關德慧 鄭 偉 尚志寅 田一辰 苑松楠 代軒瑞 劉俊博

1. 東北石油大學石油工程學院, 黑龍江 大慶 163318;2. 東北石油局有限公司, 吉林 長春 130062；3. 中國石油天然氣股份有限公司管道廊坊輸油氣分公司， 河北 廊坊 065000；4. 中國石油天然氣管道工程有限公司， 河北 廊坊 065000；5. 山西壓縮天然氣集團有限公司， 山西 太原 030000

0 前言

油田集輸系統(tǒng)主要工藝流程是從井口匯集各種油水混合物及伴生氣,經過計量、分離、脫水、穩(wěn)定等工藝處理,最終輸送至油庫或管線外輸[1-5]。其轉油站系統(tǒng)是油田集輸系統(tǒng)中重要的組成部分。隨著大慶油田的不斷開發(fā),6號轉油站集輸系統(tǒng)能耗升高,運行效率降低。本文針對該轉油站集輸系統(tǒng)工藝流程建立了能耗評價指標,研究并開發(fā)了轉油站集輸系統(tǒng)能耗分析與評價軟件,利用軟件對系統(tǒng)各耗能環(huán)節(jié)進行能耗評價,綜合分析出能耗分布規(guī)律,依據分析結果,研究相應的治理對策,進行節(jié)能降耗潛力預測。

1 轉油站集輸系統(tǒng)工藝流程

轉油站集輸系統(tǒng)采用單管環(huán)狀摻水流程,是將所有油井和閥組間連接成一個集輸環(huán)路[6-9]。轉油站來的熱水通過摻水管道輸送至閥組間,經閥組間摻入所有集油環(huán)中,各油井采出液摻水后經過集油環(huán)進入摻水閥組,最后油水混合物經過回油管道輸送至轉油站[10-12]。轉油站集輸系統(tǒng)工藝流程見圖1。

圖1 轉油站集輸系統(tǒng)工藝流程圖

2 轉油站集輸系統(tǒng)能耗評價分析方法

我國大多數(shù)油田均采取能耗評價分析方法對油田耗能情況進行分析與測試[13]。即通過測試、計算,權衡系統(tǒng)輸出與輸入能量的關系,確定系統(tǒng)耗能狀況。利用能量守恒原理,確定的體系有:帶入體系能量+外界供給能量=體系損失能量+系統(tǒng)輸出能量[14-16]。

2.1 轉油站能耗評價方法

轉油站能量平衡模型見圖2。

圖2 轉油站能量平衡模型圖

轉油站能量平衡方程為:

ETh+ETe+ETOin=ETOout+ETWout+ΔET

(1)

式中:ETh為外界帶入的熱能,kJ/h;ETe為外界帶入的電能,kJ/h;ETOin為站內回油帶入的能量,kJ/h;ETOout為站內外輸油帶出的能量,kJ/h;ETWout為轉油站至閥組間摻水的能量,kJ/h;ΔET為轉油站的熱能損失與壓能損失,kJ/h。

依據轉油站能量平衡方程,建立其能耗評價指標如下:

能源效率:

(2)

式中:ηT為轉油站能源效率,%。

電能利用率:

(3)

式中:ηTe為轉油站用電率,%;ETOoutp為站內外輸油帶出的壓能,kJ/h;ETWoutp為站內外輸摻水帶出的壓能,kJ/h;ETOinp為回油進入轉油站帶來的壓能,kJ/h。

熱能利用率:

(4)

式中:ηTh為轉油站熱能利用率,%;ETOouth為站內外輸油帶出的熱能,kJ/h;ETWouth為站內外輸摻水帶出的熱能,kJ/h;ETOinh為回油進入轉油站帶來的熱能,kJ/h。

處理液量氣耗:

(5)

式中:MTE為單位處理液量氣耗,m3/t;GT為轉油站處理液量,t/h;BTa為轉油站內消耗的伴生氣體量,m3/h;BTd為轉油站內消耗的干氣體量,m3/h。

處理液量電耗:

(6)

式中:MTE為單位處理液量電耗,(kW·h)/t;NTe為轉油站功耗,(kW·h)/h。

單位處理液量綜合能耗:

(7)

式中:MTS為單位處理液量綜合能耗,kg/t;QSC為標準煤熱值,kJ/kg。

2.2 回油管道和摻水管道能耗評價方法

對閥組間至轉油站回油管道和摻水管道能耗評價,建立閥組間至轉油站回油管道能量平衡模型，見圖3。

圖3 閥組間至轉油站管道能量平衡模型圖

摻水管道能量平衡方程:

ETWouti=ERWin+ΔELW

(8)

