油田接轉站集輸系統能耗分析范文

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《應用科技雜志》2015年第一期

1江蘇油田瓦6接轉站集輸系統

本文針對江蘇油田某接轉站能耗進行研究，該接轉站位于興化地區，該地區氣候溫和濕潤，年平均溫度15℃，1月最冷平均溫度1．50℃，7月最熱平均溫度27．90℃；年平均降水量1062．90mm，多數年份從6月中旬到7月中旬，形成雨季（即“梅雨季節”）。年平均無霜期224天。本次研究對象為江蘇油田下屬瓦6接轉站，瓦6接轉站集輸系統主要包括兩個區塊：瓦X6及瓦X7區塊，共有油井數量36個，其中瓦X6區塊16個，瓦X7區塊20個，每個區塊各有3個計量站。集輸過程中從計量站到接轉站都是采用三管流程，熱水伴熱的方式。瓦X6及瓦X7油井井口到計量站輸油的伴熱方式共有6種，分別是單管無伴熱流程、單管中頻電加熱流程、三管伴熱流程、四管伴熱流程、五管伴熱流程及六管伴熱流程。瓦6接轉站內部的流程圖如圖1所示，主要工藝流程為分離器—加熱爐—油罐—外輸泵—流量計—加熱爐—外輸管線。江蘇油田瓦6接轉站生產能耗主要包括熱能消耗和電能消耗2種類型。熱能消耗主要用于提高產液的溫度，降低輸送黏度；電能消耗用于輸送液體增壓，為油氣集輸提供所需壓力。燃油主要集中在油氣技術系統的集油站中的加熱爐，燃燒提供熱量，耗電主要包括井口中頻電加熱和集油站中的燃料泵和水泵。關于瓦6接轉站站內各設備型號說明如下。

2能耗分析數學模型

2．1物性參數模型瓦6接轉站集輸系統中主要包括從井口到計量站、從計量站到接轉站的管道輸送，以及在接轉站內部的處理。輸送的介質是油井采出液，在站內主要能耗在加熱爐，而加熱爐所用燃料油是從油田采出液中抽取部分進入燃油箱，在燃油箱中經過破乳實現油水分離后得到，含水率最高1％。根據可研性報告，江蘇油田發2接轉站油品動力粘度為54．89mPa．s，運動黏度為63．13mm2／s，密度0．8893g／cm3，凝固點35℃。故研究能耗分析過程中油的物性參數極其重要。主要物性參數包括密度、比熱和低熱值。

2．2加熱爐能耗模型瓦6接轉站中的加熱爐是重要的耗能設備，占據了系統總耗能量中很大的比例，屬于集油站主要的節能對象。加熱爐通過燃料燃燒和對流換熱兩部分完成化學能向被加熱介質熱能的轉換，這個過程伴有排煙損失、化學不完全燃燒損失、散熱損失、機械不完全燃燒損失等能量損失過程，基于此分析建立了如下加熱爐能量模型，如圖2所示。

2．3管線能耗分析模型輸油管道是按照工藝流程的要求設計安裝而成的一個完整的管線系統，用以實現油品的輸送，以黑箱模型來對某段管路能耗進行建模時，其輸入能量是物流帶入該段管線的能量，輸出能量是物流帶出該段管線的能量以及該段管線的散熱損失量［9］，因此，某段管路能耗模型按式（9）表達。瓦X6區塊管線從井口到集油站基本都埋地，瓦X7區塊管線從井口到集油站基本都在空中，主干路線都是有伴熱回水的，因此能損計算采用正平衡方法。熱水從集油站加熱爐由泵加壓后輸送到計量站再至井口為油田采出液伴熱至計量站及接轉站，形成回水系統。圖3給出了瓦6集油站集輸管線能損模型。伴熱熱水出加熱爐后分為三股，在瓦6集油站有3個總的水流量計，其中到油井供水分為兩條總管線出站，分別為瓦X6區塊配水平均11．2m3／h和瓦X7區塊配水平均13m3／h。還有一部分水供站內采暖用，如圖4所示。

