魏麟權(quán)，夏寶森，潘顥丹，辛 楠，費(fèi)浩航，龔炯波（遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院 ，遼寧 撫順 113001）

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油田集輸子系統(tǒng)的熱力學(xué)分析

魏麟權(quán)，夏寶森，潘顥丹，辛 楠，費(fèi)浩航，龔炯波
（遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院 ，遼寧 撫順 113001）

摘要：油田采輸系統(tǒng)是能源消耗的大戶，為了評(píng)價(jià)油田集輸系統(tǒng)的用能狀況、找出用能薄弱環(huán)節(jié)，必須對(duì)油田采輸系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)分析。以稠油的集輸子系統(tǒng)為研究對(duì)象，建立了集輸子系統(tǒng)的?分析模型，并從熱力學(xué)分析的角度對(duì)某油田集輸子系統(tǒng)的熱平衡和?平衡進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算分析結(jié)果為：隨著加熱爐進(jìn)風(fēng)溫度的提高，集輸子系統(tǒng)的熱效率和?效率有所上升，將進(jìn)風(fēng)溫度從20 ℃提高到110 ℃的情況下，集輸子系統(tǒng)的熱效率從0.95%提高到0.98%，?效率從0.19%提高到0.2%；如果把分離出的污水中的能量回收利用起來(lái)，可使現(xiàn)行的?效率從0.21%提高到1.09%。

關(guān)鍵詞：集輸子系統(tǒng)；熱效率；?效率；節(jié)能

目前我國(guó)的能源資源相對(duì)貧乏，能源利用率低，石油作為我國(guó)的一個(gè)重要能源，其開(kāi)采及應(yīng)用受到很大的關(guān)注［1］。對(duì)于石油生產(chǎn)企業(yè)，更是面臨著開(kāi)采難度大、單位產(chǎn)量能耗逐年增加的巨大壓力。而在石油生產(chǎn)中油田集輸系統(tǒng)更是能源消耗的大戶。目前，我國(guó)各集輸單位的節(jié)能降耗現(xiàn)狀并不是很理想，還存在著很大的節(jié)能空間［2］。因此，為了找出系統(tǒng)中用能不合理之處，提高能源利用率，對(duì)其進(jìn)行熱力學(xué)分析至關(guān)重要。

20世紀(jì)70年代能源危機(jī)發(fā)生之后，的研究在國(guó)外得到了普遍的重視［3］。在研究系統(tǒng)工藝過(guò)程的節(jié)能降耗、新工藝開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和熱力學(xué)分析中都起到了非常重要的作用。1957年，的概念傳入了我國(guó)，南京工學(xué)院的夏彥儒和王守泰教授，將其譯為“”［4］，并逐漸得到了我國(guó)學(xué)術(shù)界的公認(rèn)。此外，隨著分析發(fā)展的日趨成熟，它以科學(xué)的用能理論而被廣泛應(yīng)用在實(shí)際工程中。針對(duì)石油生產(chǎn)系統(tǒng)中的用能分析方法，在上世紀(jì)80年代后期項(xiàng)新耀教授對(duì)其做了很多的研究，并成功地被應(yīng)用在大慶油田稀油集輸生產(chǎn)系統(tǒng)中［5］。近年來(lái)，王志國(guó)教授又對(duì)其進(jìn)行了完善、補(bǔ)充，并將其應(yīng)用到天然氣深冷分離裝置和稠油集輸生產(chǎn)系統(tǒng)中［6］。然而，針對(duì)集輸系統(tǒng)效率的分析鮮有研究。

本文擬通過(guò)對(duì)集輸子系統(tǒng)建立“黑箱”分析模型［7］， 然后對(duì)模型建立熱平衡方程與平衡方程，得到熱效率與效率的方程計(jì)算式，并以某油田集輸系統(tǒng)為例，計(jì)算集輸過(guò)程的熱效率與效率。通過(guò)計(jì)算結(jié)果系統(tǒng)地分析了集輸系統(tǒng)中加熱爐進(jìn)風(fēng)氣溫度與分離出的污水對(duì)熱效率及效率的影響及規(guī)律［8］，找出其中用能薄弱部分，并提出可行性建議。

