鄧壽祿（勝利油田技術檢測中心）

聯合站原油外輸溫度的節(jié)能優(yōu)化方法及其控制

鄧壽祿（勝利油田技術檢測中心）

聯合站外輸原油消耗的能源主要是加熱耗油和克服摩阻耗電。運行中的管線外輸油溫度是決定經濟運行的主要參數，因此，確定一個合適的外輸油溫度，是外輸油管線達到經濟運行的關健。針對聯合站外輸過程的能耗問題，提出了聯合站原油外輸溫度的節(jié)能優(yōu)化方法及其控制，給出了經濟溫度的目標函數、求解方法和實例計算。在此基礎上，提出了聯合站外輸加熱爐定溫加熱和熱效率自尋優(yōu)節(jié)能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用定溫加熱系統(tǒng)對加熱爐實現加熱控制，同時其熱效率自尋優(yōu)節(jié)能控制系統(tǒng)又能夠優(yōu)化加熱爐的運行工況，實現聯合站原油外輸過程的優(yōu)化運行。

聯合站原油外輸溫度節(jié)能控制

引言

油氣集輸系統(tǒng)是油田耗能的主要環(huán)節(jié)，據統(tǒng)計，油氣集輸系統(tǒng)能耗一般占原油生產總能耗的30%～40%，所消耗的熱能和電能是油田節(jié)能的重點對象。油氣集輸系統(tǒng)是將各個油井生產的原油、天然氣等混合物進行收集、轉輸、分離、凈化（脫水和原油穩(wěn)定）、儲存全過程的工藝流程的總稱。其中，聯合站是油氣集輸系統(tǒng)組成的重要環(huán)節(jié)，其耗能幾乎占整個油氣集輸系統(tǒng)耗能的三分之二。聯合站耗能的組成主要包括三部分：脫水過程耗能、原油外輸過程耗能和污水處理過程耗能，聯合站原油外輸過程耗能約占聯合站總耗能的三分之一。實際生產中，由于原油集輸系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，外輸油流量、黏度、溫度、壓力經常發(fā)生變化，這種變化對聯合站原油外輸過程的經濟運行會帶來影響。因此，如何降低聯合站原油外輸過程的耗能是油田工程技術人員普遍關注的問題[1-2]。

聯合站原油外輸管道是按照工藝流程的要求設計安裝的，用以實現原油的外輸。在原油外輸管線的設計中，要確定管線是否需要保溫，確定保溫或不保溫管線各自的安全性、可行性和經濟性[3]。

目前聯合站外輸原油消耗的能源主要有兩方面：加熱耗油和克服摩阻耗電。運行中的管線外輸油溫度是決定經濟運行的主要參數。外輸油溫度高，耗油多，但溫度高時黏度相應變低，使摩阻減小而耗電量少。因此，確定一個合適的外輸油溫度是外輸油管線達到經濟運行的關健[4]。

1 勝利油田聯合站原油外輸現狀

目前，勝利油田有大小各種類型聯合站56座，年處理和外輸原油量達到2650×104t。勝利油田油品性質屬于高含硫原油，油品性質較差。勝利油田油氣集輸系統(tǒng)處理的原油分為稠油、重質原油、中質原油、輕質原油，其中稠油、重質原油、中質原油、輕質原油平均綜合能耗（標煤）（kg/t）分別為10.94、11.30、7.38、11.53 kg/t；冬季集輸系統(tǒng)平均綜合能耗為（標煤）9.69 kg/t，聯合站平均綜合能耗為（標煤）6.57 kg/t。勝利油田聯合站能耗組成主要為電力消耗和燃料（油、氣）消耗。電力消耗主要包括脫水泵、外輸泵、污水泵、提升泵、壓縮機等的電力消耗，表1列出了部分聯合站主要類型脫水泵、外輸泵和污水泵的技術參數；燃料消耗主要包括脫水加熱爐、外輸加熱爐和穩(wěn)定加熱爐的燃油或燃氣消耗，表2列出了部分聯合站主要類型脫水加熱爐和外輸加熱爐的技術參數[5]。

