杜祥忠，楊連殿

中國石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東東營 257000

0 引言

石油石化行業(yè)作為重要的能源供給行業(yè)，在生產(chǎn)化石能源的同時(shí)，復(fù)雜的生產(chǎn)工藝具有大量的用能需求，不可避免地產(chǎn)生了大量溫室氣體［1-3］。油田聯(lián)合站是原油集輸處理系統(tǒng)的重要核心，站內(nèi)設(shè)備繁多，運(yùn)行流程復(fù)雜［4-6］。在聯(lián)合站運(yùn)行過程中，需要對采出原油進(jìn)行集中處理和輸送，各種泵及其他相關(guān)設(shè)備需要消耗大量的電能；此外，為確保原油在集輸過程具有較好的流動性，必須維持一定的溫度，通常由加熱爐燃燒化石燃料對原油進(jìn)行加熱［7-8］。由于各種能源的消耗，導(dǎo)致原油在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過程中產(chǎn)生了大量的碳排放［9-12］。

目前，大部分國家基于聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）發(fā)布的《2006 年IPCC 清單編制指南》開展相關(guān)的溫室氣體排放量計(jì)算［13-14］。所編制的排放量計(jì)算方法能夠滿足行業(yè)整體的需求［15-16］，但針對不同的分析對象，需要進(jìn)一步結(jié)合行業(yè)能耗及碳排放特點(diǎn)構(gòu)建具體的碳排放分析模型［17-19］。因此，部分學(xué)者在此指南的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步建立了燃煤電廠［20］、污水廠［21］、鉛冶煉企業(yè)［22］等的碳排放分析模型。

勝利油田作為中國重要的石油工業(yè)基地，年產(chǎn)原油規(guī)模達(dá)到3.1×108t，生產(chǎn)過程所消耗的電量和天然氣分別達(dá)40×108kW·h 和5.4×108m3［23］，同時(shí)產(chǎn)生了大量的碳排放。為了加強(qiáng)油田的環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展，優(yōu)化聯(lián)合站用能結(jié)構(gòu)并減少原油生產(chǎn)過程中的碳排放是當(dāng)前的重要任務(wù)。因此，分析油田聯(lián)合站的能耗及碳排放構(gòu)成，對于推動油田生產(chǎn)行業(yè)的節(jié)能減排具有重要意義［24-26］。

本文根據(jù)聯(lián)合站實(shí)際運(yùn)行情況，確定了各環(huán)節(jié)碳排放源，并結(jié)合《石油天然氣開采企業(yè)二氧化碳排放計(jì)算方法》（SY/T 7297—2016），提出了聯(lián)合站碳排放計(jì)算模型，以簡化計(jì)算過程并提高計(jì)算準(zhǔn)確性。通過對聯(lián)合站碳排放情況的分析，針對性地提出了節(jié)能減排措施，有效降低聯(lián)合站的整體碳排放。為使計(jì)算結(jié)果統(tǒng)一，將碳排放量統(tǒng)一為CO2排放量。

1 聯(lián)合站工藝流程

聯(lián)合站作為油田生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在原油集輸、存儲及初加工中發(fā)揮重要作用。首先，將來自采油井的原油、伴生天然氣及其他產(chǎn)品進(jìn)行集中處理，然后，進(jìn)行初步加工和油氣水的分離，最后，將原油經(jīng)長輸管道輸至原油首站、煉化廠、油庫等地，并將分離出的天然氣送至輸氣站等。為建立油田內(nèi)聯(lián)合站的能耗及碳排放計(jì)算模型，以勝利油田某聯(lián)合站作為研究對象，對該聯(lián)合站進(jìn)行了能耗及碳排放特性分析。該聯(lián)合站具體生產(chǎn)工藝流程主要包括油水氣三相分離、原油穩(wěn)定、原油加熱和原油外輸?shù)拳h(huán)節(jié)。

