鐘榮強(qiáng)， 付秀勇， 李亞軍

(1.中石化西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院，新疆烏魯木齊830011；2.中石化西北油田分公司基建處，新疆烏魯木齊830011；3.華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院傳熱強(qiáng)化與過程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510640)

1 概述

天然氣分布式供能系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱分布式供能系統(tǒng))可實(shí)現(xiàn)冷熱電聯(lián)供，具有能源利用效率高、節(jié)能減排效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，是一種先進(jìn)的能源利用技術(shù)。相對(duì)于傳統(tǒng)的能源分供方式，分布式供能系統(tǒng)是以供能設(shè)備更加小型化、分散化的形式，靈活地布置在用戶附近，按照能源梯級(jí)利用的原則，采用高品位能源發(fā)電，中低品位能源供熱和制冷，實(shí)現(xiàn)冷熱電聯(lián)供。在滿足一定區(qū)域內(nèi)用戶多種能源需求的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)能源利用最大化，并降低環(huán)境污染[1-6]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)分布式供能系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究。Arcuri等人[7]、Okamoto[8]和Zheng等人[9]針對(duì)醫(yī)院建筑的分布式供能系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)研究。Wang等人[10]、李悅[11]和婁志標(biāo)等人[12]研究了分布式供能系統(tǒng)在酒店建筑中的應(yīng)用。此外，羅艷玲等人[13]、林世平[14]對(duì)分布式供能系統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)園區(qū)進(jìn)行了探討。研究表明，采用分布式供能系統(tǒng)，辦公建筑可減少運(yùn)營成本12%，商場(chǎng)建筑可減少運(yùn)營成本11%，醫(yī)院建筑可減少運(yùn)營成本21%，體育場(chǎng)館建筑可減少運(yùn)營成本32%，酒店建筑可減少運(yùn)營成本23%[15]。

目前，針對(duì)分布式供能系統(tǒng)在油田生產(chǎn)中的研究應(yīng)用比較少。油氣田開采及油氣處理的作業(yè)區(qū)大多地處偏遠(yuǎn)地帶，且周邊無供水、供電、供熱等市政基礎(chǔ)設(shè)施。對(duì)于這些遠(yuǎn)離電網(wǎng)，但天然氣資源豐富的地區(qū)，可利用原油生產(chǎn)過程中的伴生氣(天然氣)發(fā)電，滿足自用電需求，減少或替代電力覆蓋度不夠?qū)е碌牟裼桶l(fā)電以及對(duì)電網(wǎng)的依賴。在保障生產(chǎn)生活電力供應(yīng)的同時(shí)，發(fā)電余熱還可滿足生產(chǎn)工藝、供暖用熱需求，有效提高一次能源利用效率，緩解火炬排空現(xiàn)象，減少能源浪費(fèi)。

本文以新疆某油田的油氣處理站為研究對(duì)象，結(jié)合負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果，提出采用傳統(tǒng)供能系統(tǒng)、分布式供能系統(tǒng)的兩種供能方案，對(duì)供能系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備選型，對(duì)比不同方案的經(jīng)濟(jì)性。

2 工程概況

某油田位于新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇地區(qū)，生產(chǎn)規(guī)模為原油150×104t/a、天然氣6.8×108m3/a。作為油氣生產(chǎn)的用能負(fù)荷中心——油氣處理站，主要功能是對(duì)原油、天然氣進(jìn)行處理。工藝單元有原油處理(原油脫水、原油穩(wěn)定、輕油堿洗等)、天然氣處理(天然氣脫硫、天然氣脫水等)、輕烴回收、酸氣處理、天然氣外輸、原油儲(chǔ)存外輸、污水處理、注水井回注等。油氣處理站的終端用能主要形式有電和熱兩種，年運(yùn)行時(shí)間為330 d，每日24 h運(yùn)行。

3 負(fù)荷預(yù)測(cè)

3.1 設(shè)計(jì)電負(fù)荷

油氣處理站的電負(fù)荷主要來自油氣處理工藝、外輸系統(tǒng)中的壓縮機(jī)、泵及站內(nèi)其他設(shè)備，具體的電負(fù)荷組成見表1。由表1數(shù)據(jù)可知，油氣處理站的總電負(fù)荷為10 482 kW。將油氣處理站總電負(fù)荷向上圓整至10.5 MW，作為油氣處理站的設(shè)計(jì)電負(fù)荷。

