油氣集中處理站節能降耗與優化技術研究

李巖芳，韓光明，胡桂秋，李江飛

(1.承德石油高等?？茖W校 熱能工程系，河北 承德 067000;2.承德石油高等?？茖W?？萍及l展與校企合作處，河北 承德 067000)

油氣集輸系統是油田生產的重要組成環節，它的技術工藝、能量消耗對整個油田的運行成本起著重要作用。隨著油田進入高含水開發中后期，油氣處理難度和成本都將急劇增加。對油氣集中處理站系統進行技術改造可以降低原油處理能耗和成本，這也是目前節能降耗的主要途徑。但是進行技術改造需要大量的資金投入，在資金投入不足的情況下，通過對油氣集中處理站的運行參數進行優化調整，也可以實現節能降耗的目的。這種方法主要是著眼于現有的系統，投資少、成本低。以高青油氣集中處理站系統為研究對象，探討通過參數優化與流程改造以降低集輸系統能耗的方法。

1 油品物性分析

對高青油氣集中處理站的進站油樣進行油品物性分析，包括密度、粘溫特性和凝點等，研究這些參數可以為節能降耗技術方案提供有力的依據。影響原油乳狀液破乳的因素很多，包括原油乳狀液的性質、原油破乳劑的性質、外界脫水條件等。在一定脫水溫度下，對比加入不同數量的破乳劑后，脫水率、脫水速率、脫出水含油率以及油水界面狀態，得出破乳劑的破乳效果與加藥濃度的關系，尋找合理的破乳劑濃度，以減少破乳劑投加量，節約投資。在不同的脫水溫度下，對比加入相同數量的破乳劑后的脫水率、脫水速率、脫出水的含油率以及油水界面狀態，得出經濟合理的破乳溫度，以降低加熱爐的負荷，節約燃料。

通過實驗研究得到如下結論:a通過密度測定實驗，擬合出高青聯合站進站原油密度隨溫度變化的經驗公式;b通過粘溫特性的實驗研究，繪制了粘溫特性曲線;c通過分析油品物性及破乳對比實驗，得出經濟的破乳溫度。

2 油氣集中處理站系統模型的建立與求解[1］

1)由于站內工藝流程已經確定，站內與油氣處理直接相關的各種運行費用主要為藥劑消耗、燃料消耗、電費三方面，系統目標函數可以表示為:

2)優化變量的確定。油氣集中處理站的運行參數很多[2］，但是并不是所有參數都可以作為優化變量，有些運行參數對優化變量沒有影響，有些參數不能獨立確定，而依賴于其他的工藝參數，如外輸溫度等。通過對工藝流程的分析，確定本優化的優化變量為:

式中:C1—進站加藥濃度;T1—進站加熱爐出口溫度。

各變量對目標函數的影響為:a加藥濃度影響沉降罐的沉降脫水效果，加藥濃度越高，脫水效果越好，從而使得加熱爐出口油溫可適當降低，從而減少了燃料費;但是加藥濃度高，會使得藥劑費用增加，因此必須優選加藥濃度。b加熱爐溫度越高，脫水越容易、脫水效果越好，但是加熱爐的能量消耗必然越大，因此不能盲目追求脫水器的高工作溫度，應在滿足油水指標的條件下盡量降低電脫水器的工作溫度。

由上述各式及必要的工藝條件就組成了聯合站參數優化的數學模型，該優化模型顯然是有約束的非線性最優化問題，為了提高計算的速度和準確性，編制計算機程序進行求解。

3 油氣集中處理站系統用能狀況分析

油氣集中處理站節能降耗研究主要涉及到系統效率、能耗合理性分析方面。系統效率主要反映該系統在油氣處理過程中所消耗能量的利用率;能耗合理性分析主要反映該系統各個環節能耗的大小、能耗的合理性和用能的薄弱環節。

