基于過程方法的原油集輸系統(tǒng)能耗分析及節(jié)能對策

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（大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠）

自《京都議定書》生效以來，國際國內(nèi)對能源供給與消費(fèi)都提出了綠色低碳化的更高要求[1]。石油作為世界第一大能源，直接影響著世界各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的諸多領(lǐng)域，雖然國際在減少“碳排放”的目標(biāo)上達(dá)成了公約協(xié)議，但是，在目前的國際新冠疫情形勢背景下，各國對石油的需求并沒有顯著地減少。而原油生產(chǎn)過程中，傳統(tǒng)的油氣集輸系統(tǒng)中存在著較大的能源消耗[2]，這就加大了我國達(dá)成雙碳目標(biāo)的難度，也增加了石油生產(chǎn)企業(yè)的成本，既不利于石油工程經(jīng)濟(jì)效益的實(shí)現(xiàn)，也不利于突出我國石油企業(yè)整體節(jié)能降耗的社會責(zé)任。通過對原油集輸系統(tǒng)過程的分析，總結(jié)集輸系統(tǒng)的能耗，有的放矢地提出節(jié)能對策。

1 能耗分析

1.1 集輸系統(tǒng)簡介

油氣集輸系統(tǒng)是專門進(jìn)行油氣資源集中、運(yùn)輸、存儲和初加工的系統(tǒng)[3]。這一系統(tǒng)起始于原油井口，由抽油機(jī)將原油及其伴生物質(zhì)提升出來，然后經(jīng)過管道集中，并在場站進(jìn)行必要的處理和加工。經(jīng)過處理加工后的原油再經(jīng)管道輸送至其他場所?？偠灾?，概括起來，原油集輸系統(tǒng)是生產(chǎn)合格原油的系統(tǒng)，其包含了：采油、輸油、集油、處理原油等生產(chǎn)過程。

1.2 能耗分析

原油集輸?shù)母鱾€過程都有能量的消耗。例如：在采油過程，需要消耗電能使電動機(jī)轉(zhuǎn)動，用來維持抽油桿帶動井抽油泵上下運(yùn)動，從而把原油抽出。所以，在分析整個集輸系統(tǒng)的能耗情況時，運(yùn)用過程方法可以更加全面地對能耗節(jié)點(diǎn)進(jìn)行識別。

1.2.1 過程方法

首先，可以將過程理解為是互相作用以產(chǎn)生與組織目標(biāo)相一致的結(jié)果，過程具有相關(guān)互聯(lián)的活動和輸入滿意實(shí)現(xiàn)輸出[4]。而通過技術(shù)性地將某一系統(tǒng)中各個過程加以識別，同時識別出每個過程或者過程之間的相互作用關(guān)系，再通過分析這些關(guān)系來配置資源和管理來達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)和結(jié)果，這種方法就是“過程方法”。

過程方法廣泛應(yīng)用于企業(yè)管理體系中，企業(yè)通過運(yùn)用過程的方法，梳理出生產(chǎn)和服務(wù)的主要過程，建立相應(yīng)的工作（工藝）流程圖，使參與管理的人員可以清楚了解到自身企業(yè)生產(chǎn)和服務(wù)的關(guān)鍵內(nèi)容，這些關(guān)鍵內(nèi)容往往是需要進(jìn)行控制，期以獲得更好的績效。過程方法適用性極強(qiáng)的管理方法，所以，也能夠應(yīng)用在原油集輸系統(tǒng)中，用于分析組成系統(tǒng)的各個過程，將能耗節(jié)點(diǎn)一一分析出來。

1.2.2 集輸過程的能耗分析

通過對集輸系統(tǒng)的技術(shù)原理進(jìn)行了細(xì)致分析，運(yùn)用過程方法，將原油集輸系統(tǒng)識別為若干個過程，從而得到原油集輸系統(tǒng)的能耗表，原油集輸系統(tǒng)能耗分析見表1。

通過表1，可以清晰地看到，在原油集輸系統(tǒng)中的七個關(guān)鍵過程，主要的能耗為電能和天然氣，主要的能耗設(shè)備集中為各類的機(jī)泵，這些設(shè)備消耗的能源占生產(chǎn)原油總能源的90%以上。