1　集輸子系統(tǒng)分析模型的建立

油田集輸是指油田礦場(chǎng)原油和天然氣的收集、處理和運(yùn)輸，其主要任務(wù)是以油田油井為起點(diǎn)，以礦場(chǎng)原油庫(kù)或長(zhǎng)距離輸油、輸氣管道首站以及油田注水站為終點(diǎn)的之間所有的礦場(chǎng)業(yè)務(wù)。油田集輸系統(tǒng)的環(huán)節(jié)主要有氣體分離、原油脫水、原油穩(wěn)定、天然氣凈化、輕烴回收、污水處理和油、氣、水的礦場(chǎng)輸送等［9］。

黑箱分析法是一種熱力學(xué)研究的常用方法，將熱力學(xué)分析對(duì)象視為由“不透明”的邊界所包圍的系統(tǒng)［10］， 輸入、輸出體系的物流或能流的（能）值用相關(guān)參數(shù)計(jì)算得出，進(jìn)而獲得體系的供給（能）、有效（能）及損失（能）。而平衡是與損失（不可用能）之和保持平衡。對(duì)集輸子系統(tǒng)應(yīng)用黑箱模型進(jìn)行分析［11］，建立的模型如圖1所示。設(shè)穿過(guò)體系邊界的輸入為 Exin，輸出為Exout，系統(tǒng)各項(xiàng)內(nèi)部損失為 Ii，外界作功為 W，則它們的平衡關(guān)系為∑Exin+W=∑Exout+∑Ii。

圖1　集輸子系統(tǒng)的黑箱模型Fig.1 The black box model in transmission subsystem

式中：Exf—進(jìn)入集輸子系統(tǒng)的燃料，kJ/h；

Exd—集輸子系統(tǒng)消耗的電，kJ/h；

Exi—進(jìn)入集輸子系統(tǒng)加熱爐空氣的物理顯，kJ/h；

Ex＇ —采出油品混合物中稠油部分的，kJ/h。

式中：Exl2—集輸子系統(tǒng)的傳熱及不可逆損，kJ/h；Exw—分離出的污水帶走的，kJ/h。

集輸子系統(tǒng)的能損系數(shù)為：

1.3計(jì)算實(shí)例

假設(shè)該集輸系統(tǒng)由一個(gè)集輸總站，五個(gè)集輸分站構(gòu)成，采用雙管摻熱水流程，有七臺(tái)加熱爐供熱。燃料（油田天然氣）低位發(fā)熱量：Qdw=3.89×104kJ/m3；燃?xì)饬浚築=1.4×103m3/h ；過(guò)量空氣系數(shù)α=1；空氣量A=1.6×105m3/h ；空氣溫度ta=30℃；消耗的電為=3.29×107kJ/h ；采出油品混合物的物流為=1.29×106kJ/h 。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行熱平衡和平衡計(jì)算，計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?和表2所示。

表1　集輸系統(tǒng)的熱平衡計(jì)算結(jié)果Table 1　Calculation results of heat balance in the collection and transportation system

表2　集輸系統(tǒng)的　平衡計(jì)算結(jié)果Table 2　Calculation results of energy balance of gathering system

表2　集輸系統(tǒng)的　平衡計(jì)算結(jié)果Table 2　Calculation results of energy balance of gathering system

項(xiàng)　目 　能量/（MJ·h-1）供入加熱爐燃料　381 220耗電　32 900預(yù)熱空氣 　24.15采出油品 　6 460.34合計(jì) 　420 604.49有效原油升溫 　615.92天然氣 　250.95合計(jì) 　866.87效率，% 　0.21

2　集輸子系統(tǒng)效率和熱效率影響因素分析

如圖2所示曲線，進(jìn)風(fēng)溫度從20 ℃逐漸提高到110℃，集輸子系統(tǒng)的熱效率隨之從0.95%上升到0.98%，效率從0.19%提高到0.2%。由此可以得出結(jié)論，加熱爐進(jìn)風(fēng)溫度的提高能夠有助于集輸子系統(tǒng)的熱效率和效率上升。

圖2　加熱爐進(jìn)風(fēng)氣溫度與集輸子系統(tǒng)效率的關(guān)系Fig.2 The relationship between the temperature of the heating furnace and the efficiency of the collector system

2.2分離出的污水對(duì)熱效率及的影響

3　結(jié)論及建議

（1）在油田集輸子系統(tǒng)方面，加熱爐的進(jìn)風(fēng)時(shí)的溫度情況［13］和分離出的污水總量是影響熱效率和效率的主要因素。提高加熱爐進(jìn)風(fēng)溫度將有助于集輸子系統(tǒng)的熱效率和效率提高。回收利用分離出的污水所攜帶的低位能，能夠提高集輸子系統(tǒng)的效率。

參考文獻(xiàn)：

［1］李躍平，等.油氣集輸系統(tǒng)能量綜合利用［J］.河南石油，2001，15（3）∶42-43．

［2］許秀梅，李東明，王志國(guó).稠油集輸系統(tǒng)能量平衡分析及節(jié)能對(duì)策［J］.節(jié)能，2005，10.