2．4集輸系統能耗評價模型從熱力學第一定律的角度直觀的評價瓦6接轉站能耗，可以由以下評價指標，主要包括加熱爐效率、采出液熱負荷、伴熱熱水熱負荷［10］等。

3能耗分析結果與影響因素分析

依照江蘇油田瓦6接轉站2013年全年現場采集數據，包括采出液及伴熱熱水等參數，根據集輸系統效率及能耗計算數學模型，來對該接轉站能耗進行分析。

3．1加熱爐總熱負荷變化規律加熱爐是實現油井采出液伴熱、站內儲油罐保溫的最主要設備，影響加熱爐效率的因素主要有加熱爐類型、燃燒器、空氣系數、排煙溫度和爐體散熱等。影響加熱爐總熱負荷的因素有采出液量、伴熱熱水量、采出液溫升和伴熱熱水溫升等。圖5為2013年全年加熱爐月日平均總熱負荷分布圖。從圖中可以看出，加熱爐總熱負荷大部分分布在650～900kW之間，且隨著季節有一定的變化規律，夏季相對較低，冬季相對較高。在8月份平均熱負荷達到最低值，為692．74kW，在12月份達到最高值，為893．79kW。加熱爐月日平均熱負荷在全年內有波動，這是由于影響加熱爐熱負荷的因素較多，如產油量、伴熱熱水量、加熱爐油水溫升等冬夏季差別較大造成的。圖6為2013年加熱爐中采出液和伴熱熱水月日平均熱負荷分布圖。從圖中可以看出，采出液月日平均熱負荷分布在200～300kW之間，在1月份時達到最高值，為297．597kW，在10月份時達到最低值，為223．596kW。伴熱熱水月日平均熱負荷分布在400～600kW之間，在5月份時達到最高值，為597．41kW，在8月份時達到最低值，為429．432kW，在冬季如10月11月份均較高。伴熱熱水在加熱爐中熱負荷受到循環水總量、加熱爐中水溫升等因素的共同影響。在5月份時較大的原因是該月加熱爐中出水溫度較高，水溫升較大。

3．2加熱爐效率加熱爐是接轉站內最主要的耗能設備，伴熱熱水在加熱爐中吸熱后再分別進入站內、瓦X6、瓦X7區塊供熱，故加熱爐效率的高低可以直接反映接轉站內熱能的利用情況。圖7為瓦6接轉站內2013年加熱爐月日平均效率分布圖。從圖7中可以看出，加熱爐月日平均效率夏季一般較高，為75％～78％，冬季較低些，為55％～60％。加熱爐月日平均效率在8月份達到最高值，為77．08％，3月份達到最低值，為57．66％。選擇高效的加熱爐可以減少燃油消耗量，節約成本。優質的燃燒器可以使燃料充分燃燒，這是提高加熱爐效率的先決條件，應選用優質高效燃燒器；過量空氣系數大，會帶走較多的熱量，加熱爐效率低，空氣量不足，燃料不能充分燃燒，加熱爐效率低；故要加強管理，合理調整空氣系數，保證燃燒充分，確保較高的燃燒效率，達到降低燃油消耗的目的。而且還要加強生產維護，定期清垢，及時清理附著于火管、盤管表面的垢，防止換熱能力降低；加強對加熱爐防腐保溫層的維護，減小爐體散熱損失。

3．3管線能耗及效率圖8所示為全年瓦X6、X7區塊月平均管線吸熱量。從圖8中可以看出瓦X6管線采出液吸熱量與季節變化有一定的關系，在8、9月份較低，冬季較高。瓦X6管線吸熱在11月均值達到最高，為184．96kW，主要原因是，所需熱量較高的原因是，11月份瓦7～21和瓦7～8兩口井的出液量比前幾個月大很多，而且采出液含水率極高，含油率極低，給其升溫所需熱量較大。在9月份達最低值，為119．92kW。瓦X7區塊管線月平均吸熱量在8、9月份較低，在4月份最高。原因是4月份一次進油溫度為50℃，而其他各月均為45、46℃，采出液井口溫度相差不大，故4月份管線油溫升較大，故在4月份出現最高值。在9月份達到最低值，為74．09kW，4月份達到最高值，為160．06kW。圖9所示為2013年瓦X6、X7區塊管線月日平均管效。從圖9可以看出瓦X7管道管效大部分高于瓦X6管道管效，這是由于瓦X6管線回水溫度低，溫差大的原因。瓦X6區塊管效在11月份達到最高值，為64．82％，5月份最低為42．14％；瓦X7區塊管效在4月份達到最高值，為74．91％，9月份最低為37．83％。

3．4集輸系統能耗影響因素3．4．1地溫對噸采出液熱負荷的影響規律由于瓦6接轉站瓦X6區塊的管線全長1．7km，而且基本都埋地，且埋深為1m左右，所以在輸送管線中噸采出液熱負荷受地溫影響影響很大。圖10為江蘇高郵地區地下1．0m處月平均地溫變化曲線，從曲線可以看出，2013年月平均地溫在2月份達到最低值，為8．73℃，在8月份達到最高值，為24．85℃。圖11為地溫對噸采出液熱負荷的影響規律。從圖中可以看出，地溫增加，噸采出液管線中的熱負荷會減小。地溫在夏季較高，冬季較低，故采出液在管線中噸熱負荷也會隨季節有明顯變化，即夏季較低，冬季相對較高。從圖中可以看出，當地溫為8．73℃時，噸采出液熱負荷為83．7MJ／t，而地溫升高至17．58℃時，噸采出液熱負荷為68．1MJ／t。地溫每升高1℃，噸采出液熱負荷可降低約1．76MJ／t。3．4．2燃油量對加熱爐效率的影響規律通過對瓦6接轉站進行能耗分析，發現目前瓦6接轉站的加熱爐效率在春秋冬季普遍分布在50％～65％之間，而國家規定的0．5～3．6MW的加熱爐效率應為82％～85％。因此采用節能措施，提高加熱爐效率，減小加熱爐耗燃油量，對實現節能降耗至關重要。圖12為不同負荷下改變燃油量對加熱爐效率的影響規律。從圖中可以看出，在負荷一定時，隨著燃油量的增加，加熱爐效率緩慢降低。瓦6接轉站集輸系統的月日平均熱負荷基本都分布在700～850kW之間，故圖中選取不同等級的負荷做曲線。可以看出，在熱負荷為760kW時，當燃料量從2．82t／d降低至2．22t／d時，加熱爐熱效率將從55．28％增加至70．22％。燃油量每減小0．1t／d，加熱爐效率可提高大約2．49％。對于瓦6接轉站集輸系統，年均熱負荷為784．81kW，熱效率為66．52％，消耗燃料量為2．42t／d，若將年均燃料量控制在2．22t／d，平均熱效率可達到72．51％，年節約燃油量可達到73t／d。現場對加熱爐的控制設備簡陋，燃油加入量也沒有得到實時控制，故很多狀況下燃油供給偏多，造成不必要的熱能損耗。且對于加熱爐的過量空氣系數和排煙溫度都沒有監控，這些都是影響加熱爐效率的重要因素，故增加對加熱爐的監控措施很重要。

