“碳中和”背景下采油廠地面工程節(jié)能降耗問題研究

于鵬（大慶油田有限責(zé)任公司第十采油廠）

我國(guó)能源利用率低于西方發(fā)達(dá)國(guó)家10%[1]。習(xí)總書記提出2060 年?duì)幦?shí)現(xiàn)“碳中和”，在此背景下，各行各業(yè)均開始實(shí)施綠色低碳發(fā)展。作為傳統(tǒng)能源企業(yè)的重要生產(chǎn)單位，采油廠地面工程的耗能問題也需要盡快解決。從目前國(guó)內(nèi)采油廠地面工程現(xiàn)狀入手，從新能源的替代和生產(chǎn)運(yùn)行優(yōu)化對(duì)策方案等角度，研究出相關(guān)的節(jié)能降耗措施。

1 國(guó)內(nèi)地面工程用能概況

1.1 地面工程常用流程現(xiàn)狀

油氣田行業(yè)內(nèi)采油廠的地面工程涵蓋油氣田地面生產(chǎn)設(shè)施、輔助生產(chǎn)設(shè)施和其他相關(guān)的附屬設(shè)施，主要有油氣集輸與處理、采出水處理、注水、供配電、儀表自控、通信、建筑與結(jié)構(gòu)等系統(tǒng)。地面工程能保障油氣達(dá)標(biāo)外銷、采出水回注等[2]。

目前我國(guó)的采油廠地面工程常用的集輸工藝已逐步完善為各具特色的密閉全流程工藝，例如大慶薩爾圖流程工藝、雙管摻水集油流程、小環(huán)摻水流程等多種集輸流程工藝，還有根據(jù)產(chǎn)油特性獨(dú)創(chuàng)的流程工藝，例如稠油油田常用的摻稀油集輸流程工藝、蒸汽集輸流程等，含硫較高的油田常用的加氫脫硫工藝、氣提脫硫工藝等，含砂量高的油田常用的重力脫砂工藝、離心脫砂工藝等，常見的三級(jí)布站雙管摻水集油及處理流程見圖1。

圖1 三級(jí)布站雙管摻水集油及處理流程

1.2 地面工程用能現(xiàn)狀分析

目前采油廠的地面工程各類設(shè)備設(shè)施組成的系統(tǒng)中，耗能最多的是注水系統(tǒng)，其次是油氣集輸與處理系統(tǒng)。油田地面工程用能設(shè)備主要包括加熱爐等加熱設(shè)備、各類泵設(shè)施等，能源類型為電能、天然氣和原油等。原油集輸系統(tǒng)主要包括原油收集、集輸、處理、儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)榷鄠€(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，涉及的站場(chǎng)主要包括計(jì)量間、中轉(zhuǎn)站、污水站、注水站等站庫所、油庫等，耗能情況見表1。

表1 耗能情況

其中耗能部分，中轉(zhuǎn)站、污水站等站庫集輸系統(tǒng)耗能占據(jù)84%，尤其是以加熱爐和鍋爐耗能最高。以長(zhǎng)慶油田為例，集輸系統(tǒng)日耗電量超過160×104kWh，日耗煤量為300 t 左右，日耗油量大于600 t。數(shù)據(jù)表明集輸系統(tǒng)耗能較大[3]，以集輸系統(tǒng)為代表的地面工程各環(huán)節(jié)開展節(jié)能降耗研究。

2 采油廠地面工程節(jié)能降耗措施

2.1 新能源技術(shù)替代方案

從綠色新能源角度拓展思路，將傳統(tǒng)耗能與可再生的低成本新能源結(jié)合，從能源結(jié)構(gòu)上改變耗能的現(xiàn)狀，可以有效降低傳統(tǒng)能源消耗程度，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。新能源種類主要考慮比較成熟的地?zé)豳Y源和光電資源，由于風(fēng)電、核電前期成本較高，投入運(yùn)行難度大，現(xiàn)實(shí)可行性較小，故不在考慮范圍內(nèi)。

