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        油田集輸管網(wǎng)仿真評價及優(yōu)化研究

        2012-11-07 07:12:05闞寶春大慶油田有限責任公司第六采油廠
        石油石化節(jié)能 2012年6期
        關(guān)鍵詞:評價系統(tǒng)

        闞寶春(大慶油田有限責任公司第六采油廠)

        油田集輸管網(wǎng)仿真評價及優(yōu)化研究

        闞寶春(大慶油田有限責任公司第六采油廠)

        喇嘛甸油田進入特高含水期后,集輸系統(tǒng)管網(wǎng)的效率普遍降低,能耗升高。為降低集輸系統(tǒng)管網(wǎng)運行能耗,通過對集輸系統(tǒng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)的分析,建立了管網(wǎng)的矩陣模型,利用連續(xù)性方程及能量平衡方程對矩陣模型進行求解,并應(yīng)用能量平衡模型建立了管網(wǎng)能耗評價系統(tǒng)。通過應(yīng)用仿真評價系統(tǒng)對集輸管網(wǎng)的能耗影響因素進行分析,確定了采用經(jīng)濟管徑作為管網(wǎng)評價的方法;并在實際應(yīng)用中通過將實際管徑和經(jīng)濟管徑進行對比,確定了需要調(diào)整的低效管線;并以能耗最小為目標,提出了集輸管網(wǎng)縮小管徑及加強保溫等優(yōu)化措施,優(yōu)化后集輸管網(wǎng)能耗大幅降低,實現(xiàn)了集輸管網(wǎng)的優(yōu)化運行。

        集輸管網(wǎng) 能耗評價 節(jié)能 仿真 優(yōu)化

        喇嘛甸油田集輸系統(tǒng)共有聯(lián)合站7座,轉(zhuǎn)油站46座,集輸工藝普遍采用三級布站、雙管摻水工藝。集輸管網(wǎng)的建設(shè)先后經(jīng)歷了基礎(chǔ)井網(wǎng)、一次加密井網(wǎng)、二次加密井網(wǎng)、三次加密井網(wǎng)的開發(fā)?!笆濉焙?,油田進入特高含水期,集輸管網(wǎng)運行效率等參數(shù)均發(fā)生較大的變化,同時與開采初期相比,油井產(chǎn)液量遞減、含水上升,采出液已經(jīng)由初期的W/O型乳狀液轉(zhuǎn)變?yōu)閃/O/W型復雜多重乳狀液,且采出液黏度大大降低。集輸管網(wǎng)大部分是建站初期所建,隨著運行年限的增加,管網(wǎng)老化嚴重,其中25座轉(zhuǎn)油站站外管線使用年限在20年以上,導致更新改造、生產(chǎn)能耗和管理費用逐年增高。經(jīng)統(tǒng)計,水驅(qū)集輸系統(tǒng)平均單井耗電9707 k W h/a,耗氣8706m3/a,單井運行費用高達1.91萬元/a。

        1 集輸管網(wǎng)仿真系統(tǒng)的建立

        1.1 管網(wǎng)仿真模型[1]的建立

        1.1.1 管網(wǎng)結(jié)構(gòu)的描述

        任意一個管網(wǎng),根據(jù)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以用一組矩陣來描述[2]。矩陣是表示管網(wǎng)圖的最簡單實用的方法,對矩陣本身能夠比較容易進行力學上的處理。如圖1中表示的混輸管網(wǎng),這個管網(wǎng)由一個源節(jié)點[節(jié)點1(參考節(jié)點)]、三個載荷節(jié)點(節(jié)點2、3、4) 和五條枝 [枝 (1)、(2)、(3)、(4)、(5)]組成。在管網(wǎng)中配置載荷L的地方稱為載荷節(jié)點。這些載荷可以是正的、負的或零。負的載荷可以從管網(wǎng)排出流體,如聯(lián)合站或中轉(zhuǎn)站;正的載荷表示向管網(wǎng)流入流體,這包括生產(chǎn)平臺;而零載荷是配置在沒有載荷的節(jié)點上,用來表示管網(wǎng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化的點,比如在許多支管的連接處。對于穩(wěn)定條件,作用于管網(wǎng)的全部載荷同在節(jié)點進入到管網(wǎng)內(nèi)的流入量相平衡,其中支點-節(jié)點關(guān)聯(lián)用矩陣A=n×m來描述,它具有與管網(wǎng)中節(jié)點數(shù)(包括參考節(jié)點)相等的n行數(shù)和管網(wǎng)中支管數(shù)相等的m列數(shù)。支管-環(huán)路關(guān)聯(lián)用矩陣B=k×m來描述,它具有與管網(wǎng)獨立環(huán)路數(shù)目相等的k行數(shù)目和管網(wǎng)中支管數(shù)目相等的m列數(shù)目。

