張洵，潘振

(遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001)

自然耗油對油田化工能量流和碳素流分析研究

張洵，潘振

(遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001)

從系統(tǒng)的角度出發(fā)，明確了油田化工系統(tǒng)的主要工藝、能耗設(shè)備，并分別從能量和碳排放角度對系統(tǒng)進(jìn)行了劃分；運(yùn)用能量流分析方法，從系統(tǒng)角度對油田企業(yè)的工藝流程進(jìn)行了能量流分析，確定了油田化工總系統(tǒng)和子系統(tǒng)的邊界和主要影響指標(biāo)，建立了各子系統(tǒng)和總系統(tǒng)的能量流分析模型，該模型能夠清晰反映出我國典型油田企業(yè)的能量流動(dòng)情況，并在此基礎(chǔ)上，分析影響油田化工總系統(tǒng)和各子系統(tǒng)的影響因素及其變化規(guī)律。針對目前石油開采典型工藝流程，運(yùn)用物質(zhì)流分析方法，確定了 CO2的排放邊界，建立了各子系統(tǒng)和總系統(tǒng)的碳素流模型圖，通過解析各個(gè)環(huán)節(jié)的碳流運(yùn)動(dòng)方式以及運(yùn)動(dòng)方向。

油田化工; 自然耗油; 物質(zhì)流; 節(jié)能; CO2排放

通過文獻(xiàn)調(diào)研，明確了制約我國工業(yè)節(jié)能降耗的主要原因，系統(tǒng)檢索了能量流、物質(zhì)流方法的進(jìn)展及應(yīng)用情況以及油田企業(yè)的典型工藝情況，在此基礎(chǔ)上，提出了從系統(tǒng)角度運(yùn)用能量流、物質(zhì)流的分析方法研究影響油田企業(yè)節(jié)能降耗的主要影響因素及其變化規(guī)律。基于能量守恒的前提下，構(gòu)建了油田系統(tǒng)的能量流模型并指出了影響各系統(tǒng)的主要影響因素[1-3]。

1 油田企業(yè)能量流分析及其影響因素研究

目前國內(nèi)石油生產(chǎn)企業(yè)廣泛應(yīng)用的采油方式為蒸汽驅(qū)采油，蒸汽驅(qū)采油方式就需要使用注汽鍋爐將水加熱，形成達(dá)到一定工藝要求的蒸汽；再由注汽井將生成的高溫高壓蒸汽注入到井下，這部分蒸汽可以將熱能帶入油層，從而降低原油的粘度使之更容易的從井下被抽出[4,5]。原油從采油井抽出之后需要進(jìn)行計(jì)量處理，計(jì)量過程會(huì)對采出物進(jìn)行初步的分離處理， 通常是將采出物分離為氣體、 油水混合物以及一起被采出的泥砂（圖1）。

集氣管路中的氣體會(huì)首先進(jìn)行天然氣的脫水處理，氣體脫水的工藝與原油的脫水工藝不同，其中吸收部分能夠把氣體內(nèi)的含水量和露點(diǎn)降低，再生部分能夠?qū)⒏蚀嘉盏乃轴尫懦鰜?，使甘醇溶液濃度提高而進(jìn)行再循環(huán)使用[6]。在正常生產(chǎn)工藝中，H2S 可以直接與水發(fā)生反應(yīng)生成硫酸， CO2或者碳酸鹽在某些情況下反應(yīng)生成的 CO2能和水反應(yīng)生成碳酸，所以工業(yè)上常常將 CO2和 H2S 稱為酸氣。 酸氣在管路中會(huì)對輸氣管道等設(shè)備造成腐蝕，增加油氣的生產(chǎn)成本，所以在實(shí)際生產(chǎn)過程通常采用醇胺法脫酸氣工藝來對氣體進(jìn)行脫酸處理。除了對天然氣的脫酸、脫水，在實(shí)際生產(chǎn)過程中我們還需要考慮商品天然氣的燃燒熱值以及烴露點(diǎn)。具體做法就是將天然氣中分子較重的、熱值較高的組分回收，把氣體的燃燒熱值控制在商品天然氣的要求范圍內(nèi)。回收的烴液可以直接添加到原油當(dāng)中，提高原油的品質(zhì)也可作為化工原料[7,8]。經(jīng)過處理的天然氣和輕烴也被臨時(shí)的儲存在油田的儲罐之中。最后根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，將油品、天然氣以及輕烴輸送出系統(tǒng)外。