表1 原油集輸系統(tǒng)能耗分析

1.3 原油集輸系統(tǒng)能耗現(xiàn)狀

我國的各大油田都存在著一個共性問題，就是油田區(qū)域范圍面積大，原油集輸場所分散，往往采用熱力、電力分供、分產(chǎn)的方式，這就導(dǎo)致油氣集輸系統(tǒng)生產(chǎn)活動的用電量較大、利用效率較低的現(xiàn)象[5]。集輸系統(tǒng)所需的電能依靠電網(wǎng)供給，造成電網(wǎng)距離長，線損增加；而熱能依靠場站的加熱爐或小型鍋爐提供，供熱面積分散，而且這些供熱設(shè)備技術(shù)并不先進(jìn)，其燃燒效率大多數(shù)都低于77%，這就造成了能源浪費(fèi)的現(xiàn)象。

為了防止原油在輸送過程中的凝固、析蠟而堵塞管道，所以需要對原油進(jìn)行伴熱。這個過程中產(chǎn)生了能源的消耗，并且，輸送原油的管道以埋地管道為主，這些管道在地下由于各種原因存在保溫層剝落的現(xiàn)象，這就使熱量進(jìn)一步散失，只有增加能源的消耗才能保證原油正常輸送。

如果電動機(jī)運(yùn)行在額定負(fù)荷或額定負(fù)荷附近，則電動機(jī)屬于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[6]。但是，在油田實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于產(chǎn)油量的不穩(wěn)定，電動機(jī)長期處于輕載運(yùn)行的狀態(tài)。電動機(jī)按照既定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，卻沒有相應(yīng)足量的負(fù)載，使得電動機(jī)、泵在運(yùn)行過程中效率低下，存在負(fù)荷浪費(fèi)的現(xiàn)象。

2 節(jié)能對策

基于上述各過程能耗設(shè)備、能耗的分析，結(jié)合我國油田集輸系統(tǒng)能耗現(xiàn)狀，針對工藝流程、設(shè)備設(shè)施等方面制定相應(yīng)的節(jié)能對策。

2.1 引進(jìn)新工藝技術(shù)

各油田可以根據(jù)自身地理、原油成分特點(diǎn)，結(jié)合國內(nèi)外優(yōu)秀的工藝技術(shù)成果，引進(jìn)適用于自身節(jié)能減排需要的新工藝技術(shù)。

2.1.1 新采油工藝

可以在采油過程中，原有的游梁式抽油機(jī)的基本特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，使用方便，特別是它可以長期在油田全天候運(yùn)轉(zhuǎn)，使用可靠。但是，這種抽油機(jī)存在著能耗大，效率低下的問題，是采油過程中的主要能耗源。采用新的抽油機(jī)的舉升方式，配合以新設(shè)備的參數(shù)設(shè)置，就能獲得了較好的節(jié)能效果。目前，塔式抽油機(jī)技術(shù)發(fā)展比較迅速，其主要優(yōu)點(diǎn)：一是沖程大，可以滿足需要依靠長沖程排液才能滿足原油生產(chǎn)的油井；二是其動載負(fù)荷相對較小，運(yùn)行過程平穩(wěn)，對管桿系統(tǒng)的沖擊力小，不易損傷管桿；三是能耗低，節(jié)電率可達(dá)40%以上；四是井場占地面積小于傳統(tǒng)油井，節(jié)約土地；五是鋼材使用量小，節(jié)約材料。正因塔式抽油機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)，基于節(jié)能的目的，可以在適用的情況下廣泛應(yīng)用。在某油田應(yīng)用塔式抽油機(jī)57 口，單井日節(jié)電48.0 kWh，節(jié)電率為50.7%，年可節(jié)電1.75×104kWh[7]。某油田應(yīng)用塔式抽油機(jī)前后能耗對比見表2。