2.1.1 地?zé)豳Y源挖潛利用

遼河、大慶等油田已開始利用廢棄井改造為地?zé)峋?，為油田生產(chǎn)提供熱源[4]。目前可以采用多級(jí)梯次分類使用的方式，應(yīng)用不同溫度的熱水，例如從地?zé)峋胁沙?0 ℃地?zé)崴褌鳠崞鲀?nèi)的介質(zhì)升溫至65 ℃，同時(shí)流出較低溫度的地?zé)崴?，再通過二次傳熱器與新的循環(huán)水合成更低溫度（一般是26 ℃）的水回灌至地層。此外可以在換熱流程中加入加熱泵，只需要少量的能源加熱，即可實(shí)現(xiàn)多類溫度的不同使用，減少了傳統(tǒng)能源在熱量上的持續(xù)消耗，由此實(shí)現(xiàn)降低能耗的目標(biāo)。

2.1.2 光伏發(fā)電替代利用

我國(guó)部分油田例如大慶、吉林、新疆等油田，分布在太陽能資源較豐富地帶，各油田光能情況見表2?？梢猿浞挚紤]目前采油廠所在區(qū)域土地使用情況、電力網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷能力等，采取分布式光伏電力系統(tǒng)，與現(xiàn)有電路結(jié)合，代替或者部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)電能，以實(shí)現(xiàn)降低耗能、推進(jìn)“碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。例如吉林油田應(yīng)用光伏的區(qū)塊年節(jié)電達(dá)936萬元。

表2 各油田光能情況

2.2 生產(chǎn)方面優(yōu)化運(yùn)行對(duì)策方案

污水余熱回用方案類似于地?zé)豳Y源使用流程，采用多級(jí)梯次分類使用方式，加熱不同溫度的熱水。2020 年我國(guó)各油田折算后污水余熱量高于142×104t 標(biāo)煤[5]。若輔助少量傳統(tǒng)能源加熱后，升溫80℃的高熱量流動(dòng)介質(zhì)，可用于生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)，例如外輸油、脫水加熱、冬防保溫等熱能需要。污水余熱回用方案已經(jīng)在大慶、遼河、新疆等油田地面工程中實(shí)現(xiàn)高效利用，產(chǎn)生了可觀的節(jié)能降耗效果，例如吉林油田某聯(lián)合站采取污水余熱回用后，年減少天然氣消耗1 040×104m3，年降低傳統(tǒng)能源成本1 706 萬元。

2.2.1 加熱環(huán)節(jié)節(jié)能降耗對(duì)策

采油廠地面工程中消耗能量較大的各類環(huán)節(jié)中，突出集中在加熱環(huán)節(jié)各類設(shè)備設(shè)施上，例如加熱爐、鍋爐等，故需要對(duì)此類設(shè)備開展節(jié)能降耗對(duì)策的研究，以加熱爐為例。

1）加熱爐運(yùn)行優(yōu)化對(duì)策。在選用高效霧化燃燒技術(shù)、蓄熱燃燒技術(shù)、分級(jí)燃燒技術(shù)或富氧燃燒技術(shù)等新型技術(shù)的加熱爐設(shè)備基礎(chǔ)上，選擇合理的空氣過剩系數(shù)，防止過高或者過低的氣體造成熱量不必要的損耗或燃燒不充分的情況發(fā)生，此項(xiàng)工作可以按照?qǐng)D版進(jìn)行多次試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際的設(shè)備運(yùn)行情況，最終篩選出合理的空氣過剩系數(shù)[6]。此外日常清理加熱爐的污水結(jié)垢，也對(duì)加熱爐的熱傳遞效率有促進(jìn)提升的作用。

2）加熱爐節(jié)能涂料降耗對(duì)策。材料科學(xué)的發(fā)展給加熱爐的節(jié)能降耗帶來新的思路，在加熱爐的受熱表面上施加耐高溫的節(jié)能噴涂材料，大幅度提升受熱表面的熱輻射吸收能力，轉(zhuǎn)換空間內(nèi)紅外波為新的熱輻射源，提升輻射表面的受熱溫度，可以大大提高熱量的利用效率，傳遞給受熱介質(zhì)，從而達(dá)到現(xiàn)有耗能基礎(chǔ)上，提升加熱效果，變相的降低了同等溫度下的耗能[7]。資料顯示年平均節(jié)氣達(dá)105×104m3。