        圖1 混輸管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)矩陣

        1.1.2 管網(wǎng)水力計算模型

        通過建立兩相流集輸管網(wǎng)系統(tǒng)的水力計算的基本方程,可以計算復雜管網(wǎng)中單相流、兩相流系統(tǒng)的流動特性。在實際處理過程中,對于任何管網(wǎng),不管是單相流還是多相流,流動方程都符合質(zhì)量守恒定理、能量平衡方程[3]。管網(wǎng)方程組由連續(xù)性方程和能量方程組成。假設(shè)管網(wǎng)由N個節(jié)點組成,則可寫出N個連續(xù)性方程;然而,只有其中N-1個是線性無關(guān)的,因此,只有N-1個方程可以列入方程組。對于這M個管網(wǎng)環(huán)的每一個環(huán),都可寫出一個能量平衡方程,從而得到M個獨立的能量方程。通過列出連續(xù)性方程和能量平衡方程,就可以得到方程組的完整解。

        1.2 建立管網(wǎng)評價系統(tǒng)

        能量平衡方法是油田節(jié)能測試的基本方法,利用系統(tǒng)輸入、輸出能量的平衡關(guān)系,準確模擬系統(tǒng)能量利用的狀態(tài),直接給出系統(tǒng)的能量損失及有效能量利用情況。通過能量平衡關(guān)系,建立集輸系統(tǒng)管網(wǎng)的能量平衡模型(圖2)。

        圖2 管網(wǎng)能量平衡模型

        從管網(wǎng)的能量平衡模型可以看出,輸入系統(tǒng)的能量為采出液帶入系統(tǒng)的熱能及壓能,輸出系統(tǒng)的能量為出口介質(zhì)帶出的熱能及壓能。根據(jù)能量平衡關(guān)系輸入能量等于輸出能量和體系內(nèi)變化能量的總和,建立管道能量平衡方程,即

        式中:

        ELh,in——采出液及摻水帶入的熱能;

        ELh,out——出口介質(zhì)帶出的熱能;

        ELp,in——采出液及摻水帶入的壓能;

        ELp,out——出口介質(zhì)具有的壓力能;

        ΔELh——管道的熱能損失;

        ΔELp——管道的壓力能損失。

        運用能量關(guān)系,得出管網(wǎng)效率[4]的計算公式如下:

        2 集輸管網(wǎng)能耗評價

        2.1 能耗影響因素分析

        對于集輸管網(wǎng),單井的產(chǎn)液量及含水率在一段時期內(nèi)保持穩(wěn)定,管網(wǎng)的可變參數(shù)決定了管網(wǎng)能耗情況。系統(tǒng)的動力、熱力消耗與管徑、流速、管長等因素有關(guān),這些因素相互影響又相互制約。從定性的角度講,管徑越大,流速越低,管網(wǎng)動力消耗越少,但管網(wǎng)的熱耗費用增加,反之,管網(wǎng)熱耗減少,動力費用增加;因此,通過研究管網(wǎng)運行參數(shù)對能耗的影響規(guī)律,確定影響管網(wǎng)能耗的主要參數(shù),進而通過優(yōu)化該參數(shù),降低管網(wǎng)能耗,運用管網(wǎng)仿真系統(tǒng)對管網(wǎng)的能耗影響因素進行分析。