［4］Adrian Bejan，David L.Siems.The need for exergy analysis and thermodynamic optimization in aireraft development ［J］.Exergy Int.J.，2001（l）：14-24.

［5］Zougari，M.I.Shear driven crude oil wax deposition evaluation ［J］.Journal of Petroleum Science and Engineering，2010，70 （1-2）：28-34.

［6］Liu Yang，Wang Zhihua，Zhuge Xianglong，et al.Study of deposition behavior in small-diameter gathering pipelines for water-cut oil ［J］.Chemistry and Technology of Fuels and Oils，2012，48 （5）：386-392.

［7］王志華．宋芳屯油田低溫集輸工藝參數(shù)優(yōu)化研究［D］．大慶∶大慶石油學(xué)院碩士研究生學(xué)位論文，2010．

［8］Andrés Codas，Sthener Campos，Eduardo Camponogara，et al.Integrated production optimization of oil fields with pressure and routing constraints：The Urucu field ［J］.Computers and Chemical Engineering，2012，46：178-189.

［9］Jang Y.H.，Blanco M.，Creek J.，et al.Wax Inhibition by comb-like polymers：support of the incorporation-perturbation mechanism from molecular dynamics simulations ［J］.J.Phys.Chem.，2007，B111：13173-13179.

［10］田昭武，周紹民，蘇文煅．熱力學(xué)定律［M］．福州：福建科學(xué)技術(shù)出版社，1988．

［11］王志國(guó).提高稠油開(kāi)采注汽系統(tǒng)能量利用率的理論分析與試驗(yàn)研究［D］.天津∶天津大學(xué)，2004.

［12］劉學(xué)．大慶外圍低滲透油田低溫集油的可行性［J］．油氣田地面工程，2012，31（6）：19-20．

［13］黃憲春．低溫集輸技術(shù)應(yīng)用效果［J］．油氣田地面工程，2011，30 （8）：59-60．

［14］Jennings D.W.，Breitigam J.Paraffin inhibitor formulations for different application environments：from heated injection in the desert to extreme cold arctic temperatures ［J］.Energy Fuels，2009，24：2337-2349.

Thermodynamic Analysis on Oilfield Gathering Subsystem

WEI Lin-quan，XIA Bao-sen，PAN Hao-dan，XIN Nan，F(xiàn)EI Hao-hang，GONG Jiong-bo
（College of Petroleum and Natural Gas Engineering，Liaoning Shihua University，Liaoning Fushun 113001，China）

Abstract：Oil field production and transportation system is the principal aspect in energy consumption.In order to evaluate the energy-using status of oilfield gathering system and find out the weak links of energy-using，the thermodynamic analysis on the oil field production and transportation system must be carried out.In this paper，taking the heavy oil gathering subsystem as the research object，and an exergy analysis model of the system was built.The heat balance and exergy balance of a certain oilfield gathering subsystem were also calculated from the perspective of thermodynamics analysis.Analysis and calculation results show that，the thermal efficiency and exergy efficiency of gathering subsystem increase with the increasing of heating furnace inlet air temperature.When the inlet air temperature increases from 20 ℃ to 110 ℃，the thermal efficiency increases from 0.95% to 0.98%，and the exergy efficiency increases from 0.19% to 0.2%，respectively.If recycling the energy from isolated sewage，exergy efficiency will increase from 0.21% to 1.09%.

Key words：Gathering subsystem；Thermal efficiency；Exergy efficiency；Energy conservation

中圖分類號(hào)：TE 832

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-0460（2016）01-0149-03

基金項(xiàng)目：遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目號(hào)：201410148052。

收稿日期：2015-09-23

作者簡(jiǎn)介：魏麟權(quán)（1993-），男，山西省運(yùn)城市人，遼寧石油化工大學(xué)熱能與動(dòng)力工程專業(yè)。E-mail：759430101@qq.com。

通訊作者：潘顥丹（1983-），女，講師，博士研究生，研究方向：稠油的微生物降解。E-mail：panhaodan@126.com。