關(guān)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(xué)石油工程學(xué)院, 黑龍江 大慶 163318;2. 東北石油局有限公司, 吉林 長(zhǎng)春 130062；3. 中國(guó)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(guó)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(tuán)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(jīng)過(guò)計(jì)量、分離、脫水、穩(wěn)定等工藝處理,最終輸送至油庫(kù)或管線外輸[1-5]。其轉(zhuǎn)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(kāi)發(fā),6號(hào)轉(zhuǎn)油站集輸系統(tǒng)能耗升高,運(yùn)行效率降低。本文針對(duì)該轉(zhuǎn)油站集輸系統(tǒng)工藝流程建立了能耗評(píng)價(jià)指標(biāo),研究并開(kāi)發(fā)了轉(zhuǎn)油站集輸系統(tǒng)能耗分析與評(píng)價(jià)軟件,利用軟件對(duì)系統(tǒng)各耗能環(huán)節(jié)進(jìn)行能耗評(píng)價(jià),綜合分析出能耗分布規(guī)律,依據(jù)分析結(jié)果,研究相應(yīng)的治理對(duì)策,進(jìn)行節(jié)能降耗潛力預(yù)測(cè)。

1 轉(zhuǎn)油站集輸系統(tǒng)工藝流程

轉(zhuǎn)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(gè)集輸環(huán)路[6-9]。轉(zhuǎn)油站來(lái)的熱水通過(guò)摻水管道輸送至閥組間,經(jīng)閥組間摻入所有集油環(huán)中,各油井采出液摻水后經(jīng)過(guò)集油環(huán)進(jìn)入摻水閥組,最后油水混合物經(jīng)過(guò)回油管道輸送至轉(zhuǎn)油站[10-12]。轉(zhuǎn)油站集輸系統(tǒng)工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 轉(zhuǎn)油站集輸系統(tǒng)工藝流程圖

2 轉(zhuǎn)油站集輸系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)分析方法

我國(guó)大多數(shù)油田均采取能耗評(píng)價(jià)分析方法對(duì)油田耗能情況進(jìn)行分析與測(cè)試[13]。即通過(guò)測(cè)試、計(jì)算,權(quán)衡系統(tǒng)輸出與輸入能量的關(guān)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(zhuǎn)油站能耗評(píng)價(jià)方法

轉(zhuǎn)油站能量平衡模型見(jiàn)圖2。

圖2 轉(zhuǎn)油站能量平衡模型圖

轉(zhuǎn)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(nèi)回油帶入的能量,kJ/h;ETOout為站內(nèi)外輸油帶出的能量,kJ/h;ETWout為轉(zhuǎn)油站至閥組間摻水的能量,kJ/h;ΔET為轉(zhuǎn)油站的熱能損失與壓能損失,kJ/h。

依據(jù)轉(zhuǎn)油站能量平衡方程,建立其能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)如下:

能源效率:

(2)

式中:ηT為轉(zhuǎn)油站能源效率,%。

電能利用率:

(3)

式中:ηTe為轉(zhuǎn)油站用電率,%;ETOoutp為站內(nèi)外輸油帶出的壓能,kJ/h;ETWoutp為站內(nèi)外輸摻水帶出的壓能,kJ/h;ETOinp為回油進(jìn)入轉(zhuǎn)油站帶來(lái)的壓能,kJ/h。

熱能利用率:

(4)

式中:ηTh為轉(zhuǎn)油站熱能利用率,%;ETOouth為站內(nèi)外輸油帶出的熱能,kJ/h;ETWouth為站內(nèi)外輸摻水帶出的熱能,kJ/h;ETOinh為回油進(jìn)入轉(zhuǎn)油站帶來(lái)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(zhuǎn)油站處理液量,t/h;BTa為轉(zhuǎn)油站內(nèi)消耗的伴生氣體量,m3/h;BTd為轉(zhuǎn)油站內(nèi)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(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)煤熱值,kJ/kg。