3） 煙氣余熱回用對(duì)策。研究表明排煙降低13 ℃對(duì)應(yīng)提升熱效率1%[8]。所以在設(shè)備空間允許的基礎(chǔ)上，可以采取對(duì)流室數(shù)量增加或面積擴(kuò)大的改造方式，降低排煙溫度，充分回用煙氣余熱，同時(shí)推廣應(yīng)用空氣預(yù)熱器和余熱回收換熱器，都可以實(shí)現(xiàn)煙氣熱量回收的效果，從而降低熱量損耗，提升能源利用率。

2.2.2 電能優(yōu)化使用對(duì)策

在采油廠地面工程的前期建設(shè)中，可以預(yù)先調(diào)整電力線路結(jié)構(gòu)，優(yōu)化電網(wǎng)的運(yùn)行方式和狀態(tài)，降低地面工程電網(wǎng)損耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

目前無功補(bǔ)償設(shè)備較多用來降低地面工程電網(wǎng)損耗情況。使用后能夠?qū)⒕€路的損耗降低了10 個(gè)百分點(diǎn)，取得明顯的節(jié)能效果。

除了無功補(bǔ)償技術(shù)之外，電能優(yōu)化使用對(duì)策更多的集中在用電設(shè)備方面。在采油廠地面工程中，注入系統(tǒng)中的各類泵機(jī)組是耗能大戶，要及時(shí)淘汰老舊設(shè)備，及時(shí)更新節(jié)能型的離心泵、節(jié)能型電動(dòng)機(jī)、變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用等，滿足運(yùn)行效率的同時(shí)，降低電能損耗。同時(shí)還需合理使用參數(shù)[9]。我國(guó)各油田采油廠地面工程中，電動(dòng)機(jī)的節(jié)能使用情況集中在三相雙定子節(jié)能永磁同步電動(dòng)機(jī)選用上。研究表明該電動(dòng)機(jī)節(jié)電達(dá)30%[10]。雖然更換設(shè)備初期產(chǎn)生一定成本，但是從長(zhǎng)期看，結(jié)合節(jié)能降耗的間接收益，長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益可觀。而在離心泵的優(yōu)化使用中，應(yīng)用泵內(nèi)涂抹技術(shù)，能夠有效降低泵內(nèi)水力摩擦，大幅度降低水力損耗，提高單泵運(yùn)行效率4.4%，降低單泵電能損耗5.44%。

2.2.3 現(xiàn)代信息技術(shù)使用對(duì)策

互聯(lián)網(wǎng)已逐漸在節(jié)能領(lǐng)域應(yīng)用。在條件允許的情況下，采油廠可以在地面工程范圍內(nèi)，建立數(shù)字化的耗能管理平臺(tái)，時(shí)時(shí)更新各環(huán)節(jié)、每臺(tái)設(shè)備的耗能數(shù)據(jù)。收集數(shù)據(jù)涵蓋傳統(tǒng)能源消費(fèi)量、耗能投入比、產(chǎn)值綜合能耗比、節(jié)能量、產(chǎn)值節(jié)能量等各種數(shù)據(jù)。由于各種歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)規(guī)模呈現(xiàn)超大規(guī)模，現(xiàn)有的設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)不能實(shí)現(xiàn)快速處理，所以需要借助云計(jì)算，及時(shí)計(jì)算出能耗數(shù)據(jù)和處理結(jié)果，立即計(jì)算出優(yōu)化策略，及時(shí)傳送給各級(jí)管理人員。由此實(shí)現(xiàn)通過大數(shù)據(jù)、云端等技術(shù)，及時(shí)優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)、調(diào)整運(yùn)行策略，從地面工程整體系統(tǒng)的運(yùn)行上實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗目標(biāo)。

3 總結(jié)

“碳中和”的目標(biāo)提出是國(guó)家對(duì)高質(zhì)量發(fā)展的新的要求，是推進(jìn)包括油田在內(nèi)的各大企業(yè)改革發(fā)展的新的契機(jī)。作為能源產(chǎn)業(yè)鏈重要環(huán)節(jié)的采油廠，地面工程作為耗能的主要領(lǐng)域需要加大力度研究節(jié)能降耗策略。從新能源替代、耗能的回收利用、設(shè)備的優(yōu)化運(yùn)行、電能的優(yōu)化使用和現(xiàn)代信息技術(shù)的推廣使用，可以大幅度提升現(xiàn)有能源的利用率，減少傳統(tǒng)耗能，有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。