王 輝 龐會中 張 建 李清方 王增林 徐明海 王曉東

1中國石化石油工程設計有限公司2中國石化勝利油田分公司3中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院4勝利油田檢測中心

春風聯(lián)合站用能分析與節(jié)能優(yōu)化

王 輝1龐會中1張 建1李清方1王增林2徐明海3王曉東4

1中國石化石油工程設計有限公司2中國石化勝利油田分公司3中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院4勝利油田檢測中心

為提高油氣集輸系統(tǒng)用能效率，減少稠油生產能耗和污染排放，對春風聯(lián)合站工藝設備進行了能耗測試。并以原油脫水及污水處理系統(tǒng)為研究對象，建立了能量平衡模型，對聯(lián)合站總能系統(tǒng)進行了分析計算，確定了能耗分布規(guī)律，找出了用能薄弱環(huán)節(jié)：原油含水較高，浪費了大量加熱能耗；污水大量排放損失了低位熱能；機泵在遠離額定工況下運行導致用能效率較低。提出了機泵變頻調速、預裝電脫、藥劑優(yōu)化和污水加熱清水工藝優(yōu)化節(jié)能方案，為春風聯(lián)合站實現集輸系統(tǒng)高效用能提供了科學的理論依據。

春風聯(lián)合站；能耗測試；用能分析；節(jié)能優(yōu)化

引言

勝利西部春風油田隨著生產規(guī)模的擴大，稠油熱采由蒸汽吞吐向蒸汽驅方向逐步轉變，熱采注汽需求逐年增加，生產能耗也大幅上升，縮減生產能耗和污染排放、提高經濟和環(huán)境效益成為油田生產的重要發(fā)展方向。

在稠油生產中，集輸系統(tǒng)是能源消耗大戶，從集輸、脫水至合格的原油，以及污水回灌處理都需要消耗大量的電能和熱能。因此原油生產節(jié)能降耗的切入點就在于聯(lián)合站系統(tǒng)的用能優(yōu)化[1-3]。大力推行高效節(jié)能工藝及設備是建設節(jié)約型、環(huán)境友好型企業(yè)的重要途徑。為此，將對目前在運的春風聯(lián)合站系統(tǒng)進行能耗測試及分析，確定用能效率、揭示用能薄弱環(huán)節(jié)、提出合理用能措施、優(yōu)化工藝流程，以減少生產能耗，從而降低生產成本。

1 春風聯(lián)合站工藝流程

春風聯(lián)合站工藝流程圖如圖1所示。按處理介質劃分，該站主要有原油脫水、污水除雜和清水過濾三大功能模塊。其中原油脫水采用稠油摻蒸汽大罐熱化學沉降脫水工藝：首先由井排來油加入破乳劑后進入一次沉降罐停留數小時進行動態(tài)沉降，分出大部分游離水和乳化水后，一次罐出口原油再摻入減壓蒸汽將原油加熱至90℃左右后進入二次沉降罐進行浮動出油；二次罐出口原油通過提升泵提升至凈化油罐進行原油的儲存及脫水，凈化原油罐兼具靜態(tài)沉降功能，采用放底水的方式沉降，出油含水率＜2%即可滿足外輸要求；最后通過裝車泵裝車計量外輸。

圖1 春風聯(lián)合站工藝流程示意圖

由一、二次沉降罐和凈化油罐產生的稠油污水則進入污水處理系統(tǒng)，污水首先進入一次除油罐進行初步除油除雜，再進入二次除油罐去除大部分污油及懸浮物，并排入緩沖罐臨時存儲。后續(xù)流程則通過提升泵增壓后進入核桃殼過濾器，去除小顆粒懸浮物及污油，并進入注水罐進行存儲，最終由柱塞泵將合格污水打入回灌井。

清水系統(tǒng)流程工藝較為簡單，水源井來水首先進入清水罐臨時存儲，經清水泵提升后進入一級多介質過濾器和二級精細過濾器過濾去除懸浮物，出水滿足要求后輸往注汽系統(tǒng)。

2 能耗測試

對春風聯(lián)合站原油處理和污水系統(tǒng)效率測試按照參考文獻[4]中測試與計算部分的方法進行。由于聯(lián)合站的熱能采用源于注汽站的減壓蒸汽，為準確計算出聯(lián)合站的熱能消耗量，通過原油溫升等數據反推熱負荷，分析結果見表1，油處理系統(tǒng)機泵耗電測試結果見表2。