表1 油氣處理站電負(fù)荷組成

3.2 設(shè)計(jì)熱負(fù)荷

油氣處理站的熱負(fù)荷主要來自原油脫水、原油穩(wěn)定、天然氣脫硫、輕烴回收等工藝過程的加熱需求。

根據(jù)用熱設(shè)備所需溫度的不同，將熱負(fù)荷分為高溫位熱負(fù)荷、低溫位熱負(fù)荷。高溫位熱負(fù)荷為個(gè)別工藝塔高溫導(dǎo)熱油(可由熱媒爐加熱)加熱熱負(fù)荷(屬于常年熱負(fù)荷)，高溫位設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為1.8 MW。低溫位熱負(fù)荷由蒸汽承擔(dān)，為方便計(jì)算，將生產(chǎn)工藝蒸汽負(fù)荷(單位為t/h)換算成熱功率。

根據(jù)油氣處理站的用能情況，可將全年運(yùn)行時(shí)間分為非供暖期180 d，供暖期150 d。常年設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為20.8 MW，數(shù)據(jù)上與非供暖期設(shè)計(jì)熱負(fù)荷相等，包括高溫位設(shè)計(jì)熱負(fù)荷、低溫位設(shè)計(jì)熱負(fù)荷。供暖期設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為21.5 MW，包括高溫位設(shè)計(jì)熱負(fù)荷、低溫位設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，與常年設(shè)計(jì)熱負(fù)荷相比增加了蓄水罐加溫、輔助生產(chǎn)用房供暖等熱負(fù)荷(0.7 MW)。

3.3 耗電量、耗熱量

非供暖期、供暖期典型日電負(fù)荷、熱負(fù)荷逐時(shí)分布分別見圖1、2。在圖1、2中，第1 h表示[0:00，1:00)，第2 h表示[1:00，2:00)，以此類推。由于高溫位熱負(fù)荷相對(duì)于總熱負(fù)荷比較小，為了方便表達(dá)，圖1、2中的熱負(fù)荷包括了高溫位熱負(fù)荷、低溫位熱負(fù)荷。根據(jù)筆者掌握的數(shù)據(jù)，在計(jì)算高溫位耗熱量、低溫耗熱量時(shí)，可實(shí)現(xiàn)分項(xiàng)計(jì)算。由圖1、2數(shù)據(jù)可知，非供暖期、供暖期典型日的電負(fù)荷、熱負(fù)荷的逐時(shí)分布均比較平穩(wěn)。

根據(jù)油氣處理站非供暖期、供暖期的運(yùn)行時(shí)間，由圖1、2及筆者掌握的數(shù)據(jù)，可計(jì)算得到非供暖期耗電量為4 391.31×104kW·h，高溫位耗熱量為764.49×104kW·h，低溫位耗熱量為8 078.32×104kW·h。供暖期耗電量為3 581.91×104kW·h，高溫位耗熱量為624.68×104kW·h，低溫位耗熱量為6 854.50×104kW·h。

4 供能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 傳統(tǒng)供能系統(tǒng)

電負(fù)荷依托遠(yuǎn)離油田的阿克蘇地區(qū)的當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)，熱負(fù)荷以油田生產(chǎn)的天然氣為燃料，單獨(dú)布置熱媒爐、燃?xì)庹羝仩t。根據(jù)高溫位設(shè)計(jì)熱負(fù)荷、供暖期設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，傳統(tǒng)供能系統(tǒng)選取的主要設(shè)備的技術(shù)參數(shù)見表2。

圖1 非供暖期典型日電負(fù)荷、熱負(fù)荷逐時(shí)分布

圖2 供暖期典型日電負(fù)荷、熱負(fù)荷逐時(shí)分布

主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)數(shù)量/臺(tái)熱媒爐額定熱功率2 400 kW,熱效率0.92(1用1備)燃?xì)庹羝仩t額定熱功率11.6 MW,熱效率0.93(2用1備)

4.2 分布式供能系統(tǒng)

① 設(shè)計(jì)原則

由于當(dāng)?shù)仉娏Y源充足，分布式供能系統(tǒng)的過剩電力不具備上網(wǎng)的條件。綜合考慮項(xiàng)目建設(shè)的投資成本，分布式供能系統(tǒng)宜采用孤島運(yùn)行方式，發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)容量根據(jù)以電定熱原則設(shè)計(jì)。油氣處理站對(duì)供電可靠性的要求較高，并考慮調(diào)節(jié)的靈活性，發(fā)電機(jī)組不宜少于2臺(tái)?；谏鲜鲈瓌t，選用單臺(tái)發(fā)電功率為3 515 kW的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組4臺(tái)，匹配2臺(tái)余熱蒸汽鍋爐(承擔(dān)低溫位熱負(fù)荷)回收煙氣余熱，不足熱功率由燃?xì)庹羝仩t(承擔(dān)低溫位熱負(fù)荷)補(bǔ)充，高溫位熱負(fù)荷由熱媒爐承擔(dān)。