2.2 回油管道和摻水管道能耗評(píng)價(jià)方法

對(duì)閥組間至轉(zhuǎn)油站回油管道和摻水管道能耗評(píng)價(jià),建立閥組間至轉(zhuǎn)油站回油管道能量平衡模型，見(jiàn)圖3。

圖3 閥組間至轉(zhuǎn)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(gè)閥組間相連接的摻水管道帶出的摻水能量,kJ/h;ERWin為經(jīng)過(guò)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(jìn)入集油管道的能量,kJ/h;ETOini為與第i個(gè)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(jù)摻水管道及集油管道能量平衡方程,建立其能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)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(píng)價(jià)方法

集油環(huán)能量平衡模型見(jiàn)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(jìn)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(jìn)入集油環(huán)的能量,kJ/h;ΔER為集油環(huán)損失能量,kJ/h。

根據(jù)集油環(huán)系統(tǒng)能量平衡方程,建立其能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)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(shè)計(jì)

3.1 軟件需求分析

隨著6號(hào)轉(zhuǎn)油站集輸系統(tǒng)進(jìn)入高采出程度和高含水率的“雙高”發(fā)展階段。原油產(chǎn)量呈逐年下降趨勢(shì),能耗日益升高。由于運(yùn)行方式不斷更新,老系統(tǒng)的運(yùn)行已適應(yīng)不了油田現(xiàn)今發(fā)展[3]。且由于系統(tǒng)龐大,內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員工作難度較大,運(yùn)行情況未能得到及時(shí)調(diào)整,耗資費(fèi)用巨大。為高效、準(zhǔn)確地做好節(jié)能降耗工作,將智能軟件應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)油站集輸系統(tǒng)能耗分析與評(píng)價(jià)軟件是依據(jù)Visual Studio 2010編制而成的用于集輸系統(tǒng)能耗現(xiàn)狀分析和調(diào)整改造的工程實(shí)用軟件(以下簡(jiǎn)稱軟件)[17],能夠具體反應(yīng)集輸管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、工藝流程特點(diǎn)以及各用能單元的能量平衡模型。

軟件具有八種功能,見(jiàn)圖5。

軟件中效率計(jì)算、節(jié)能評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)分析是軟件的核心部分。軟件能夠計(jì)算各用能環(huán)節(jié)的效率，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析評(píng)價(jià)，提出改造建議，并預(yù)測(cè)系統(tǒng)用能情況。

3.3 程序流程設(shè)計(jì)

軟件的程序流程包括:各項(xiàng)數(shù)據(jù)錄入、效率計(jì)算、用能評(píng)價(jià)分析、系統(tǒng)節(jié)能改造、結(jié)果輸出五個(gè)步驟。用戶可以將系統(tǒng)中各子系統(tǒng)及設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入,該軟件即可對(duì)集輸系統(tǒng)的能耗進(jìn)行計(jì)算,分析系統(tǒng)的能耗現(xiàn)狀,給出預(yù)測(cè)結(jié)果實(shí)施改進(jìn)措施[18-20]。軟件與MSAccess數(shù)據(jù)庫(kù)鏈接,用戶可將各運(yùn)行數(shù)據(jù)、計(jì)算參數(shù)及計(jì)算結(jié)果儲(chǔ)存至數(shù)據(jù)庫(kù)。用戶能夠依據(jù)集輸系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況,輸入計(jì)算所需參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果會(huì)自動(dòng)保存至Access數(shù)據(jù)庫(kù),為方便用戶觀看數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果,該軟件可以將結(jié)果以Excel表格形式導(dǎo)出。軟件計(jì)算程序流程見(jiàn)圖6。

圖5 轉(zhuǎn)油站集輸系統(tǒng)能耗分析與評(píng)價(jià)軟件框圖

圖6 軟件計(jì)算程序流程

3.4 軟件運(yùn)行環(huán)境

3.4.1 硬件環(huán)境

PC機(jī)/586以上;主機(jī)內(nèi)存:256 MB以上;硬盤(pán):540 MB 以上;顯示卡:EGA/VGA;打印機(jī):中英文打印機(jī)。

