷率38.7%。由于加熱爐燃燒熱損失大、效率低，以及加熱爐管道結(jié)垢問題，造成較大氣量損耗。通過實施加熱爐煙道擋板改造等措施，預(yù)計可年節(jié)氣1 500×104m3。

2 集輸系統(tǒng)區(qū)域性節(jié)能技術(shù)改造

針對集輸系統(tǒng)以上問題及潛力點，2019年，通過更新改造變頻設(shè)備，優(yōu)化變頻運行頻率以及外輸泵優(yōu)化梯次運行，加大集輸系統(tǒng)節(jié)電措施應(yīng)用；同時，通過加熱爐實施擋板調(diào)節(jié)技術(shù)和物理除垢技術(shù)改造，提高加熱爐燃燒效率，進一步減少了天然氣氣量消耗，區(qū)域性節(jié)能改造見到明顯效果。

2.1 外輸泵優(yōu)化梯次配備

針對集輸系統(tǒng)中泵效低、能耗高的問題，節(jié)能改造中對機泵采取的主要措施有更換低效泵、機泵合理匹配。

油田外輸系統(tǒng)設(shè)備經(jīng)長時間運行，考慮實際揚程、原油密度及黏度等因素，外輸泵特性曲線已發(fā)生改變，因此需重新繪制外輸泵特性曲線[1-2]。現(xiàn)場通過改變外輸泵工作頻率，測試外輸泵在不同轉(zhuǎn)速（頻率）下的泵出口排量、揚程，1#外輸泵管線特性實測數(shù)據(jù)見表1。由此繪制1#外輸泵流量-揚程特性曲線見圖1[3]，并進行外輸泵揚程梯次匹配。

表1 1#外輸泵管線特性實測數(shù)據(jù)

圖1 1#外輸泵管線流量-揚程曲線

現(xiàn)場實際匹配時，充分考慮與變頻配套使用情況，使用變頻外輸泵，則加大泵預(yù)留揚程；對外輸管線使用超過10 年，充分考慮老化結(jié)垢，先考慮采取清垢措施，避免直接增加泵揚程而增加能耗。

在滿足當(dāng)前產(chǎn)液量、機泵的高效運行、區(qū)塊未來產(chǎn)能預(yù)留能力的條件下，對集輸系統(tǒng)的15 臺機泵及注水污水系統(tǒng)的18 臺機泵進行合理匹配，年節(jié)電686.5×104kWh。

2.2 外輸變頻裝置更新及優(yōu)化運行

變頻調(diào)速具有高效率、精度高、范圍廣、轉(zhuǎn)矩脈動小的特點，是理想的拖動系統(tǒng)性能調(diào)整機構(gòu)[4-5]。應(yīng)用變頻調(diào)速，重點看實際工況點是否能保證在最佳效率點的30%～85%[6]。結(jié)合外輸系統(tǒng)實際情況，采用變頻節(jié)能主要集中兩方面：

1）依據(jù)外輸及水量加大變頻應(yīng)用。根據(jù)油田采出液凝固點進站的節(jié)能理念，結(jié)合采出液進站溫度及摻水泵理論排量普遍為100 m3/h 的實際，單井摻水量有一定下調(diào)空間。通過合理優(yōu)化單井摻水量，更換小排量摻水泵及安裝摻水泵變頻等措施[4]。

2）合理優(yōu)化變頻頻率控制。根據(jù)中轉(zhuǎn)站外輸液量，通過試驗摸索對應(yīng)每小時外數(shù)量的變頻頻率，確定外輸基準(zhǔn)頻率；根據(jù)液位高低變化，以基準(zhǔn)頻率為主進行優(yōu)化，保持液位穩(wěn)定，單站實現(xiàn)日節(jié)電273 kWh，轉(zhuǎn)油站自動與基準(zhǔn)優(yōu)化變頻耗電量對比見表2。

集輸系統(tǒng)實施變頻調(diào)速改造及優(yōu)化運行37 臺次，平均輸油單耗下降20.1%，實現(xiàn)年節(jié)電397.5×104kWh；平均摻水單耗下降9.7%，實現(xiàn)年節(jié)電89.3×104kWh。

2.3 加熱爐煙道擋板調(diào)節(jié)技術(shù)

由于加熱爐負(fù)荷達不到正常負(fù)荷范圍，加熱爐的排煙溫度和空氣系數(shù)處于不合理的水平[7]?，F(xiàn)場調(diào)查表明，加熱爐煙道擋板距離地面較高（4～6 m），不易調(diào)節(jié)，排煙熱損失較大[8]。通過改進加熱爐煙道擋板控制機構(gòu)，增加負(fù)壓測試裝置，能有效改進操控性能，降低排煙熱損失。