圖1 油氣集輸系統(tǒng)工藝流程圖Fig.1 Oil and gas gathering and transferring system process flow diagram

2 油田企業(yè)能量流分析

2.1 油田總系統(tǒng)能量流分析

油田企業(yè)能量流模型圖見圖2。

圖2 油田企業(yè)能量流模型圖Fig.2 Oilfield enterprises energy flow model diagram

圖中：

E'in,w：從系統(tǒng)外加入子系統(tǒng)的能量流之和。例如，外界的燃料具有能量流，kJ/h；

E''in,w：系統(tǒng)內(nèi)其他子系統(tǒng)輸入給子系統(tǒng)的能量流之和。例如，從采油井采出的油氣水混合物輸入計(jì)量站帶入能量流，油氣水混合物從計(jì)量站出來進(jìn)入三相分離裝置帶入能量流。分離后的油、氣送入聯(lián)合站中帶入能量流。

E'ef,w：系統(tǒng)內(nèi)子系統(tǒng)輸出產(chǎn)品的能量流之和用于其他子系統(tǒng)。例如，注汽鍋爐產(chǎn)生的濕蒸汽具有能量流、分井計(jì)量裝置脫砂后的油氣水混合物具有的能量流、三相分離器分理出氣體和原油具有能量流等。

E'''ef,w：子系統(tǒng)向系統(tǒng)外界輸出的產(chǎn)品的能量流之和。例如，聯(lián)合子系統(tǒng)產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)原油、天然氣、烴類化合物等送出系統(tǒng)外界帶走的能量流。

E'L,out,w：系統(tǒng)內(nèi)子系統(tǒng)用于其他子系統(tǒng)的廢品的能量流之和。例如，三相分離器分離出廢水送入采油井底進(jìn)行加熱油汽水混合物，聯(lián)合站內(nèi)工藝產(chǎn)生的廢水經(jīng)過廢水處理站加工處理回注加熱油層。

E''L,out,w：子系統(tǒng)回收自用的廢品的能量流之和。例如，注汽站的注汽鍋爐和聯(lián)合站的加熱爐會(huì)利用產(chǎn)生煙氣的熱量加熱給水、空氣等。

E'''L,out,w：子系統(tǒng)向系統(tǒng)外界輸出的能量流損失之和。例如，燃料燃燒過程的燃燒損失，氣體和固體不完全損失，傳熱損失，排出煙汽損失，散熱損失等[9]。

2.2 油田總系統(tǒng)熱力分析及因素分析

油田系統(tǒng)熱平衡能量流圖見圖3。

圖3 油田系統(tǒng)熱平衡能量流圖Fig.3 Oilfield system heat balance energy flow diagram

2.2.1 蒸汽干度因素

當(dāng)注汽子系統(tǒng)的其他參數(shù)不變，注汽鍋爐產(chǎn)生蒸汽干度變化會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生濕蒸汽的焓熵變化，隨著蒸汽干度增加，濕蒸汽的焓也會(huì)增加。由于進(jìn)入注汽鍋爐給水的參數(shù)和給水量不變，通過計(jì)算，注汽子系統(tǒng)的有效熱和?增加，但蒸汽子系統(tǒng)輸入能量和?不變，通過計(jì)算，熱效率和?效率也會(huì)增加[10]。

圖4 蒸汽干度對注汽子系統(tǒng)熱效率和效率的影響Fig.4 Effect of steam dryness on thermal efficiency and energy efficiency of gas injection subsystem

如圖 4所示，將蒸汽干度從 75%增加到 96%的情況下，注汽子系統(tǒng)熱效率從 77.43%增加到88.81%，注汽子系統(tǒng)?效率從 23.58%增加到34.91%，隨著注汽鍋爐產(chǎn)生的蒸汽的蒸汽干度增加，注汽子系統(tǒng)的熱效率與??效率也隨之增加。