表2 某油田應(yīng)用塔式抽油機(jī)前后能耗對比

2.1.2 低溫或不加熱集油工藝

加熱爐在長期使用過程中，煙管內(nèi)會產(chǎn)生大量的煙垢，多層煙垢將造成煙氣排放不通暢，從而致使加熱爐燃燒效率降低。原油生產(chǎn)企業(yè)必須定期對煙管等部件進(jìn)行清洗，否則既提高了天然氣的能源消耗，又直接影響了加熱爐的安全運(yùn)行。在實(shí)際操作上，加熱爐煙垢清洗工作難度很大，清理后的效果也不十分明顯。現(xiàn)階段，通過往原油里面添加改進(jìn)劑，使其結(jié)構(gòu)出現(xiàn)改變，減小了油流黏度，切實(shí)增加集輸效益[8]。低溫或不加熱集油工藝主要有8種類型的方式來實(shí)現(xiàn)，包括：雙管出油不加熱集油；井口化學(xué)點(diǎn)滴加藥防蠟降黏不加熱集油；電熱伴熱集膚效應(yīng)不加熱集油；單管通球不加熱集油；單管自然輸送不加熱集油；雙管摻常溫水不加熱集油；單管環(huán)狀摻液不加熱集油等。依靠對于采用這種方式的低溫或者不加熱集油工藝，可以很好地突破傳統(tǒng)的加熱集油工藝帶來的諸多限制，高效地利用含水原油，從而降低能耗。所以，在原油生產(chǎn)中，綜合設(shè)計、施工、生產(chǎn)的各項(xiàng)條件，盡可能地鋪開不加熱集油工藝的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要目標(biāo)。

2.2 加熱爐的更（翻）新

原油集輸系統(tǒng)中，天然氣的消耗主要用于對原油的加熱、油水分離等。使用中的加熱爐普遍存在老化問題，出現(xiàn)了殼體脫落、保溫效果差、結(jié)垢嚴(yán)重等現(xiàn)象[9]。通過節(jié)能監(jiān)測的數(shù)據(jù)，對那些能耗效率低的老舊設(shè)備進(jìn)行更換。相較于舊式加熱爐，真空加熱爐應(yīng)用了微正壓通氣燃燒技術(shù)，以及可以通過提高加熱爐氣缸容積的熱強(qiáng)度，并控制好過量空氣系數(shù)來實(shí)現(xiàn)熱效率的提高，對加熱爐的總體熱效率起到了很好的保障作用。引進(jìn)真空加熱爐替換老式加熱爐，其熱效率可達(dá)90%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于老式加熱爐77%的熱效率。

而對于一些暫時不便于更換的老式加熱爐，也可以運(yùn)用一些工程方法來進(jìn)行“翻新”。目前，加熱爐高效節(jié)能涂料可以涂抹在火筒處，能夠使其受熱面的輻射吸收率得到增強(qiáng)，紅外波被節(jié)能涂層多次吸收，通過內(nèi)能傳遞作用，轉(zhuǎn)化為紅外輻射熱源，以致提高了吸收輻射熱量的能力。通過技術(shù)改造，一般能夠使加熱爐熱效率提高5%～10%。列舉某油田不同場站更（翻）新加熱爐前后能耗對比見表3。

表3 某油田不同場站加熱爐更（翻）新前后能耗對比

2.3 設(shè)置變頻器

集輸系統(tǒng)中的七個主要過程中都涉及電動機(jī)泵、壓縮機(jī)、加熱爐等能耗設(shè)備。這些設(shè)備都是高耗能設(shè)備，并且處于經(jīng)常性的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，是原油生產(chǎn)中電能消耗的主力軍，一般可占比在90%以上。但是原油產(chǎn)量是動態(tài)變化的，不是一個常量，所以，一成不變的電動機(jī)泵輸出負(fù)荷與變化的負(fù)載不能保持一致，這就造成了電動機(jī)不是處于最佳的工作效率狀態(tài)，從而產(chǎn)生了多余的能耗。設(shè)置變頻器可以解決這一問題。變頻器通過脈沖寬度調(diào)制（PWM）系統(tǒng)，按照負(fù)載量和電動機(jī)效率曲線改變交流電的頻率，使電動機(jī)轉(zhuǎn)速改變，輸出負(fù)荷匹配負(fù)載，達(dá)到電動機(jī)泵工作效率的最優(yōu)化和節(jié)能目的。以某注水站注水機(jī)泵安裝變頻器后的能耗對比為例，可以看出安裝變頻器后能耗效率有了明顯的提升，某注水站安裝變頻器前后電動機(jī)能耗情況對比見表4。