3．5典型工況火用分析由于熱力學第一定律只從量的角度來考慮能量的平衡、傳遞、損失情況，而沒有考慮到不同種能量品質的不同，熱力學第二定律從火用的角度出發，考慮了能量品質的差異，因此對系統進行火用分析可以更全面的看出系統能量利用的薄弱環節，可以以此為依據更合理的改善系統。選取冬季某典型日（1月21日）進行火用分析，該工況下的主要運行參數如表2所示。表3給出了2013年1月23日加熱爐的火用效率，圖12為典型日加熱爐火用損分布圖。由表2中可得，加熱爐的火用損失為1116．09kW，火用效率為12．73％，而一次能源效率為72．09％；從一次能源效率來說效率已經相對較高了，但是火用效率卻很低。這是由于能量不僅有量的多少，還有質的高低，化學火用的品質高于內能火用，因此傳統加熱爐設備是對能量品質的一種浪費。圖13為該典型工況日下加熱爐火用損失分布。從圖中可以看出，87．27％的火用損失掉，其他12．73％有8．4％被伴熱熱水所得，4．33％為采出液所得。伴熱熱水所得火用又進入管線中伴熱。故整個集輸系統的火用效率低于12．73％。表4給出了各區塊伴熱熱水火用分布，從表中可以看出，瓦X6和瓦X7區塊一次能源效率分別為52．54％和52．68％，火用效率分別為16．95％和22．14％，跟加熱爐有相似的規律，因此火用分析在一定程度上更好的闡述了能量去向何方，又損失在了哪里，跟一次能源分析相結合可以更好地展示能耗分布。

4結束語

針對江蘇油田瓦6接轉站，根據其集輸工藝流程、相關設備及相關參數，通過建立相關數學模型，在采集運行參數的基礎上，結合當地環境溫度、地表溫度，對瓦6接轉站2013年全年的生產運行進行了用能及能損分析，并對計算結果進行了分析總結。從第一定律的角度對集輸系統進行能耗分析可以得到瓦6接轉站的能耗分布規律：加熱爐總熱負荷大部分分布在650～900kW之間，且隨著季節有一定的變化規律，夏季相對較低，冬季相對較高；采出液月日平均熱負荷分布在200～300kW間，伴熱熱水月日平均熱負荷分布在400～600kW間；加熱爐月日平均效率夏季一般較高，為75％～78％，冬季較低些，為55％～60％；地溫增加，噸采出液管線中的熱負荷會減?。辉谪摵梢欢〞r，增加燃油量會降低加熱爐效率；可以看出瓦6接轉站的熱能利用率不高，應通過改善管道保溫及提高加熱爐熱效率等措施來提高熱能利用率；另外在電能利用方面，目前瓦6區塊進入開發中后期，集輸設備均存在現有系統能力不匹配的情況，油田集輸系統與集輸動力設備等方面有較大的節能和挖掘空間；結果可以看出管效較低，分析現場取到的加熱爐數據，加熱爐出水溫度一般都會燒至比要求值高，因此在伴熱過程中出現較大的能量損失；許多井含水率較高，產液量極大，對于這些井可以取消管道熱水伴熱，依靠油井生產時的自身壓力和溫度將采出液通過管線輸送；在主管線分叉處安裝伴熱熱水流量計和流量控制閥，這樣便于分配伴熱熱水量，避免流量過大引起的耗散。從第二定律的角度進行火用分析，對加熱爐進行火用分析可以看出，在一次能源效率可以達到65．57％時，加熱爐火用效率僅能達到11．31％。通過火用分析可以找出系統的薄弱環節，有了更合理的指導。

作者：趙洪濱楊倩江婷楊微黃輝李奇單位：中國石油大學機械與儲運工程學院中國石油化工股份有限公司石油勘探開發研究院