在該聯(lián)合站內(nèi)，從井口、輸油站等地的來液進(jìn)入站內(nèi)的三相分離器進(jìn)行油、氣、水的分離，分離出的天然氣進(jìn)入天然氣分離器，最終進(jìn)入天然氣系統(tǒng)；經(jīng)三相分離器分離出的原油，進(jìn)入原油穩(wěn)定系統(tǒng)，并進(jìn)行沉降處理；隨后經(jīng)提升泵輸送至加熱爐進(jìn)行加熱，加熱后的原油進(jìn)入到凈化油罐凈化處理，得到含水量1%的合格原油，最后通過外輸泵外輸，整體工藝流程如圖1 所示。

圖1 聯(lián)合站工藝流程示意

2 聯(lián)合站CO2 排放邊界及影響因素

2.1 聯(lián)合站碳排放生命周期評價(jià)

在碳排放源的識別方面，“碳足跡”的概念被廣泛應(yīng)用，其主要是指企業(yè)、個(gè)人的產(chǎn)品或活動在整個(gè)生命周期內(nèi)產(chǎn)生溫室氣體的集合，以二氧化碳當(dāng)量（CO2e）作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。利用企業(yè)的生產(chǎn)或活動的全生命周期碳足跡評估將有助于碳排放的核算。國內(nèi)外的學(xué)者借助生命周期評價(jià)（LCA）方法對發(fā)電［27］、熱工［28-29］、建筑［30-31］等行業(yè)進(jìn)行分析，得到生產(chǎn)過程中的主要的碳排放源，并針對性地提出低碳措施。LCA 作為分析投入、產(chǎn)出的工具，主要被分為4 個(gè)階段，如圖2 所示。

圖2 LCA 階段框架

基于LCA 方法，本文通過篩選聯(lián)合站運(yùn)營生命周期過程，確定聯(lián)合站的碳排放邊界范圍，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)聯(lián)合站碳排放源的識別及監(jiān)測。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步建立原油處理生命周期碳排放模型，以明晰原油處理過程的“碳足跡”。

2.2 原油處理各環(huán)節(jié)碳排放分析

在碳排放分析過程中，將原油處理的生命周期分為上游、聯(lián)合站及下游3 個(gè)部分。其中上游包含了原油的開采及輸送至聯(lián)合站過程，聯(lián)合站部分包含了分離、凈化、外輸?shù)炔襟E，下游包含了原油的加工使用和最終的廢棄處理環(huán)節(jié)。原油的開采、裝儲、加工利用及運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)環(huán)節(jié)會直接或間接造成CO2等溫室氣體的排放，如圖3 所示。

圖3 原油生命周期碳排放示意

通過對原油處理生命周期的上游、聯(lián)合站及下游3 部分進(jìn)行碳排放源頭排查與篩選分析，確定了各環(huán)節(jié)的主要碳排放源，并以此作為建立原油生命周期碳排放量計(jì)算模型的主要參考，如表1 所示。

表1 各部分主要碳排放源

2.3 聯(lián)合站CO2 排放邊界及影響因素

本次研究主要針對聯(lián)合站生產(chǎn)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的碳排放開展，在進(jìn)行碳排放計(jì)算時(shí)，暫不考慮上游及下游的排放。在進(jìn)行碳排放計(jì)算分析時(shí)，將聯(lián)合站生產(chǎn)過程中燃燒產(chǎn)生的直接CO2排放、用電產(chǎn)生的間接CO2排放和原油的逸散排放均納入到油田聯(lián)合站CO2排放邊界內(nèi)。