天然氣分布式供能系統(tǒng)中的動(dòng)力裝置形式多樣。目前，根據(jù)設(shè)備成熟度和應(yīng)用條件多選取燃?xì)廨啓C(jī)與燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力裝置。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組的單機(jī)發(fā)電功率大多在MW級(jí)別以下，而燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的發(fā)電功率在MW級(jí)別以上且范圍覆蓋廣。加之燃?xì)廨啓C(jī)排煙溫度比較高，余熱品位理想，因此該項(xiàng)目選用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組。

② 系統(tǒng)流程

分布式供能系統(tǒng)流程見圖3。天然氣進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，電力滿足油氣處理站的用電需求，燃?xì)廨啓C(jī)煙氣經(jīng)余熱蒸汽鍋爐產(chǎn)生蒸汽滿足低溫位熱負(fù)荷，不足的低溫位熱負(fù)荷由燃?xì)庹羝仩t承擔(dān)。熱媒爐利用天然氣燃燒熱量加熱導(dǎo)熱油，高溫導(dǎo)熱油滿足高溫位熱負(fù)荷需求。

圖3 分布式供能系統(tǒng)流程

③ 設(shè)備選型

選取4臺(tái)單臺(tái)額定發(fā)電功率為3 515 kW的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組，正常運(yùn)行時(shí)每臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷率約75%，若其中1臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)故障或進(jìn)行維護(hù)，則余下3臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行，仍能滿足油氣處理站的用電需求。4臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷率為75%時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)煙氣熱功率為18.82 MW，發(fā)電效率0.279。余熱蒸汽鍋爐的熱效率為0.84，則余熱蒸汽鍋爐的實(shí)際輸出熱功率為15.8 MW。以供暖期低溫位設(shè)計(jì)熱負(fù)荷(19.7 MW)為設(shè)計(jì)依據(jù)，燃?xì)庹羝仩t需承擔(dān)的熱負(fù)荷為3.9 MW。根據(jù)上述計(jì)算，可以確定分布式供能系統(tǒng)主要設(shè)備的技術(shù)參數(shù)(見表3)。

表3 分布式供能系統(tǒng)主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)

5 經(jīng)濟(jì)性分析

5.1 經(jīng)濟(jì)性分析

① 系統(tǒng)造價(jià)

傳統(tǒng)供能系統(tǒng)、分布式供能系統(tǒng)的系統(tǒng)造價(jià)見表4。由表4可知，傳統(tǒng)供能系統(tǒng)的系統(tǒng)造價(jià)比分布式供能系統(tǒng)高11 925.45×104元。僅電力系統(tǒng)造價(jià)一項(xiàng)，傳統(tǒng)供能系統(tǒng)就達(dá)到了2.5×108元，主要是由于油氣處理站距離周邊電網(wǎng)變電站較遠(yuǎn)，除新建110-35-10 kV變電站外，還需新建110 kV線路200 km。

表4 傳統(tǒng)供能系統(tǒng)、分布式供能系統(tǒng)的系統(tǒng)造價(jià)

② 年運(yùn)行成本

供能系統(tǒng)的年運(yùn)行成本Cope的計(jì)算式為：

Cope=Cngq+CeE

式中Cope——供能系統(tǒng)的年運(yùn)行成本，元/a

Cng——天然氣價(jià)格，元/m3

q——供能系統(tǒng)年耗氣量，m3/a

Ce——電價(jià)，元/(kW·h)

E——供能系統(tǒng)年耗電量，kW·h/a

根據(jù)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果及兩種供能方案設(shè)備技術(shù)參數(shù)，可計(jì)算得到傳統(tǒng)供能系統(tǒng)、分布式供能系統(tǒng)年耗氣量、年耗電量及年運(yùn)行成本(見表5)。天然氣低熱值取34.6 MJ/m3，天然氣價(jià)格取0.99 元/m3，平均電價(jià)取0.40 元/(kW·h)。由表5可知，傳統(tǒng)供能系統(tǒng)的年運(yùn)行成本高于分布式供能系統(tǒng)。