        2.1.1 管徑對管網(wǎng)能耗的影響

        首先固定產(chǎn)油量為5 m3/d,含水率95%,管線長度500m,變換不同的管徑,研究管徑對管網(wǎng)能耗的影響,能耗的變化情況見表1。

        從表1可以看出,在固定流量、采出液含水率以及管線長度的情況下,隨著管徑的增加,管網(wǎng)效率先增加后減少,管網(wǎng)溫降逐漸增加,壓降逐漸降低,單位輸油熱耗增加,單位輸油電耗逐漸減少,管線效率存在最高點,即當流量為5 m3/d時,管徑是8 9mm時,管效達到最高,管線單位輸油總能耗最低。改變產(chǎn)液量時,仍具有相同的變化規(guī)律。

        2.1.2 流量對管網(wǎng)能耗的影響

        固定管網(wǎng)的直徑為76mm,管線長度為500m,含水率為95%,改變產(chǎn)液量為3m3/d、4 m3/d、5 m3/d、6m3/d、7m3/d、8m3/d、9m3/d、10m3/d時,研究流量對管網(wǎng)的能耗指標的影響,能耗變化情況見表2。

        表1 管徑對管網(wǎng)運行參數(shù)影響情況

        表2 流量對管網(wǎng)運行參數(shù)影響情況

        從表2可以看出,隨著產(chǎn)液量的增加,管網(wǎng)效率先增加后減少,存在管效最高點;當管效達到最高時,管線單位輸油總能耗最低,管網(wǎng)單位輸油熱耗及單位輸油電耗隨溫降及壓降的變化規(guī)律與表1的變化規(guī)律相同,選取其他管徑時,管網(wǎng)能耗變化規(guī)律相同。對表1和表2中數(shù)據(jù)進行分析可知,管線的流速對管網(wǎng)能耗指標的影響規(guī)律相同,當流速大時,管網(wǎng)的單位輸油熱耗低,單位輸油電耗大;流速小時,管網(wǎng)的單位輸油熱耗高,單位輸油電耗低。在實際生產(chǎn)中,單井管線采出液含水率、產(chǎn)液量在一段時期內(nèi)保持穩(wěn)定,影響流速的主要因素是集輸管徑;可見,管徑的選擇是影響管網(wǎng)能耗的重要因素。因此,應(yīng)用仿真模擬得出管網(wǎng)運行的經(jīng)濟管徑,與現(xiàn)場實際管徑進行對比,進而提出管網(wǎng)的改造措施。

        2.2 管網(wǎng)能耗評價及優(yōu)化

        2.2.1 集油管網(wǎng)能耗評價

        為分析站外管網(wǎng)的能耗情況,首先利用集輸管網(wǎng)仿真系統(tǒng)建立站外管網(wǎng)的仿真圖形,將現(xiàn)場錄取10座轉(zhuǎn)油站的站外管網(wǎng)的各節(jié)點的參數(shù)及地面工程數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)導入到仿真系統(tǒng)中,建立各管網(wǎng)的連接;通過輸入黏度、傳熱系數(shù)等基本物性,模擬管網(wǎng)實際運行狀態(tài)。通過仿真,輸出集輸管線的主要能耗指標,包括管網(wǎng)的效率、單位輸油熱耗、單位輸油電耗等參數(shù),實現(xiàn)對各段管網(wǎng)的能耗評價。

        通過評價10座轉(zhuǎn)油站得出集輸管網(wǎng)平均管效介于8 1.9%~94.79%之間,其中7座站的管網(wǎng)效率高于90%。具體分析10座轉(zhuǎn)油站所屬8 62條集輸管線,將實際管徑與經(jīng)濟管徑進行對比,有18 4條管線管網(wǎng)效率較低,其中75條管線因管徑大、產(chǎn)液量少、散熱損失[5]大,管線單位輸油熱耗高,占管線總數(shù)的8.7%;有68條管線因產(chǎn)液量大、流速高,單位輸油電耗較高,管網(wǎng)效率低,占管線總數(shù)的7.9%;有41條管線由于熱損失大,管網(wǎng)效率低,占管線總數(shù)的4.8%。