聯(lián)合站環(huán)節(jié)產(chǎn)生的碳排放主要包括燃料燃燒產(chǎn)生的直接碳排放，外購電力產(chǎn)生的間接碳排放以及原油生產(chǎn)過程中因原油分離、設(shè)備泄漏、氣體逸散等造成的碳排放。在進(jìn)行碳排放計(jì)算分析時(shí)，影響油田聯(lián)合站碳排放的因素主要包括能耗類型和設(shè)備效能等。例如，不同種類的燃燒燃燒，其碳排放能力不同且生產(chǎn)過程中各設(shè)備的能效情況同樣會對聯(lián)合站整體的碳排放造成一定影響。對此，需要結(jié)合油田聯(lián)合站的實(shí)際生產(chǎn)過程，對各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的碳排放情況開展進(jìn)一步分析。

3 聯(lián)合站碳排放計(jì)算

3.1 聯(lián)合站碳排放源分析

為明確聯(lián)合站碳排放特性，提高碳減排方法的可靠性，根據(jù)原油碳排放的LCA，獲得了聯(lián)合站環(huán)節(jié)內(nèi)碳排放源，結(jié)果如表2 所示。

表2 聯(lián)合站碳排放源分析

為此，可列出聯(lián)合站的碳排放計(jì)算模型：

式中：Es——聯(lián)合站原油生產(chǎn)全過程碳排放量，tCO2e；Ers——加熱爐燃料燃燒產(chǎn)生的碳排放量，tCO2e；Epe——聯(lián)合站用電產(chǎn)生的碳排放量，tCO2e；Eloss——聯(lián)合站生產(chǎn)過程各類損失產(chǎn)生的碳排放量，tCO2e。

3.2 直接碳排放計(jì)算

為保證原油的正常分離、凈化，聯(lián)合站內(nèi)原油需要通過加熱、加壓等步驟。在該聯(lián)合站內(nèi)，熱能的獲取主要通過天然氣的直接燃燒。天然氣直接燃燒所導(dǎo)致的碳排放量采用物料平衡算法進(jìn)行計(jì)算：

式中：i——燃料品種；FiQ——燃燒燃料品種i的用量，t；CiR——燃料品種i的碳轉(zhuǎn)化率，%；——燃燒品種i的含碳量，%。

3.3 間接碳排放計(jì)算

在聯(lián)合站內(nèi)，除了燃料燃燒產(chǎn)生的直接碳排放外，購入電力和熱能均會間接產(chǎn)生碳排放。本聯(lián)合站熱能通過加熱爐燃燒天然氣為聯(lián)合站提供熱能需求，因此本次計(jì)算不考慮外購熱能產(chǎn)生的間接碳排放。該站內(nèi)無自備電廠，提升泵、外輸泵等電機(jī)運(yùn)行所需的電能均通過電網(wǎng)購買獲得，在外購電力的同時(shí)，間接造成了碳排放。目前，國內(nèi)電網(wǎng)分為6個(gè)區(qū)域電網(wǎng)。隨著各區(qū)域電網(wǎng)間的互聯(lián)程度不斷加深，對于單個(gè)終端用戶來說，無法保證使用電力僅來源于本地或本省的電廠。為此，在計(jì)算碳排放量時(shí)，采用全國統(tǒng)一的電網(wǎng)平均碳排放因子。故外購電所造成的碳排放量計(jì)算公式如下：

式中：AD——企業(yè)凈購入的電力消費(fèi)，MW·h；EF——電力供應(yīng)的碳排放因子，tCO2/（MW·h）。

3.4 原油損失碳排放計(jì)算

在聯(lián)合站運(yùn)行過程中，除用能消耗引起的碳排放外，油氣的分離、逸散和設(shè)備泄漏等均會造成碳排放。因此，在進(jìn)行聯(lián)合站碳排放分析計(jì)算時(shí)，需要綜合考慮各方面的碳排放因素。現(xiàn)階段，由于實(shí)際生產(chǎn)環(huán)節(jié)中氣體的分離、逸散、揮發(fā)等難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)監(jiān)測，同時(shí)氣體中組分也會隨時(shí)發(fā)生變化，導(dǎo)致碳排放分析難度較大，并且各環(huán)節(jié)損耗量也會造成計(jì)算誤差的增加，降低碳排放計(jì)算的準(zhǔn)確性?；诖?，考慮到分離、逸散過程產(chǎn)生的溫室氣體主要為CH4，本文在計(jì)算過程中將損耗量近似為CH4排放，并根據(jù)IPCC 第五次評價(jià)報(bào)告中提出的100 年內(nèi)CH4的全球變暖潛勢（GWP）是CO2的28倍，將產(chǎn)生的CH4折算為CO2進(jìn)行計(jì)算分析，最終計(jì)算得到相對應(yīng)的二氧化碳排放量。