表1 聯(lián)合站蒸汽消耗測算結果

表2 聯(lián)合站系統(tǒng)機泵耗電測試結果

3 系統(tǒng)用能三環(huán)節(jié)分析與評價

3.1 聯(lián)合站三環(huán)節(jié)模型

根據上述能耗測試數據，采用三環(huán)節(jié)模型對聯(lián)合站總能系統(tǒng)進行分析。三環(huán)節(jié)理論[5-6]是從聯(lián)合站系統(tǒng)的整體用能出發(fā)，隨著能量平衡分析的三個層次逐漸深入，既能夠得到對過程用能的總體和宏觀結構的評價，又關聯(lián)著每個設備，三個環(huán)節(jié)之間存在著密切的相互關聯(lián)和制約關系。根據春風聯(lián)合站工藝流程總結出聯(lián)合站三環(huán)節(jié)物理模型，如圖2所示。其中能量轉化與傳輸環(huán)節(jié)包括減壓蒸汽傳輸過程，以及泵機組將電能轉化為油氣輸送需要的動能或壓力能的過程，該環(huán)節(jié)能損形式包括蒸汽管道散熱損失及機泵損失；能量利用環(huán)節(jié)包括原油脫水及污水處理等過程，對應著相應的設備，該環(huán)節(jié)能損形式包括設備散熱損失及外輸原油攜帶能；進入回收環(huán)節(jié)的能量主要包括從利用環(huán)節(jié)送入的待回收能。聯(lián)合站回收環(huán)節(jié)中，回收的能量主要是污水的余熱，由于春風聯(lián)合站對于稠油污水無回收工藝，因此不能回收的低溫余熱能量以污水回灌的形式作為排棄能排棄到地層中。

圖2 聯(lián)合站三環(huán)節(jié)模型

不同環(huán)節(jié)的用能評價指標和計算公式不一樣。對于第一環(huán)節(jié)，其用能指標為能量轉換效率[7-8]，能量轉換效率計算公式如下

式中：ηU——轉換環(huán)節(jié)的能量轉換效率；

EW——轉換環(huán)節(jié)直接損失能，kJ/h；

EP——外界的總供入能，kJ/h。能量利用環(huán)節(jié)的效率為

式中：ηT——利用環(huán)節(jié)的能量利用效率，%；

EUD——利用環(huán)節(jié)損失的能量，kJ/h；

EN——利用環(huán)節(jié)工藝總用能，kJ/h。能量回收環(huán)節(jié)的效率為

式中：ηR——回收環(huán)節(jié)的能量回收效率，%；

ER——回收循環(huán)能，kJ/h；

EE——回收輸出能，kJ/h；

EO——待回收能，kJ/h。

依據上述三環(huán)節(jié)模型計算春風聯(lián)合站各環(huán)節(jié)的評價指標，即能量轉化效率、單位產品工藝總用能和能量回收利用率，能流分析結果如表3、表4、表5所示。

表3 春風聯(lián)合站能流分析結果

表4 能流轉換關系和三環(huán)節(jié)分析結果

表5 聯(lián)合站用能指標

3.2 熱損失分布

春風聯(lián)合站在運一次沉降罐2座、二次沉降罐2座、凈化油罐2座，其能量利用環(huán)節(jié)的損失主要來自沉降罐、凈化油罐等散熱損失。各個設備熱損失情況可由節(jié)點參數反推出來，其中系統(tǒng)總體輸入能流和輸出能流組成及比例如圖3所示。由于各個設備都加裝保溫層，因此散熱量僅占總能1%的份額。而熱損失較大的環(huán)節(jié)主要為排放污水的攜帶熱能，其份額達到80%。該部分低溫熱能無回收工藝，這也是系統(tǒng)用能薄弱環(huán)節(jié)之一。

圖3 春風聯(lián)合站能量平衡及能流分布

4 節(jié)能優(yōu)化及評價

4.1 機泵用能評價及節(jié)能

聯(lián)合站生產選用的泵大多為柱塞泵和離心泵，其耗電量與輸送量、輸送壓降成正比關系，與泵效成反比關系。由于測試的3臺輸油泵機組，電機負載率僅有1臺高于40%，其他泵機組負載率偏低，導致設備偏離了高效運行區(qū)，機組運行效率低下，這是造成機組運行效率過低的主要原因。導致泵效率低下的因素主要有以下兩點：①因揚程與吸程管道配置不合理，管道阻力大等因素造成泵運行時的能量損失較大；②泵的選取偏離正常工況，形成較大的富余量，致使水泵效率偏低。在實際生產中，機泵及其相關工藝流程已安裝完成，當機泵的輸送量相對穩(wěn)定時，可通過調節(jié)流量的措施維持機泵的效率。如果機泵的輸送量波動較大，運行時偏離了正常高效區(qū)，泵就做了無用功。因此，如何避免或減少輸水、輸油泵做無用功，成為降低機泵耗能和提升節(jié)電效果的潛力所在。具體實施方法包括[9-12]：