3.4.2 軟件環(huán)境

開(kāi)發(fā)平臺(tái):Visual Studio 2010，操作系統(tǒng):中文Windows 2000或Windows XP，所用數(shù)據(jù)庫(kù):Access，輔助軟件:Excel。

4 應(yīng)用計(jì)算

4.1 能耗計(jì)算結(jié)果分析與評(píng)價(jià)

大慶油田6號(hào)轉(zhuǎn)油站集輸系統(tǒng)含6號(hào)轉(zhuǎn)油站1座,閥組間6座,油井141口,開(kāi)井78口,日產(chǎn)液261.34 t,日產(chǎn)油67.98 t,綜合含水74.68%。利用軟件對(duì)系統(tǒng)各用能環(huán)節(jié)進(jìn)行能耗計(jì)算與分析:

6號(hào)轉(zhuǎn)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(jì)算結(jié)果可知,在該系統(tǒng)總能量損失當(dāng)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(shí)改善轉(zhuǎn)油站內(nèi)設(shè)備保溫狀況,提高加熱爐效率。6號(hào)轉(zhuǎn)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(jì)算結(jié)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(shí)改善管道保溫情況。

6號(hào)轉(zhuǎn)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(jì)算結(jié)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(hào)轉(zhuǎn)油站的2臺(tái)加熱爐中,其中2#摻水加熱爐各項(xiàng)指標(biāo)合格,1#摻水加熱爐大部分指標(biāo)合格,但排煙溫度較高,致使排煙熱損失達(dá)16.4%。加熱爐熱損失較高,不符合規(guī)范。可對(duì)加熱爐實(shí)施強(qiáng)化換熱,同時(shí)保證溫度滿足要求。

6號(hào)轉(zhuǎn)油站個(gè)別機(jī)泵沒(méi)有在高效區(qū)內(nèi)運(yùn)行,泵運(yùn)行負(fù)荷率偏低,達(dá)不到規(guī)范要求。個(gè)別泵的泵管壓差過(guò)大,大于單級(jí)揚(yáng)程,液量波動(dòng)較大且長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行,導(dǎo)致節(jié)流損失率較高。因此,可通過(guò)泵變頻調(diào)速、減級(jí)等措施降低泵管壓差,提高運(yùn)行負(fù)荷率。

利用能量守恒原理和質(zhì)量守恒原理,借助研制軟件,對(duì)該集輸系統(tǒng)進(jìn)行綜合能耗分析，系統(tǒng)能量損失計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 6號(hào)轉(zhuǎn)油站系統(tǒng)能量損失計(jì)算結(jié)果表

由表1可知,6號(hào)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)油站子系統(tǒng)耗能最高,能損占比51.48%。6號(hào)轉(zhuǎn)油站集輸系統(tǒng)熱能消耗量占比較大,達(dá)到94.89%,需及時(shí)通過(guò)提高加熱爐運(yùn)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(diào)整改造

找到6號(hào)轉(zhuǎn)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(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)分析模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造措施。由于該轉(zhuǎn)油站所轄集油管道已運(yùn)行多年,整改難度較大,所以只針對(duì)摻水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,前后用能對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 6號(hào)轉(zhuǎn)油站集輸系統(tǒng)改造前后用能對(duì)比結(jié)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(jié)論

建立了針對(duì)大慶某油田6號(hào)轉(zhuǎn)油站集輸系統(tǒng)及其用能單元的能量平衡模型,依據(jù)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(píng)價(jià)指標(biāo);研究并開(kāi)發(fā)了轉(zhuǎn)油站集輸系統(tǒng)能耗分析與評(píng)價(jià)軟件,能夠?qū)ο到y(tǒng)效率進(jìn)行計(jì)算,實(shí)現(xiàn)能耗分析與評(píng)價(jià)功能。經(jīng)應(yīng)用實(shí)例表明,軟件能夠?qū)ο到y(tǒng)效率及能耗進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算,完全反應(yīng)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(yīng)用效果良好。應(yīng)用結(jié)果表明集輸系統(tǒng)耗氣量下降28.44%,耗電量下降31.97%。