聯合站的外輸能耗同樣包括電力消耗和燃料消耗，耗能設備主要是外輸泵和外輸加熱爐。如表1所示，外輸泵額定功率大的有200 kW，小的有132 kW；如表2所示，外輸加熱爐額定功率大的有1750 kW，小的有900 kW。從相關部門獲悉，外輸能耗占整個聯合站能耗的三分之一。例如，勝利油田孤東四號聯合站在測試期間外輸油量為48.86 t/h，燃油消耗量129 kg/h，蒸汽消耗量4.47 GJ/h，電能消耗量4.47 kWh/h，聯合站的綜合能耗為（標煤）8.51 kg/t；其中，外輸電能消耗為2.51 kWh/t，外輸燃料消耗為1.49 kg/t，外輸單耗為（標煤）2.84 kg/t。可見，外輸能耗是聯合站耗能的重要環(huán)節(jié)，如何減少聯合站外輸能耗，直接影響到聯合站甚至整個集輸系統(tǒng)的能耗水平[6]。

表1 部分聯合站主要類型脫水泵、外輸泵和污水泵的技術參數

表2 部分聯合站主要類型脫水加熱爐和外輸加熱爐技術參數

2 聯合站原油外輸經濟溫度的目標函數[7-8]

2.1聯合站原油外輸能耗費用的計算

聯合站原油外輸能耗費用S由燃料費用SR和動力費用SP組成，即

其中

式中：

S——能源費用，元/（t·km）；

SR——燃料費用，元/（t·km）；

SP——動力費用，元/（t·km）；

CP——原油的平均比熱容，kJ/(kg·℃)；

B0——燃料油（氣）熱值，kJ/kg或kJ/m3；

H——站間的摩阻損失，m；

lR——加熱站間距，km；

ηR——加熱爐熱效率；

ηp——泵機組效率；

TR——原油出站溫度，℃；

TZ——輸送末端溫度，℃；

ey——燃料油（氣）價格，元/t或元/103m3；

ed——電力價格，元/kWh。

以上原油物性參數按平均溫度計算。

2.2動力費用的計算

令

則

式中：

ν1——T1下原油的運動黏度，m2/s；

μ——黏度指數，1/℃。

Q——原油體積流量，m3/s；

β、m——原油的流態(tài)系數；

d——管道內徑，m。

2.3燃料費用的計算

令

則

式中：

ρp——平均溫度Tp下原油的密度，kg/m3；

ρ20——20℃時原油的密度，kg/m3；

Cp——原油在平均溫度Tp下的比熱容，kJ/ (kg·℃)；

d15——原油在15℃時的相對密度。

T0——周圍介質溫度，℃；

l——站間距，l=1000lR，m；

a=kπD/(1000G·Cp)；

b=iE/(1000Cp·a)。

注：本文中比熱容的單位為kJ/(kg·℃)，故需在上式中除以1000。此外，k為傳熱系數，W/(m2·℃)；E為熱功當量，E=9.806 65 Ws/(kg· m)；D為管道外徑，m；G為質量流量，G=Q·ρp，kg/s。

2.4目標函數的建立

將式（4）、（5）代入式（1）可得

3 聯合站原油外輸經濟溫度的求解[9-10]

在溫度變化范圍不大的情況下，可將式（6）視為只隨TR變化的函數，而把比熱C、體積流量Q等參數視為常數。

令

則

上式為TR的指數函數，利用C語言算法，可編制C語言試算法程序對其進行求解。

4 聯合站原油外輸經濟溫度節(jié)能優(yōu)化的應用實例[11]