        2.2.2 集油管網(wǎng)優(yōu)化

        對管效較低的集輸管網(wǎng)提出優(yōu)化措施,其中喇17-232等3條集輸管網(wǎng)效率最低,通過縮小管徑的方法減少其散熱損失,但優(yōu)化管徑后其管效率仍然低于40%;若提高摻水量,能耗較高,建議改造時對該管網(wǎng)采用串接的方式,以提高管輸流量,減少熱損失,提高管網(wǎng)效率。喇18-223等10條管線,因為產(chǎn)液量少、流速低、散熱損失過大,造成單位輸油熱耗高,建議改造時縮小管徑1~2級,同時由于油田管線設(shè)計規(guī)范的規(guī)定,集輸管線管徑不能小于D N40;因此,在縮小管徑的同時,加強保溫,以進一步降低熱耗損失,提高管網(wǎng)效率。喇16-223等6條管線經(jīng)管徑模擬確認為經(jīng)濟管徑,但6口單井含水在37%~47.8%之間,含水較低,管線溫降增加了摩阻損失,采取的措施是加強保溫,減少電耗費用。喇17-22管線管徑較小,當管徑達到8 9mm時,其管網(wǎng)效率最高,但由于管網(wǎng)流速僅為0.8 5 m/s,處于較為合理范圍內(nèi),摻水后,液量增加,管效會進一步提高;因此,不建議更換大管徑管,而對該管網(wǎng)進行除垢。通過以上的優(yōu)化措施,實施后管網(wǎng)能耗降低6.8%,年可節(jié)氣15.24×104m3,年節(jié)電6.12×104k W h,單井運行費用降低0.8 5萬元/a。

        3 結(jié)論及認識

        1)通過建立集輸系統(tǒng)的管網(wǎng)結(jié)構(gòu),并通過管網(wǎng)矩陣建立管網(wǎng)的數(shù)學模型,實現(xiàn)了集輸管網(wǎng)的計算機仿真。它可以精確模擬集輸系統(tǒng)復雜管網(wǎng)的運行狀態(tài),并通過系統(tǒng)管網(wǎng)的能量平衡模型,建立管網(wǎng)的能耗評價系統(tǒng),進行集輸管網(wǎng)的能耗評價。

        2)利用管網(wǎng)仿真系統(tǒng)建立的管網(wǎng)仿真模型,可以直接給出管網(wǎng)的能耗評價結(jié)果,克服了人工分析工作量大、耗時長的缺點,加快了油田規(guī)劃研究的速度,使油田規(guī)劃更能滿足和適應(yīng)油田的多元開發(fā)方式。

        3)管網(wǎng)仿真評價的結(jié)果對制定管網(wǎng)節(jié)能措施具有一定的指導意義。根據(jù)評價結(jié)果,對集輸管網(wǎng)管徑及保溫等參數(shù)進行調(diào)整,調(diào)整后應(yīng)用仿真系統(tǒng)再進行模擬,實現(xiàn)多種優(yōu)化方案的對比,找出管網(wǎng)優(yōu)化最合理的方法,節(jié)省了大量的試驗投資和運行費用,并為油田規(guī)劃前期論證提供理論支持。

        [1]王金峰,史秀敏.計算機仿真技術(shù)在輸油管道系統(tǒng)方面的應(yīng)用[J].國外油田工程,1998(2):36-37.

        [2]肖芳淳.灰色物元分析在優(yōu)選油氣管道設(shè)計方案中的應(yīng)用[J].油氣田地面工程,1996,15(1):1-6.

        [3]李玉星,馮叔初,范傳寶.多相混輸管道溫降的計算[J].油氣儲運,2001,20(9):32-34.

        [4]張?zhí)m雙,魏立新,王文秀,等.原油集輸系統(tǒng)效率計算與能耗分析軟件開發(fā)[J].油氣田地面工程,2005,24(11):14-15.

        [5]袁永惠.油氣集輸能量系統(tǒng)的熱力學評價與分析[D B].中國優(yōu)秀碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫,2005(11):48.

        10.3969/j.issn.2095-1493.2012.06.002

        2012-02-23)

        闞寶春,2002年畢業(yè)于江漢石油學院,工程師,從事地面系統(tǒng)節(jié)能測試評價工作,E-mail:kanbaochun@petrochina.com.cn,地址:黑龍江省大慶油田第六采油廠規(guī)劃設(shè)計研究所,163114。

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