式中：Moil——聯(lián)合站原油輸入量，t；β——聯(lián)合站原油平均損耗，%。

3.5 聯(lián)合站碳排放計(jì)算

在該聯(lián)合站內(nèi)，為保證原油的溫度和保障冬季的生活供熱，聯(lián)合站內(nèi)采用燃?xì)鉅t作為熱力來源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該站年消耗天然氣為129.72×104m3，根據(jù)公式（2），可以計(jì)算聯(lián)合站內(nèi)外輸環(huán)節(jié)燃?xì)鉅t的年碳排放量為2 776.74 tCO2e。

在聯(lián)合站內(nèi)的凈化、外輸環(huán)節(jié)，為保證原油壓力，采用提升泵給原油外輸增壓，年耗電782.27×104kW·h。根據(jù)公式（3），排放因子采用最新全國電網(wǎng)平均排放因子0.570 3 tCO2/（MW·h），則可計(jì)算加壓環(huán)節(jié)提升泵的碳排放量為4 461.29 tCO2e。

在儲存、裝卸以及原油處理過程中，油氣逸散、原油泄漏等問題均會造成碳排放的增加。在該站內(nèi)，日均進(jìn)油約2 800 t，原油損耗率約0.061 5%，根據(jù)公式（4），計(jì)算可得該聯(lián)合站因原油損耗所造成的碳排放量為17 598.84 tCO2e。

根據(jù)公式（1），計(jì)算得到聯(lián)合站的年度運(yùn)行總碳排放量為24 836.87 tCO2e。其中，熱耗、電耗和原油損耗產(chǎn)生的CO2排放量分別占11.18%、17.96%和70.86%，如圖4 所示。

圖4 聯(lián)合站各能源消耗碳排放占比

可以看出，在聯(lián)合站運(yùn)行過程中，電能消耗所造成的間接碳排放占比達(dá)17.96%。在聯(lián)合站多年的優(yōu)化提升中，將電能作為站內(nèi)的主要能源，這也使得電能消耗所造成的碳排放量較多。此外，在計(jì)算聯(lián)合站實(shí)際生產(chǎn)工藝中的碳排放過程時(shí)，由原油損失造成的碳排放占比達(dá)到70.86%，碳排放量大，如忽視該部分碳排放，計(jì)算結(jié)果相較實(shí)際情況會偏小。

4 聯(lián)合站碳減排技術(shù)探討

4.1 優(yōu)化簡化處理工藝

在考慮聯(lián)合站碳減排過程中，針對原油處理流程進(jìn)行優(yōu)化，如圖5 所示，能夠有效減少聯(lián)合站生產(chǎn)過程的能源消耗。為此，針對聯(lián)合站內(nèi)的原油處理工藝系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)能流分析，在確保聯(lián)合站功能的基礎(chǔ)上，尋找流程優(yōu)化的可行性。

圖5 工藝流程優(yōu)化示意

通過對聯(lián)合站內(nèi)的原油處理工藝系統(tǒng)分析，整合該聯(lián)合站內(nèi)的分離、沉降過程，選用“快速破乳＋高效分離器”技術(shù)，加快前端高效分水。其中：快速破乳技術(shù)是通過快速破乳劑，迅速破壞乳狀液的穩(wěn)定性，使油滴迅速聚集，并使其迅速分離為油相和水相，從而提高油水分離效率；采用高效分離器進(jìn)一步提升對采出原油的脫水能力，降低原油中的含水率。在優(yōu)化工藝流程的同時(shí)，減少了天然氣消耗1 344 m3/d，電機(jī)功率消耗降低12 kW，全年碳排放量減少1 115.61 tCO2e，占碳排放量的4.49%。

