1. 中國石油規(guī)劃總院, 北京 100083;2. 東北石油大學(xué)提高采收率教育部重點實驗室, 黑龍江 大慶 163318;3. 中國石油北京油氣調(diào)控中心, 北京 100083

0 前言

油田轉(zhuǎn)油站系統(tǒng)涉及機械能、熱能與電能之間的相互轉(zhuǎn)化[1]。對工程系統(tǒng)進行用能分析時普遍采用以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)的能分析法,我國學(xué)者基于該方法對油田集輸系統(tǒng)能耗進行過多次評價分析[2-3]。安慕華[4]等人通過對勝利油田某聯(lián)合站幾年來的能耗分析及對相關(guān)能耗設(shè)備的測試,運用熱力學(xué)及傳熱學(xué)的相關(guān)知識計算分析,找出油田進入高含水階段聯(lián)合站能耗大幅度增加的原因。周英明等人[5]采用灰色系統(tǒng)理論分析法,定量分析集輸系統(tǒng)能量消耗的影響因素,確定了計算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù),并建立了灰色關(guān)聯(lián)序。馬茹[6]利用“三環(huán)節(jié)”法建立聯(lián)合站能耗評價指標,對聯(lián)合站的熱量利用情況進行細致分析,找出系統(tǒng)用能薄弱環(huán)節(jié)。

隨著熱力學(xué)理論的發(fā)展,以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)的熵分析法和分析在工程實際中逐漸開始應(yīng)用。能分析法和分析的根本區(qū)別在于分析明確了不同能量中所具有的質(zhì)的差別,并在分析中同時體現(xiàn)能的量和質(zhì)的作用。本文基于分析理論,以大慶油田某轉(zhuǎn)油站原油集輸系統(tǒng)進行用能分析,對系統(tǒng)中各設(shè)備、單元的用能情況進行評價,揭示出具備節(jié)能潛力的設(shè)備,辨識用能薄弱環(huán)節(jié),為系統(tǒng)的節(jié)能改造提供科學(xué)、有效的方法和依據(jù)[7]。

該轉(zhuǎn)油站系統(tǒng)主要由計量分離器、三合一裝置、摻水泵、二合一加熱裝置、外輸泵及管道等設(shè)備組成,當前油田使用的加熱爐、摻水泵、外輸泵等設(shè)備運行時需要外界供給天然氣或電能才能運行,管道運行時無需外界提供能量,因此為便于分析,將二合一加熱緩沖裝置、外輸泵及摻水泵需要外界提供能量的設(shè)備劃分到同一子系統(tǒng),稱為轉(zhuǎn)油站子系統(tǒng)。無需外界提供能量便可運行的管道設(shè)備劃分到管網(wǎng)子系統(tǒng),主要包括井口到計量間、計量間到轉(zhuǎn)油站兩段管網(wǎng)。原油集輸系統(tǒng)子系統(tǒng)劃分見圖2。

表12017年進站基本參數(shù)統(tǒng)計

月份進轉(zhuǎn)油站壓力/MPa進轉(zhuǎn)油站溫度/℃進站液相流量/(m3·d-1)加熱爐耗氣量/(m3·d-1)10.2738.53 813.319 102.820.25403 603.616 057.730.27403 440.019 282.240.2737.53 112.416 094.550.25393 258.315 142.760.25393 256.514 195.070.2732.83 198.110 081.880.2732.83 376.79 849.790.2531.73 402.09 716.1100.2536.23 743.013 644.2110.2736.24 008.917 067.1120.2538.13 873.218 840.4

表22017年出站基本參數(shù)統(tǒng)計

月份摻水泵輸油泵出口壓力/MPa出口溫度/℃水泵流量/(m3·d-1)耗電量/(kW·h)出口壓力/MPa出口溫度/℃油泵流量/(m3·d-1)耗電量/(kW·h)外輸氣流量/(m3·d-1)11.7760.02 072.12 034.10.8337.21 741.2515.211 193.321.7765.41 885.51 980.90.8338.01 718.1514.88 628.331.78641 785.02 001.40.8437.51 723.6493.911 860.741.7754.21 491.42 060.20.8335.81 621.0507.811 979.451.7659.31 628.91 513.60.8338.01 629.4502.910 210.961.8058.01 523.01 541.00.9038.01 733.5560.09 964.571.7532.51 439.12 128.10.8731.51 759.1636.010 081.881.7432.51 758.81 969.90.8632.01 617.9560.09 849.791.7631.51 851.52 022.20.8630.71 550.5552.09 716.1101.7549.02 161.92 059.50.8635.11 581.1496.09 970.6111.7454.52 111.32 045.20.8434.71 897.6650.411 366.7121.7857.62 040.22 047.00.8137.11 833.0556.812 069.4

2.1 轉(zhuǎn)油站子系統(tǒng)分析模型

輸入轉(zhuǎn)油站子系統(tǒng)的是來自各計量間的油、氣、水混合物,輸出轉(zhuǎn)油站子系統(tǒng)的是含水原油、天然氣以及回輸計量間的熱水,系統(tǒng)的供給是燃料(天然氣)和電。轉(zhuǎn)油站中主要耗能設(shè)備為二合一加熱爐、外輸泵和摻水泵,而三合一分離器只分離計量間來液,壓力、溫度變化很小,能耗較低,只有流的流入和流出,在建立轉(zhuǎn)油站分析模型時不作為主要能耗分析對象,重點考慮耗能高的設(shè)備。轉(zhuǎn)油站子系統(tǒng)作為重點分析的系統(tǒng)可直接進行灰箱分析,分析模型見圖3[8-9]。