2.2.2 排煙溫度

當(dāng)注汽子系統(tǒng)的的其他參數(shù)不變，注汽鍋爐的排煙氣溫度變化將會(huì)導(dǎo)致注汽子系統(tǒng)的排煙損失變化，隨著煙氣溫度增加，排煙損失增加，當(dāng)注汽子系統(tǒng)的輸入能量不變，其他注汽子系統(tǒng)能量損失不變，排煙損失增加，必然導(dǎo)致有效熱和?減少，從而導(dǎo)致注汽子系統(tǒng)的熱效率和?效率減少。如圖5所示，將注汽鍋爐排煙的煙氣溫度從 180 ℃增加到260 ℃情況下，注汽子系統(tǒng)熱效率從 86.38%降低到 83.44%，注汽子系統(tǒng)?效率從 27.30%降低到26.10%，隨著注汽子系統(tǒng)煙氣溫度增加，注汽子系統(tǒng)的熱效率和?效率有所降

圖5 排煙溫度對注汽子系統(tǒng)熱效率和效率的影響Fig.5 Effect of smoke temperature on thermal efficiency and exergy efficiency of gas injection subsystem

圖6 蒸汽量對注汽子系統(tǒng)熱效率和效率的影響Fig.6 Effect of steam amount on thermal efficiency and energy efficiency of gas injection subsystems

2.2.3 蒸汽量

當(dāng)注汽子系統(tǒng)的其他參數(shù)不變，注汽鍋爐產(chǎn)生蒸汽量變化會(huì)導(dǎo)致濕蒸汽的吸熱量變化，蒸汽量增加導(dǎo)致蒸汽的吸熱量增加，注汽子系統(tǒng)的有效熱和?也會(huì)增加，但蒸汽子系統(tǒng)輸入能量和?不變，通過計(jì)算，熱效率與?效率也會(huì)增加。

如圖6所示，將注汽子蒸汽量從 100 t/h 增加到 120 t/h 的情況下，注汽子系統(tǒng)熱效率從77.23%增加到 92.67%，注汽子系統(tǒng)?效率從30.36%增加到36.34%，隨著注汽子系統(tǒng)的蒸汽量增加，注汽子系統(tǒng)的熱效率和?效率也隨之增加[11]。

2.2.4 過量空氣系數(shù)

當(dāng)注汽子系統(tǒng)的的其他參數(shù)不變，注汽鍋爐的過量空氣系數(shù)變化將會(huì)導(dǎo)致注汽子系統(tǒng)的排煙損失變化，當(dāng)注汽子系統(tǒng)的輸入能量不變，其他注汽子系統(tǒng)能量損失不變，排煙損失增加，必然導(dǎo)致有效熱和?減少，從而導(dǎo)致注汽子系統(tǒng)的熱效率和?效率減少[12-14]。

如圖7所示，將過量空汽系數(shù)從1.0增加到2.4的情況下，注汽子系統(tǒng)熱效率從 85.26%降低75.27%，注汽子系統(tǒng)?效率從26.27%降低24.27%，隨著注汽子系統(tǒng)的過量系數(shù)增加，注汽子系統(tǒng)的熱效率和?效率有所降低。

圖7 過量空氣系數(shù)對注汽子系統(tǒng)熱效率和效率的影響Fig. 7 Effect of excess air coefficient of thermal efficiency and energy efficiency of steam injection subsystems

2.3 聯(lián)合子系統(tǒng)的主要影響因素及其變化規(guī)律

2.3.1 排煙溫度

當(dāng)聯(lián)合子系統(tǒng)的的其他參數(shù)不變，加熱爐排放的煙汽溫度變化將會(huì)導(dǎo)致聯(lián)合子系統(tǒng)的排煙損失變化，排煙損失增加，必然導(dǎo)致有效熱和?減少。

圖8 排煙溫度對聯(lián)合子系統(tǒng)熱效率和效率的影響Fig.8 Effect of smoke temperature on thermal efficiency and exergy efficiency of joint subsystem