式中:ETWouti為與第i個閥組間相連接的摻水管道帶出的摻水能量,kJ/h;ERWin為經過摻水管道摻水的能量,kJ/h;ΔELW為摻水管道損失的能量,kJ/h。

集油管道能量平衡方程表示為:

EROout=ETOini+ΔELO

(9)

式中:EROout為閥組間回油進入集油管道的能量,kJ/h;ETOini為與第i個閥組間相連接的集油管道的回油能量,kJ/h;ΔELO為集油管道損失的能量,kJ/h。

根據摻水管道及集油管道能量平衡方程,建立其能耗評價指標如下:

摻水管道能損率:

(10)

式中:εLW為摻水管道能損率,%。

集油管道能損率:

(11)

式中:εLO為集油管道能損率,%。

2.3 集油環(huán)能耗評價方法

集油環(huán)能量平衡模型見圖4。

圖4 集油環(huán)能量平衡模型圖

集油環(huán)能量平衡方程可表示為:

ERWin+EROin=ΔER+EROout

(12)

式中:ERWin為閥組間摻水進入各集油環(huán)的總能量,kJ/h;EROout為各集油環(huán)集液返回閥組間的總能量,kJ/h;EROin為井口采出的氣液混合物進入集油環(huán)的能量,kJ/h;ΔER為集油環(huán)損失能量,kJ/h。

根據集油環(huán)系統(tǒng)能量平衡方程,建立其能耗評價指標如下:

集油環(huán)能損率:

(13)

式中:εR為集油環(huán)能損率,%。

3 軟件設計

3.1 軟件需求分析

隨著6號轉油站集輸系統(tǒng)進入高采出程度和高含水率的“雙高”發(fā)展階段。原油產量呈逐年下降趨勢,能耗日益升高。由于運行方式不斷更新,老系統(tǒng)的運行已適應不了油田現(xiàn)今發(fā)展[3]。且由于系統(tǒng)龐大,內部結構復雜,現(xiàn)場技術人員工作難度較大,運行情況未能得到及時調整,耗資費用巨大。為高效、準確地做好節(jié)能降耗工作,將智能軟件應用到現(xiàn)場實際工作中是提高集輸系統(tǒng)效率的重中之重。

3.2 軟件功能模塊設計

轉油站集輸系統(tǒng)能耗分析與評價軟件是依據Visual Studio 2010編制而成的用于集輸系統(tǒng)能耗現(xiàn)狀分析和調整改造的工程實用軟件(以下簡稱軟件)[17],能夠具體反應集輸管網的結構、工藝流程特點以及各用能單元的能量平衡模型。

軟件具有八種功能,見圖5。

軟件中效率計算、節(jié)能評價及預測分析是軟件的核心部分。軟件能夠計算各用能環(huán)節(jié)的效率，并根據計算結果分析評價，提出改造建議，并預測系統(tǒng)用能情況。

3.3 程序流程設計

軟件的程序流程包括:各項數(shù)據錄入、效率計算、用能評價分析、系統(tǒng)節(jié)能改造、結果輸出五個步驟。用戶可以將系統(tǒng)中各子系統(tǒng)及設備的實時運行數(shù)據進行錄入,該軟件即可對集輸系統(tǒng)的能耗進行計算,分析系統(tǒng)的能耗現(xiàn)狀,給出預測結果實施改進措施[18-20]。軟件與MSAccess數(shù)據庫鏈接,用戶可將各運行數(shù)據、計算參數(shù)及計算結果儲存至數(shù)據庫。用戶能夠依據集輸系統(tǒng)的實時運行情況,輸入計算所需參數(shù)進行計算。各項計算結果會自動保存至Access數(shù)據庫,為方便用戶觀看數(shù)據計算結果,該軟件可以將結果以Excel表格形式導出。軟件計算程序流程見圖6。

圖5 轉油站集輸系統(tǒng)能耗分析與評價軟件框圖

圖6 軟件計算程序流程

3.4 軟件運行環(huán)境

3.4.1 硬件環(huán)境

PC機/586以上;主機內存:256 MB以上;硬盤:540 MB 以上;顯示卡:EGA/VGA;打印機:中英文打印機。

3.4.2 軟件環(huán)境

開發(fā)平臺:Visual Studio 2010，操作系統(tǒng):中文Windows 2000或Windows XP，所用數(shù)據庫:Access，輔助軟件:Excel。

4 應用計算

4.1 能耗計算結果分析與評價

大慶油田6號轉油站集輸系統(tǒng)含6號轉油站1座,閥組間6座,油井141口,開井78口,日產液261.34 t,日產油67.98 t,綜合含水74.68%。利用軟件對系統(tǒng)各用能環(huán)節(jié)進行能耗計算與分析:

6號轉油站總摻水量66.34 m3/h,能量損失3 305 479.89 kJ/h,其中熱能損失為3 045 462.34 kJ/h,壓能損失為260 017.55 kJ/h。能源效率為51.8%,電能利用率為24.64%,熱能利用率為50.89%,噸液耗電為8.84(kW·h)/t,噸液耗氣為14.43 m3/t,噸液綜合能耗為20.79 kg/t,回油匯管溫度40 ℃。由計算結果可知,在該系統(tǒng)總能量損失當中,熱能損失占比最高,且熱能損失是壓能損失12倍。因此為降低能損,提高系統(tǒng)效率,需及時改善轉油站內設備保溫狀況,提高加熱爐效率。6號轉油站回油匯管溫度較高,為降低系統(tǒng)能耗需要優(yōu)化摻水量及摻水溫度。

摻水系統(tǒng)中摻水管道平均能量損失為181 458.22 kJ/h,其中熱能損失為178 545 kJ/h,壓能損失為2 913.22 kJ/h。集油管道平均能量損失為223 541.25 kJ/h,其中熱能損失為 221 427.65 kJ/h,壓能損失為 2 113.6 kJ/h。由計算結果可知,摻水系統(tǒng)中熱能損失占比較高,因此為降低系統(tǒng)能損,需要降低摻水管道和集油管道的熱能損失,及時改善管道保溫情況。

6號轉油站集油環(huán)平均能量損失為25 632.42 kJ/h,其中熱能損失為23 991.37 kJ/h,壓能損失為1 641.05 kJ/h。平均回油溫度41.48 ℃。由計算結果可知,集油環(huán)中熱能損失占比較高,需降低熱損。且所有集油環(huán)的回油溫度均偏高,為降低回油溫度,可控制優(yōu)化摻水量。

6號轉油站的2臺加熱爐中,其中2#摻水加熱爐各項指標合格,1#摻水加熱爐大部分指標合格,但排煙溫度較高,致使排煙熱損失達16.4%。加熱爐熱損失較高,不符合規(guī)范。可對加熱爐實施強化換熱,同時保證溫度滿足要求。

6號轉油站個別機泵沒有在高效區(qū)內運行,泵運行負荷率偏低,達不到規(guī)范要求。個別泵的泵管壓差過大,大于單級揚程,液量波動較大且長期低負荷運行,導致節(jié)流損失率較高。因此,可通過泵變頻調速、減級等措施降低泵管壓差,提高運行負荷率。

利用能量守恒原理和質量守恒原理,借助研制軟件,對該集輸系統(tǒng)進行綜合能耗分析，系統(tǒng)能量損失計算結果見表1。

表1 6號轉油站系統(tǒng)能量損失計算結果表

由表1可知,6號轉油站平均單井摻水量為0.89 m3/h,系統(tǒng)總熱能損失較高,占比94.88%,總壓能損失占比5.12%。轉油站子系統(tǒng)耗能最高,能損占比51.48%。6號轉油站集輸系統(tǒng)熱能消耗量占比較大,達到94.89%,需及時通過提高加熱爐運行效率,改善管道保溫層狀況提高系統(tǒng)利用熱能的效率,降低熱能損失。

4.2 調整改造

找到6號轉油站集輸系統(tǒng)的用能薄弱環(huán)節(jié)后,利用軟件的節(jié)能評價與預測分析模塊對系統(tǒng)進行節(jié)能改造措施。由于該轉油站所轄集油管道已運行多年,整改難度較大,所以只針對摻水系統(tǒng)進行優(yōu)化,前后用能對比結果見表2。

表2 6號轉油站集輸系統(tǒng)改造前后用能對比結果表

由表2可知,改造后節(jié)約耗氣量47.65 m3/h,節(jié)氣率28.44%;耗電量可節(jié)約29.1(kW·h)/h,節(jié)電率31.97%。

5 結論

建立了針對大慶某油田6號轉油站集輸系統(tǒng)及其用能單元的能量平衡模型,依據該集輸系統(tǒng)工藝流程確立了系統(tǒng)各用能單元的能耗評價指標;研究并開發(fā)了轉油站集輸系統(tǒng)能耗分析與評價軟件,能夠對系統(tǒng)效率進行計算,實現(xiàn)能耗分析與評價功能。經應用實例表明,軟件能夠對系統(tǒng)效率及能耗進行準確計算,完全反應用能情況,并能夠找到系統(tǒng)用能存在的薄弱環(huán)節(jié),提出改造措施,軟件應用效果良好。應用結果表明集輸系統(tǒng)耗氣量下降28.44%,耗電量下降31.97%。