對油氣集中處理系統進行用能狀況分析的基礎是能量平衡[3］。無論是系統內的集油管線、油氣處理的設備還是系統內子系統(如加熱爐系統、泵系統等)的用能分析，都建立在能量平衡的基礎上。具體做法是運用節點法，首先確定用能分析的對象，然后建立節點系統的能量平衡，并計算能量平衡式中的各項能量，最后根據對象的功能分析各項能量的利用情況。

從能流圖1可分析出影響高青油氣集中處理站生產能耗的主要因素包括以下幾個方面:

①被加熱的污水量;②加熱爐效率;③泵運行情況;④節流損失。

對系統進行節點劃分如圖2所示。

通過節點法對系統各用能單元分析(以泵單元為例)。

以卸油泵和裝車泵為研究對象。通過分析計算，可得泵單元能流圖3。

由圖3可以得出以下結論:泵單元的有用功僅占電動機輸入能量的34.8%，30.0%的能量損失在出口節流上，即泵傳遞給介質能量的46.3%又消耗在出口閥門上(對于節流損失，由于本站流程簡單，管線較短，沿線節流部件較少，故為了簡化分析，近似認為節流損失主要發生在泵的出口閥門處)。

通過分析得到:1)高青油氣集中處理站加熱爐單元的有效熱負荷僅占加熱爐熱負荷的33.8%，燃料燃燒放出熱量的40.7% 被油中含水帶走;2)設備損失偏高，達總輸入熱量的25.5%，加熱爐效率偏低。

4 系統用能優化

以加熱爐為例進行優化分析。

對油樣進行不加破乳劑的沉降脫水實驗(沉降時間為35 min，溫度分別為進站原油的夏季油溫40℃，冬季油溫37℃)，以確定分水器出口原油的含水率;然后，在對油樣加入破乳劑(選用現用加藥比0.06‰)進行沉降脫水實驗，確定分水器出口原油的含水率，并與不加破乳劑時所測的含水率進行對比。實驗結果見表1。

表1 預分水可行性實驗數據對比表

通過對比實驗數據可知，在夏季進站油溫40℃、冬季進站油溫37℃下，對油樣加入0.06‰破乳劑后，再進行分水，油水界面清晰，水層較清澈，分水效果明顯。進行預分水實驗，得到分水前原油加熱熱負荷與分水后加熱熱負荷對比如圖4。

Q1—加熱含水原油的熱負荷;Q0—加熱不含水原油熱負荷;q—含水率。

由圖4可知，高青站加熱爐進口原油含水由40%降到15%，站內熱負荷可以減少23%。

以上實驗結果證明，預分水可行。因此，建議在加熱前、加藥點后增設一臺分水器，使加藥后的管線來油和車倒油先進入分水器沉降，分出一部分水后，再進入加熱爐加熱。

利用原油物性參數，根據優化模型進行優化，得優化前后用能對比情況如圖5。

如圖5所示，增設預分水后，高青站熱能利用率可提高至54.7%，近原來的兩倍;加熱爐燃料用量可減少約26.4%。為防止分水后油流流量減小、加熱爐熱負荷降低引起的加熱效率過低(目前也存在這樣的問題)，建議在預分水后只運行一臺加熱爐。

5 結論

1)由于高青油氣集中處理站的年運行費用主要由電費和藥費組成，對聯合站用電進行優化，效果將較顯著。

2)由系統能流圖可知，加熱污水，為能量流失的重頭，且屬于無用能量消耗。由結果可知，在加熱爐前、加藥點后增設預分水器，效果很明顯。建議在加藥點后，對進站原油進行預分水處理。采取預分水方式，可有效地減少加熱爐燃料消耗，減少無效熱負荷，從而降低油氣集中處理站運行費用。隨著油田的深度開發，原油含水將逐年增高，預分水處理的重要性也必將隨之提高。

[1]李巖芳，韓光明.聯合站工藝優化運行研究[J］.承德石油高等專科學校學報，2009(1):21－24.

[2]王曉明.白狼城-小河集輸聯合站優化運行研究[D］.西安:西安石油大學，2013.

[3]油田油氣集輸設計技術手冊編寫組.油田油氣集輸設計技術手冊(上冊)[M］.北京:石油工業出版社，1994.