如圖8所示，將加熱爐排煙的煙氣溫度從180增加到260 ℃情況下，聯(lián)合子系統(tǒng)熱效率從86.38%降低到 83.44%，注汽子系統(tǒng)?效率從 27.30%降低到 26.10%，隨著注汽子系統(tǒng)煙汽溫度增加，注汽子系統(tǒng)的熱效率和?效率有所降低。

2.3.2 過量空氣系數(shù)

當(dāng)聯(lián)合子系統(tǒng)的的其他參數(shù)不變，加熱爐的過量空氣系數(shù)變化將會(huì)導(dǎo)致聯(lián)合子系統(tǒng)的排煙損失變化，加熱爐的消耗的空氣量不變，過量空氣系數(shù)增加，產(chǎn)生的煙汽量增加，排煙損失增加，當(dāng)聯(lián)合子系統(tǒng)的輸入能量不變，其他聯(lián)合子系統(tǒng)能量損失不變，排煙損失增加，必然導(dǎo)致有效熱和?減少，從而導(dǎo)致聯(lián)合子系統(tǒng)的熱效率和?效率減少。

如圖 9所示，將加熱爐的過量空氣系數(shù)從 1.0增加到 2.4的情況下，聯(lián)合子系統(tǒng)的熱效率從81.82%降低到 67.81%，?效率從 6.74%降低到2.83%。

圖9 過量空氣系數(shù)對聯(lián)合子系統(tǒng)熱效率和火用效率的影響Fig.9 Effect of excess air coefficient of thermal efficiency and exergy efficiency of joint subsystem

3 結(jié) 論

研究結(jié)果表明：油氣集輸系統(tǒng)熱效率與?效率隨著過量空氣系數(shù)、排煙溫度以及輸送管路兩端溫差等因素的增大而降低，在熱負(fù)荷、元素守恒等約束條件下，油氣集輸系統(tǒng)碳排放量隨著單位時(shí)間燃料消耗量、碳?xì)浔?、燃燒效率以及過量空氣系數(shù)的增加而升高。綜上所述，開展油田企業(yè)系統(tǒng)的能量流、物質(zhì)流分析并研究其主要影響因素及其變化規(guī)律對我國的能源節(jié)約和減少 CO2排放具有重要的意義。油田化工總系統(tǒng)的外排入空氣中的碳主要集中在注汽子系統(tǒng)和輸油子系統(tǒng)中，所以在實(shí)際生產(chǎn)中需要選擇合適的鍋爐以滿足實(shí)際生產(chǎn)需要，以免造成生產(chǎn)不能正常進(jìn)行或者資源的浪費(fèi)的想現(xiàn)象。

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Study on Chemical Energy Flow and Carbon Flow in Oilfields by Natural Fuel Consumption

ZHANG Xun, PAN Zhen
（College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China)

The main process and energy consumption of the oilfield chemical system were clarified, and the system was divided from the energy aspect and carbon emission aspect, respectively. The energy flow analysis method was used to analyze the process flow of the oil field enterprise from the system viewpoint, the boundary and main impact indicators of oilfield chemical total system and subsystems were determined. The energy flow analysis model of the subsystems and the total system was established. The model can clearly reflect the energy flow of typical oil field enterprises in China. On this basis, the influencing factors and the changing laws of the oilfield chemical system and the subsystems were analyzed. Aiming at the typical process flow of oil exploitation, the emission boundary of CO2was determined by using material flow analysis method. The carbon flow model of each subsystem and the total system was established, and the carbon flow pattern and movement direction of each link were analyzed.

Oilfield chemical industry; Natural fuel consumption; Material flow; Energy saving; CO2emission

TE 33

A

1671-0460（2017）11-2342-04

2017-01-20

張洵(1985-)，男, 研究生學(xué)位，遼寧石油化工大學(xué)，研究方向:自然油耗對儲油經(jīng)濟(jì)效能的綜合評估。

潘振，男，副教授，博士，研究方向：天然氣綜合利用技術(shù)研究、天然氣水合物動(dòng)力學(xué)研究等。