圖3 轉(zhuǎn)油站子系統(tǒng)分析模型

圖3中Exm1為進入轉(zhuǎn)油站油、氣、水混合物的物流；Exm2、Exw、Exg分別為輸出轉(zhuǎn)油站的含水原油、加熱增壓后的摻水以及站內(nèi)分離出的天然氣；Exl1、Exl2、Exl3分別為外輸泵、加熱爐、摻水泵外部損失；Exf、Exe1、Exe2分別為加熱爐消耗的燃料、外輸泵、摻水泵供給電。

(1)

式中:E(xef)b為轉(zhuǎn)油站子系統(tǒng)有效耗,kJ/h;E(xsup)b為轉(zhuǎn)油站子系統(tǒng)總供給,kJ/h。

E(xef)b=Exm2+Exg+Exw-Exm1

(2)

(3)

式中：m為質(zhì)量,kg;ρ為密度,kg/m3;p0為環(huán)境壓力,Pa。

(4)

式中：cp為定壓比熱，J/(kg·℃),T0為環(huán)境溫度,℃。

Exm=Ex,Δp+Ex,h

(5)

E(xsup)b=Exf+Exe1+Exe2

(6)

Exf=Q·N

(7)

式中：Q為加熱爐耗氣量,m3/h;N為天然氣比,37.3 MJ/m3。

(8)

式中:λi為各單元設(shè)備的損系數(shù);i為單元設(shè)備數(shù)量,臺。

(9)

2.2 管網(wǎng)子系統(tǒng)分析模型

管網(wǎng)子系統(tǒng)由井間集油管線、摻水管線和站間集油管線、摻水管線組成。無論井間集油管線還是站間集油管線都是雙管式,且物流都做相向流動。管網(wǎng)子系統(tǒng)的流組成中不含供給,每條管線只有輸入、輸出和損失。管網(wǎng)子系統(tǒng)是系統(tǒng)耗能的主要環(huán)節(jié),模型見圖4[11]。

圖4 管網(wǎng)子系統(tǒng)分析模型

Exm1+Exw1=Exm2+Exw2+Exlm+Exlw

(10)

式中:Exm1、Exm2為輸入和輸出管網(wǎng)的油、氣、水混合流的物流,kJ/h;Exw1、Exw2為輸入和輸出管網(wǎng)回摻水的物流,kJ/h;Exlm、Exlw為混合流管線和摻水管線的損,kJ/h。

Exlm、Exlw的計算式為:

Exlm=Exlinm+Exloutm

(11)

Exlw=Exlinw+Exloutw

(12)

(13)

3.1 轉(zhuǎn)油站子系統(tǒng)分析結(jié)果

圖5 進轉(zhuǎn)油站子系統(tǒng)流

圖6 出轉(zhuǎn)油站子系統(tǒng)流

圖7 轉(zhuǎn)油站子系統(tǒng)耗

圖8 轉(zhuǎn)油站子系統(tǒng)效率

3.2 管網(wǎng)子系統(tǒng)分析結(jié)果

圖9 進管網(wǎng)子系統(tǒng)流

圖10 出管網(wǎng)子系統(tǒng)流

圖11 管網(wǎng)子系統(tǒng)耗

圖12 管網(wǎng)子系統(tǒng)效率

3.3 子系統(tǒng)分析結(jié)果對比

對比分析轉(zhuǎn)油站子系統(tǒng)及管網(wǎng)子系統(tǒng),結(jié)果見圖13～14。

圖13 子系統(tǒng)耗對比

圖14 子系統(tǒng)效率對比

4 用能薄弱環(huán)節(jié)辨識

4.1 轉(zhuǎn)油站子系統(tǒng)損分布

圖15 全年加熱爐損系數(shù)

圖16 輸油泵機組損系數(shù)

圖17 摻水泵機組損系數(shù)

圖18 轉(zhuǎn)油站子系統(tǒng)損分布

由圖15～18可得,在用能情況較薄弱的轉(zhuǎn)油站子系統(tǒng)中,加熱爐所產(chǎn)生損占比高達80以上,在7～9月加熱爐停爐工況下該系統(tǒng)運行情況有明顯提高。綜上所述,在大慶某轉(zhuǎn)油站原油集輸系統(tǒng)運行過程中,用能薄弱環(huán)節(jié)為站內(nèi)子系統(tǒng),其中損占比為:加熱爐損>摻水泵機組損>輸油泵機組損,有必要進行爐效提高措施或進行設(shè)備更換，以實現(xiàn)油氣集輸系統(tǒng)節(jié)能降耗目的[14]。

4.2 加熱爐損分布情況

通常可將加熱爐運行過程分為燃燒反應(yīng)過程、排煙過程、冷卻過程、散熱過程、換熱過程等部分[15-16],將其損分為外部損和內(nèi)部損,各部分損失計算過程可參考文獻[17]中式(9)～(16)[17-18]。加熱爐各部分損計算結(jié)果見圖19～20。

圖19 加熱爐外部損分布

圖20 加熱爐內(nèi)部損分布

5 結(jié)論

4)大慶某轉(zhuǎn)油站加熱爐運行時其內(nèi)部燃燒過程、冷卻過程、換熱過程占比較大,換熱過程損占總損失30以上,因此加熱爐為該轉(zhuǎn)油站集輸系統(tǒng)用能最薄弱環(huán)節(jié)。