（1）電源與負荷優(yōu)化匹配。建議對泵機組流量、揚程結合現場生產情況進行優(yōu)化匹配，使泵機組運行在高效區(qū)。經初步計算，如果測試的3臺設備均達標時，年可節(jié)約電量30×104kW·h，年節(jié)約費用15萬元。

（2）變頻調速。變頻調速是一種以改變電機頻率來達到電機調速目的的技術，變頻調速節(jié)能控制裝置的特點是效率高，沒有因調速而帶來附加的轉差損耗，調速范圍大、精度高，可實現無級調速，而且容易實現協(xié)調控制和閉環(huán)控制。針對油氣集輸過程中泵輸量及污水泵排量與實際液量差別大，當處理液量波動較大時，合理應用變頻調速裝置，可以減少電能的無謂損耗，節(jié)電量可達55%左右。

4.2 系統(tǒng)用熱評價及節(jié)能

由于該站處理的原油來自稠油注汽熱采工藝，且集輸半徑較小，因此聯(lián)合站的進站溫度較高（為80℃），減輕了后續(xù)流程的熱能消耗量；其次該站采取大罐動靜態(tài)熱化學重力沉降工藝，過程簡單，熱能及動能的損失?。欢以撜咎幚淼脑蛯儆陂_采初期原油，含水率較低，使得處理液量較小、熱能消耗量小。雖然含水量不高，但是仍然需要耗費大量熱能用于升高原油中含水的溫度。因此，有必要從以下方面入手開展節(jié)能工作[13-15]：

（1）加裝高效預脫水設備。如電脫、電磁聚結分水設備，預先分離出一部分游離水。并加強對一次沉降罐的油水界面控制，使含水率降至30%以下，將在很大程度上減少后續(xù)工藝對于熱能的消耗。

（2）藥劑優(yōu)選和加熱溫度優(yōu)化。合理論證破乳劑加入濃度與破乳溫度的關系。目前稠油系統(tǒng)的破乳劑正常加入濃度為30～50 mg/L，且化學藥劑的類型各不相同，效果差異很大。合理的破乳溫度為80～90℃即可，濃度過高，溫度過高只會造成無謂的藥劑和熱能浪費。需要考慮不同的油品特性，按照不同的油溫選擇高效的破乳劑并確定加藥量，最后依據綜合成本最低優(yōu)選合適的藥劑并優(yōu)化加藥量和加熱溫度，對降低聯(lián)合站能耗和提高經濟效益無疑將起到非常重要的作用。

（3）污水余熱回收?？紤]到站內有清水處理系統(tǒng)，清水溫度為20℃，為降低注汽站蒸汽生產的加熱能耗，可以充分利用污水系統(tǒng)的余熱，即增設污水清水換熱裝置，將春風聯(lián)合站內清水處理系統(tǒng)處理后清水的溫度提升至40～50℃后，再輸往注汽站?？紤]到鈦板換熱器具有傳熱效率高、組裝靈活、金屬消耗量低、熱損失小、易拆卸清洗、檢修方便，以及體積小、占地面積少等諸多優(yōu)點，建議采用鈦材質板式換熱器進行換熱，這樣既能回收余熱，又能避免材料腐蝕。經初步設計，單臺污水換熱器工藝參數如表6所示。其經濟性效果評價如表7所示。

表6 單臺污水換熱器工藝參數

表7 單臺換熱器節(jié)能效果分析

5 結論

（1）春風聯(lián)合站總能系統(tǒng)中能量傳遞效率達90%，用能效率較高。在節(jié)能改造的潛力方面，應優(yōu)化機泵運行工況、降低來液加熱溫度、加強油罐保溫。

（2）能量回收環(huán)節(jié)存在的問題。大量污水直接回灌，或回注過程中熱量大部分散失到環(huán)境中，余熱資源沒有回收，不僅造成了能源的浪費，還污染了環(huán)境。

（3）采用污水加熱清水可以減少鍋爐加熱能耗、節(jié)約燃料、減少環(huán)境熱污染。應大力開發(fā)污水余熱回收技術及裝備，并推廣用于實際工程。

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（欄目主持 張秀麗）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.9.024

王輝：工程師，2012年博士畢業(yè)于中國石油大學（華東）熱能工程專業(yè)，現在勝利油田博士后工作站從事稠油開采熱能利用及污水資源化技術研究。

2015-05-27

基金論文：國家重大專項（2011ZX05017-004-HZ01），中石化集團公司科技攻關項目（JP13021），中石化勝利油田博士后課題（GKB1301）。

15254646795、316328693@qq.com