表4 某注水站安裝變頻器前后電動機(jī)能耗情況對比

2.4 加大檢測力度

輸油管道的外保溫層的破損、脫落致使原油熱能損失。埋地管道的外檢測應(yīng)用大功率金屬探測器、檢漏儀，可以有效地檢測出埋于地下的輸油管道外保溫層完整性。在檢測出的保溫層破損位置，以實(shí)時動態(tài)測量（RTK）設(shè)備進(jìn)行定位，便于管道運(yùn)營單位及時開展維護(hù)活動。通過實(shí)施埋地管道檢測，可以有效減少因保溫層破損脫落造成的原油伴熱能耗增加。

2.5 提速集輸系統(tǒng)信息化建設(shè)

伴隨著我國信息化技術(shù)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，更加集中的、智能的油田集輸信息化系統(tǒng)可以通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)廣泛發(fā)揮作用。在其調(diào)控下，油田各原油集輸場站能夠提高油氣資源的利用效率，監(jiān)視測量能耗設(shè)備運(yùn)行情況，更加精準(zhǔn)的對油氣、電能等進(jìn)行計量，提供準(zhǔn)確的信息。所以，加快集輸系統(tǒng)信息化建設(shè)，可以使原油生產(chǎn)過程工藝更加合理，能源分配更加有效，為油田管理人員提供更加高效、精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。

2.6 加強(qiáng)能耗管理

2.6.1 建立能源管理體系

能源管理體系以“能源”為核心進(jìn)行控制和管理，內(nèi)容涵蓋企業(yè)能源管理和利用全過程[10]。它是應(yīng)用相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，在某企業(yè)建立一套管理體系。這一管理體系基于ISO9000 系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的結(jié)構(gòu)框架，基于過程控制方法、風(fēng)險的思維，以及PDCA 循環(huán)的管理模式，來管理企業(yè)的能耗績效。而且其能夠與企業(yè)的質(zhì)量、環(huán)境、職業(yè)健康安全管理體系相融合，不斷推進(jìn)企業(yè)的節(jié)能減排工作。

2.6.2 加強(qiáng)節(jié)能培訓(xùn)

只有通過廣泛的節(jié)能培訓(xùn)，才能使石油生產(chǎn)過程中廣大的員工獲得節(jié)能意識、節(jié)能方法和每個人對企業(yè)節(jié)能減排的重要性。使節(jié)能減排深入人心，最終人人參與節(jié)能，人人為節(jié)能獻(xiàn)策，形成節(jié)能減排的企業(yè)文化。

3 結(jié)束語

現(xiàn)階段，綠色發(fā)展、低碳發(fā)展是我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要理念，同時，也是石油生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展方向，過程方法是一種適應(yīng)性極強(qiáng)，且容易被人理解的管理方法，可以實(shí)現(xiàn)對集輸工藝多個過程的連續(xù)控制，并運(yùn)用PDCA 循環(huán)模式，獲得對集輸工藝各過程的持續(xù)改進(jìn)。油田在生產(chǎn)過程中，運(yùn)用過程方法分析技術(shù)工藝，可以全面分析出原油生產(chǎn)全過程中能源消耗的重要節(jié)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)之上，針對分析出的能耗關(guān)健節(jié)點(diǎn)，有的放矢地通過在一些采油、集輸場站，更新翻新加熱爐來節(jié)約天然氣能源；應(yīng)用變頻器使電動機(jī)輸出功率匹配油液量來節(jié)約電能；開展管道檢測來減少絕熱層破損帶來的電能損失，以及油田企業(yè)內(nèi)部不斷提升管理水平的實(shí)踐，在節(jié)約能源方面取得了顯著的成效?；谶^程方法來分析能耗的方式，完全適用于油田各類產(chǎn)品的生產(chǎn)作業(yè)，并籍此實(shí)現(xiàn)油田生產(chǎn)的節(jié)能降耗目標(biāo)。