4.2 新能源發(fā)電

新能源發(fā)電具有清潔、低碳等多種優(yōu)勢，是一種環(huán)境友好型的能源利用形式，也是現(xiàn)階段清潔能源技術(shù)的著重發(fā)展對象。將新能源發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于聯(lián)合站實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過程中，能夠有效減少外購電，明顯降低聯(lián)合站的整體碳排放。

在優(yōu)化聯(lián)合站內(nèi)的工藝流程后，減少了分離器及大罐的數(shù)量，空閑區(qū)域可布置面積約19 430 m2的分布式光伏電站，共計(jì)可安裝光伏組件2 160 kW，年發(fā)電量283.74×104kW·h，減少年度運(yùn)行碳排放量1618.17 tCO2e，占碳排放量的6.52%。

4.3 生態(tài)碳匯

森林中的植物通過光合作用吸收大氣中的CO2并將其轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，固定在植被或土壤中。作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，森林在參與碳循環(huán)、維持全球生態(tài)平衡、保護(hù)生態(tài)安全、預(yù)防生態(tài)危機(jī)發(fā)生等方面有著舉足輕重的作用。目前，森林是陸地上最大的儲碳庫，根據(jù)山東省林業(yè)局布數(shù)據(jù)進(jìn)行估算，每平方米森林固定CO2量約為15 kg。

聯(lián)合站建設(shè)選址通常選擇在遠(yuǎn)離居民區(qū)的位置，周圍有大片荒地。為充分利用該建設(shè)條件，在聯(lián)合站周圍可利用土地進(jìn)行植樹造林，提升生態(tài)碳匯能力，進(jìn)而間接降低聯(lián)合站的碳排放。

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)之間矛盾的日益增長，擴(kuò)大森林覆蓋面積是實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，減少碳排放的重要措施。相較于其他減排方式，森林碳匯所需要的成本較低。除了栽種樹木所需的成本支出外，其他支出費(fèi)用較低，同時(shí)，林產(chǎn)品所得的經(jīng)濟(jì)收益，能夠進(jìn)一步減少建設(shè)過程中的部分成本。

5 結(jié)論

本文以勝利油田某聯(lián)合站為研究背景，對聯(lián)合站內(nèi)不同設(shè)備和生產(chǎn)過程的碳排放情況開展研究分析，在原油集中處理過程中定位了燃料燃燒、外購電能以及原油損耗三大碳排放源。針對不同碳排放源，采用碳排放因子法和物料平衡算法，建立了碳排放計(jì)算模型，計(jì)算了聯(lián)合站內(nèi)的碳排放情況。主要結(jié)論如下：

1）聯(lián)合站年度運(yùn)行過程產(chǎn)生的CO2排放量為24 836.87 tCO2e，其中，因熱耗、電耗和原油損耗產(chǎn)生的CO2排放量分別占總排放量的11.18%、17.96%和70.86%。

2）結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)工藝流程提出了針對性優(yōu)化方法，并集成分布式光伏電站實(shí)現(xiàn)了良好的碳減排效果。計(jì)算結(jié)果表明，優(yōu)化生產(chǎn)工藝和集成光伏發(fā)電分別能夠減少4.49% 和6.52% 的碳排放。同時(shí)，通過利用生態(tài)碳匯的方式，充分利用站外資源與環(huán)境，利用樹木進(jìn)行固碳，能夠進(jìn)一步提高聯(lián)合站良好的碳減排效果，并獲得較好的環(huán)境與經(jīng)濟(jì)效益。