勝利油田臨盤采油廠四凈站外輸油量83.8 m3/h，輸油管道外徑219 mm，內徑203 mm，站間距26.8 km，總傳熱系數K=8.2 W/(m2·℃)，低溫為15℃。油溫T1=48℃時，原油黏度為76.2×10－6m2/s；20℃時原油密度ρ20=898.36 kg/m3。黏度指數μ=0.065；加熱爐效率ηR=0.85；泵機組效率ηp=0.71；燃料油價格ey=3000元/t；燃料油熱值B0=42.000 kJ/kg；電力價格ed=0.56元/kWh。原油流態(tài)為水力光滑區(qū)m=0.25，β=0.024 6。圖1為平均溫度Tp與能耗費用S的關系曲線。

圖1 平均溫度TP與能耗費用S的關系曲線

利用C語言試算法求解程序，可求出聯合站原油外輸經濟溫度：

Tp=53℃；TR=57.5℃；Tg=50.8℃

可見，勝利油田臨盤采油廠四凈站原油外輸的經濟溫度為57.5℃。

5 聯合站原油外輸溫度的節(jié)能控制[12]

5.1聯合站原油外輸溫度節(jié)能控制系統(tǒng)簡介

聯合站原油外輸是使用外輸加熱爐進行加熱升溫。外輸加熱爐輸出的實際溫度總要超過優(yōu)化計算的經濟溫度?？梢姡廨敿訜釥t實際溫度超出經濟溫度所多付出的能量為無功能量，實際溫度超出經濟溫度越多，產生的無功能量越多，浪費的能源越多。鑒于此種情況，提出了聯合站外輸加熱爐定溫加熱和熱效率自尋優(yōu)節(jié)能控制系統(tǒng)。定溫加熱技術可以自動地調節(jié)加熱爐負荷，減少無功能量。熱效率自尋優(yōu)節(jié)能控制系統(tǒng)能做到在每一運行工況實現加熱爐的最優(yōu)運行，而且在控制過程中不會犧牲加熱爐熱效率，帶來額外能源浪費。

該系統(tǒng)包括加熱爐本體、煙囪、物流出口溫度計、燃燒器進油或進氣管道、燃料調節(jié)器、定溫控制器、燃燒器、燃燒器風門、熱效率分析儀、熱效率自尋優(yōu)儀、風門調節(jié)器和中心控制器。

本系統(tǒng)在加熱爐運行穩(wěn)定后，由物流出口溫度計測量出物流出口溫度，其溫度電信號傳送進定溫控制器，經定溫控制器分析判斷后，定溫控制器輸出控制指令指揮燃料調節(jié)器動作，執(zhí)行其命令，完成定溫加熱控制。完成定溫加熱的初始任務后，中心控制器對熱效率自尋優(yōu)儀發(fā)出指令，命令熱效率自尋優(yōu)儀在該負荷下進行自尋優(yōu)。首先熱效率測試儀測量加熱爐在該負荷下的熱效率，送入熱效率自尋優(yōu)儀進行判斷，判斷后由熱效率自尋優(yōu)儀向風門調節(jié)器發(fā)出指令，使其動作并執(zhí)行命令，直至完成自尋優(yōu)控制。上述過程可以進行多次重復，直至達到滿意的結果。

5.2聯合站使用原油外輸節(jié)能控制系統(tǒng)的效益預測

1）有效控制加熱爐輸出溫度，大幅度減少不必要的生產耗能。例如，1臺額定功率為1750 kW的燃氣加熱爐，平均熱效率為80%，加熱介質為原油，加熱量200 m3/h，工藝溫度為57.5℃，爐子入口溫度為45℃。沒有使用該系統(tǒng)前，爐子出口溫度為60～62℃，加熱爐燃料氣耗量為165.8 m3/h，其中無功熱能耗掉的燃料氣量為47 m3/h，使用該系統(tǒng)后，使爐子出口溫度保持在56.5～57.5℃，爐子的燃料氣消耗量減為127.9 m3/h，下降幅度為22.9%，其中無功熱能所耗的燃料氣減少到9.4 m3/ h，下降幅度達80%。