表5 傳統(tǒng)供能系統(tǒng)、分布式供能系統(tǒng)年耗氣量、年耗電量及年運(yùn)行成本

③ 經(jīng)濟(jì)性分析

由表4可知，受建設(shè)長(zhǎng)距離輸電線路的影響，傳統(tǒng)供能系統(tǒng)的造價(jià)為27 298.77×104元，比分布式供能系統(tǒng)增加了77.57%。

由表5可知，與傳統(tǒng)供能系統(tǒng)相比，得益于廉價(jià)充足的氣源以及能源的梯級(jí)利用，分布式供能系統(tǒng)的年運(yùn)行成本下降了32.55%。

5.2 抗風(fēng)險(xiǎn)能力

由于傳統(tǒng)供能系統(tǒng)、分布式供能系統(tǒng)的能源輸入僅涉及天然氣、電網(wǎng)電，因此天然氣價(jià)格和電價(jià)是影響系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素。由于在油田開發(fā)初期，天然氣沒有外輸條件，只能通過火炬放空，因此能為分布式供能系統(tǒng)提供廉價(jià)的氣源。隨著下游市場(chǎng)擴(kuò)大，天然氣具備外輸條件后，價(jià)格必然上漲，分布式供能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性也會(huì)受到影響。

將分布式供能系統(tǒng)年運(yùn)行成本節(jié)省率作為敏感性分析指標(biāo)，計(jì)算分析價(jià)格因子(氣電價(jià)格比，作為敏感性因素)對(duì)其影響。分布式供能系統(tǒng)年運(yùn)行成本節(jié)省率f的計(jì)算式為：

(1)

式中f——分布式供能系統(tǒng)年運(yùn)行成本節(jié)省率

Cope,SP——傳統(tǒng)供能系統(tǒng)年運(yùn)行成本，元/a

Cope,DES——分布式供能系統(tǒng)年運(yùn)行成本，元/a

C——價(jià)格因子，kW·h/m3

qSP、qDES——傳統(tǒng)供能系統(tǒng)、分布式供能系統(tǒng)年耗氣量，m3/a

ESP、EDES——傳統(tǒng)供能系統(tǒng)、分布式供能系統(tǒng)年耗電量，kW·h/a

由式(1)可知，當(dāng)傳統(tǒng)供能系統(tǒng)、分布式供能系統(tǒng)的年耗氣量、年耗電量確定時(shí)，年運(yùn)行成本節(jié)省率僅為價(jià)格因子C的函數(shù)。將已知參數(shù)代入式(1)，可計(jì)算得到分布式供能系統(tǒng)年運(yùn)行成本節(jié)省率隨價(jià)格因子C的變化(見圖4)。根據(jù)電力、天然氣價(jià)格市場(chǎng)價(jià)格變化區(qū)間，價(jià)格因子C的取值范圍為0～10。

圖4 分布式供能系統(tǒng)年運(yùn)行成本節(jié)省率隨價(jià)格因子C的變化

由圖4可知，隨著價(jià)格因子的增大，分布式供能系統(tǒng)年運(yùn)行成本節(jié)省率逐漸下降。當(dāng)價(jià)格因子為5.19時(shí)，分布式供能系統(tǒng)運(yùn)行成本的年運(yùn)行成本節(jié)省率為0。當(dāng)價(jià)格因子繼續(xù)增大，分布式供能系統(tǒng)不再具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。將價(jià)格因子為5.19作為臨界值，當(dāng)電價(jià)為0.40 元/(kW·h)時(shí)，分布式供能系統(tǒng)可承受的最高天然氣價(jià)格為2.075 元/m3，而當(dāng)前天然氣價(jià)格為0.99 元/m3，因此分布式供能系統(tǒng)具有一定的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

6 結(jié)論

受建設(shè)長(zhǎng)距離輸電線路的影響，傳統(tǒng)供能系統(tǒng)的造價(jià)比天然氣分布式供能系統(tǒng)增加了77.57%。得益于廉價(jià)充足的氣源以及能源的梯級(jí)利用，天然氣分布式供能系統(tǒng)的年運(yùn)行成本比傳統(tǒng)供能系統(tǒng)下降了32.55%。當(dāng)電價(jià)為0.40 元/(kW·h)時(shí)，天然氣分布式供能系統(tǒng)可承受的最高天然氣價(jià)格為2.075 元/m3，目前天然氣價(jià)格為0.99 元/m3，天然氣分布式供能系統(tǒng)具有一定的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。