改造的擋板控制機構(gòu)主要由搖把、減速器、刻度盤、數(shù)顯負(fù)壓表及排煙溫度表構(gòu)成（圖2）。通過傳動機構(gòu)將煙道擋板控制點由爐子上轉(zhuǎn)移到地面，可根據(jù)加熱爐負(fù)荷變化、風(fēng)力的大小進行及時調(diào)節(jié)，控制過?？諝庀禂?shù)，延長換熱時間，減少排煙損失。擋板開度與加熱爐負(fù)荷有近似比例關(guān)系，開度越大，加熱爐熱負(fù)荷越大。根據(jù)加熱爐進出口溫度和加熱流量估算出加熱爐負(fù)荷率，確定擋板開度。擋板開度與空氣流動阻力系數(shù)關(guān)系見圖3。

表2 轉(zhuǎn)油站自動與基準(zhǔn)優(yōu)化變頻耗電量對比

圖2 加熱爐煙道擋板控制機構(gòu)

圖3 擋板開度與空氣流動阻力系數(shù)關(guān)系

現(xiàn)場監(jiān)測2#熱洗爐，應(yīng)用煙道擋板調(diào)節(jié)技術(shù)后煙氣含氧量變化和燃燒效率效果。措施后，熱洗爐過?？諝庀禂?shù)由1.73 下降到1.24，排煙溫度由373 ℃下降到213 ℃，燃燒效率由72.5%提高到81.1%，2#熱洗爐措施前后對比見表3。在40臺加熱爐上進行擋板調(diào)節(jié)和負(fù)壓測試裝置改造，實現(xiàn)節(jié)氣102×104m3。

2.4 加熱爐物理除防垢

試驗表明：當(dāng)加熱爐煙火管生成垢1.0 mm，鋼材溫度將升高130～160 ℃，燃料消耗增加7%～8%，熱效率降低8%～9%；當(dāng)火管外壁結(jié)垢4 mm 時，燃料消耗增加20%～30%，熱效率降低25%～35%[9]。

高效除防垢裝置采用變頻脈沖除垢原理，由控制器和反應(yīng)器兩部分組成，反應(yīng)器安裝在處于系統(tǒng)低位的管道上，除防垢裝置控制器及變頻脈沖反應(yīng)器見圖4。運行時，周期性和規(guī)律性產(chǎn)生各種頻率強大的直流脈沖電磁場，在這種脈動的電磁場作用下，產(chǎn)生的磁力線對管道中水進行切割，使水的原自然大締合狀態(tài)的結(jié)合鍵被深度打斷，離解成活性很強的單水分子和小締合體，從而改變了水的物理結(jié)構(gòu)與特性，增強了水分子的極性，增大了水分子偶極矩，提高了水對Ca、Mg、CO3、HCO3等離子的水合能力，減少了彼此結(jié)合的機會[10]。

圖4 除防垢裝置控制器及變頻脈沖反應(yīng)器

5 臺加熱爐安裝物理除防垢裝置，經(jīng)測試，煙火管垢質(zhì)生成速度下降了27.3%。測試對比表明，加熱爐燃燒效率提高了8.7%，累計實現(xiàn)年節(jié)氣29.7×104m3。

3 經(jīng)濟效益

通過區(qū)域性節(jié)能改造措施，集輸系統(tǒng)的噸液耗電從0.99 kWh/t 下降到0.97 kWh/t，噸液耗氣從0.62 m3/t下降到0.60 m3/t。年節(jié)電1 171.3×104kWh，年節(jié)氣131.7×104m3，折合標(biāo)煤3 190.7 t，油氣集輸系統(tǒng)區(qū)域性改造主要措施及效果見表4。

表3 2#熱洗爐措施前后對比

表4 油氣集輸系統(tǒng)區(qū)域性改造主要措施及效果

4 結(jié)論

高含水油田集輸系統(tǒng)的能源消耗是降低集輸成本的重要潛力點。其中，外輸泵、變頻控制以及加熱爐節(jié)點又是主要電能和天然氣消耗環(huán)節(jié)。通過更新改造低效泵、優(yōu)化梯次運行，優(yōu)化變頻運行頻率，噸液耗電從0.99 kWh/t下降到0.97 kWh/t；通過實施加熱爐擋板調(diào)節(jié)技術(shù)和物理除垢技術(shù)，可大幅提高加熱爐燃燒效率，進一步減少天然氣氣量消耗，進一步驗證了今后老油田集輸系統(tǒng)區(qū)域性節(jié)能改造的方向。