2）實現任何工況下的優(yōu)化運行，提高加熱爐熱效率。通過該系統(tǒng)的自尋優(yōu)功能，能實現加熱爐的優(yōu)化運行。加熱爐原來的平均運行熱效率為80%，通過自尋優(yōu)功能至少能提高加熱爐熱效率5個百分點，節(jié)省燃氣10.4 m3/h。

使用該系統(tǒng)后，總的節(jié)氣量為48 m3/h。假如該加熱爐1年運行300天，則1年的節(jié)氣量為345 600 m3/h，天然氣工業(yè)價格按2.0元/m3計，該臺加熱爐年節(jié)能經濟效益為69.1萬元。

6 結束語

油氣集輸處理耗能是油田生產耗能的重要環(huán)節(jié)，其中聯合站的耗能是油氣集輸處理過程中的主要耗能環(huán)節(jié)。聯合站的耗能包括脫水過程耗能、原油外輸過程耗能和污水處理過程耗能三大環(huán)節(jié)，聯合站原油外輸過程耗能幾乎占聯合站總耗能的三分之一。如何降低聯合站外輸過程的耗能量，是油田工程技術人員普遍關注的問題。提出了聯合站原油外輸溫度的節(jié)能優(yōu)化方法及其控制。建立聯合站原油外輸經濟溫度的目標函數，給出了目標函數的求解方法，并對目前運行的聯合站進行了實例計算。

聯合站原油外輸溫度的節(jié)能優(yōu)化只是原油外輸過程節(jié)能的初步工作。在初步工作的基礎上，還提出了聯合站外輸加熱爐定溫加熱和熱效率自尋優(yōu)節(jié)能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠充分利用優(yōu)化所得結果，利用定溫加熱系統(tǒng)對加熱爐實現加熱控制，同時該系統(tǒng)的熱效率自尋優(yōu)節(jié)能控制系統(tǒng)又能夠優(yōu)化加熱爐的運行工況，實現聯合站原油外輸過程的優(yōu)化運行。

[1]嚴大凡,張敬軍.油氣儲運工程[M].北京:中國石化出版社,2003:3-12．

[2]李振泰.油氣集輸工藝技術[M].北京:石油工業(yè)出版社, 2007:72-76．

[3]劉中興,林森.站外集輸系統(tǒng)運行溫度的優(yōu)化[J].油氣田地面工程,2006(1):30-31．

[4]張國忠,馬志祥.熱油管道安全經濟輸油溫度研究[J].石油學報,2004(1):106-109．

[5]鄧壽祿,王貴生,黃學義.聯合站外輸油泵的經濟運行及節(jié)電措施[J].石油與化工節(jié)能,2010(5):35-37．

[6]鄧壽祿,許濤.集輸系統(tǒng)加熱爐的經濟運行[J].油田節(jié)能,2006(2):42-43．

[7]陳東.原油熱輸經濟溫度的計算[J].油氣儲運,1987 (4):7-13．

[8]吳明,王梅,崔華,等.用最優(yōu)化計算熱油輸送經濟溫度[J].天然氣與石油,1998(4):5-7．

[9]肖北梅,潘永梅.不同介質溫度條件下輸油管道起點溫度的計算[J].油氣田地面工程,2000(3):21-22．

[10]孟振虎.輸油管道運行優(yōu)化分析算例[J].天然氣與石油,2004(2):23-28．

[11]丁云輝,隋富娟.原油長輸管道油電損耗的回歸預測[J].天然氣與石油,2004(2):61-63．

[12]鄧壽祿,王貴生.油田加熱爐[M].北京:中國石化出版社,2011:242-244．

10.3969/j.issn.2095-1493.2014.012.002

2013-12-28）

鄧壽祿，高級工程師，1991年畢業(yè)于石油大學（華東）（熱能工程專業(yè)），從事能源檢測與利用研究工作，E-mail：sljc16888@ 126.com，地址：山東省東營市濟南路2號技術檢測中心，257001。