天然氣分布式能源聯供技術在油氣田集氣站的應用

李正茂，王紅濤

分布式能源

天然氣分布式能源聯供技術在油氣田集氣站的應用

李正茂，王紅濤

（中國石化撫順石油化工研究院，遼寧撫順113001）

油氣田企業供能多采用分產分供方式，能源利用率低，能耗偏高。天然氣分布式能源可提高系統供電安全性和能源利用率。利用天然氣發電，可滿足集氣站用電需求，利用煙氣和高溫缸套水提供站內所需熱量。智能管控系統實現數據實時傳輸和遠方監控。自動控制裝置，通過控制三通閥開度，滿足不同季節所需負荷和溫度變化。

分布式能源系統；熱電聯供；內燃發電機；換熱器；水套加熱爐

0 引言

油氣田企業大都處于較為偏遠的區域，油氣井呈現點多面廣的分布特點。隨著勘探開發的深入，生產規模不斷擴大，對供能安全性、可靠性和經濟性要求越來越高。當前，在生產用能過程中普遍存在以下問題：

1）供能主要采用分產分供方式，能源利用率低，能耗偏高；

2）電力主要采用網購方式，每年要支付數額可觀的購電費，生產運行成本高；

3）工藝加熱和保溫直接采用燃油或燃氣方式，熵損失大；

4）配電網普遍采用架空線路長距離供電，線損大，供電安全性差；

5）低壓伴生氣主要采用燃燒排空方式處理，不僅浪費資源，而且會對環境造成影響。

選擇適宜位置建設分布式能源站，利用排空低壓伴生氣，按照能量梯級利用的原則實現區域熱電聯供，是解決油氣田能源利用率低、供電安全性差、排空天然氣污染環境等問題的有效手段。

集氣站是連接氣井與管網的中間環節，主要是用于收集氣田產出的天然氣，并對其進行降壓、分離和凈化處理，脫除雜質、水、凝析油和酸性物質，使天然氣達到符合管輸要求的條件，然后輸往長輸管道。[1]隨著天然氣開發力度的加大，集氣站數量呈現快速增長的趨勢，但大多數集氣站普遍存在管理粗放、用能方式不合理和能源利用率低的問題。集氣站生產過程中有電、冷、熱負荷的需求，同時有低壓放空天然氣，是開展分布式能源聯供的較佳的場所。

隨著全球經濟的快速發展，如何保證能源供應的可靠性和資源利用的合理性，減少對環境的破壞，成為保證經濟穩定發展必須解決的當務之急。分布式能源聯供系統可以實現能源的梯級利用，提高能源整體利用效率。在美國、日本等發達國家，分布式能源已經成為公用建筑領域重要的供能方式和手段。2003年，分布式能源總裝機5600萬kW，占全美電力裝機的7%，發電量占9%[2]。

本文在深入分析西北油田某天然氣集氣站的電、熱需求的基礎上，開發了一套天然氣熱電聯供和智能管控系統。實際運行情況表明，利用天然氣發電機可滿足集氣站電負荷需求，利用煙氣和缸套水余熱可以替代原水套爐滿足站內生產、生活用熱需求，天然氣能源綜合利用效率達到74.2%。智能管控系統實現數據實時傳輸、遠方監控和自動控制。自動控制裝置，通過控制三通閥開度，滿足不同季節所需負荷和溫度變化。

1 應用實例

1.1 天然氣集氣站簡介

西部油田某采氣廠集氣站，主要任務是收集開采出的天然氣，對其進行脫水和回收凝析液，處理后輸往采氣廠繼續處理后進入輸氣管網。其中低壓井油氣經過分離處理后壓力低，數量少，投運壓縮機升壓后輸往采氣廠不經濟，主要采用排空燃燒方式處理。

1.2 集氣站用能分析

集氣站所需的能源主要是電能和熱能，其中電負荷400kW，主要為丙烷壓縮機和各類泵提供動力，采用外購方式，引自當地110kV變電所，通過架空線引至集氣站。熱能用于油氣分離、油罐保溫和冬季采暖，配有兩臺水套加熱爐，分別為1臺400kW（#1）和1臺200kW（#2）燃氣水套爐，燃料為低壓天然氣。

集氣站的電能由地方電網提供，每年要支付168萬元的購電費，單回路供電電網出現故障時，直接影響站內的正常生產。集氣站低壓井氣分離后除為水套爐提供燃料外，主要采用排空火炬燃燒方式處理，不僅造成資源的浪費，而且造成對環境的污染。

根據現場用能需求，擬采用熱電聯供方案，用以滿足生產需要，提高能源的綜合利用率[3-5]。新上一臺內燃發電機組，利用低壓排空天然氣為燃料，為集氣站提供所需的電能；利用發電機高溫煙氣和缸套水，通過換熱器為水套爐水提供熱量，滿足原油加熱油氣分離和油罐伴熱保溫所需熱量。發電機并入變電站母線與地方電網相連，采用并網不上網的運行方式。當發電機發生故障，通過地方電網向集氣站送電，水套爐通過燃燒天然氣提供熱量，保證集氣站正常供能，提高整個系統的安全系數。

1.3 天然氣熱電聯供方案

通過對現場所需電、熱負荷進行綜合計算并結合遠期發展規劃，確定熱電聯供裝置規模和工藝流程。其中，發電機組采用600kW天然氣發電機，針對煙氣和缸套水兩部分余熱，采用400kW煙氣余熱利用裝置和200kW缸套水余熱利用裝置，同時配套相關的控制測量設備。

天然氣熱電聯供系統如圖1所示。內燃發電機利用低壓排空天然氣發電，發出的電經變壓器升壓后并入處理站變電所10kV母線，供全站電源。供熱方面，根據使用用途及現場工藝流程特點分成兩個部分。天然氣內燃機發電機組燃燒后排放的煙氣可達到550℃，通過熱管式換熱器，將進水加熱到90℃，并入400kW水套爐，用于凝析油加熱進行油氣分離。內燃機的高溫缸套水出水溫度為75℃，通過板式換熱器將進水加熱到60-70℃，并入200kW水套爐，為凝液儲罐和底水罐提供保溫伴熱。

煙氣和缸套水控制閥的控制點分別為凝析油出口溫度和#2水套爐出水溫度，溫度控制可在就地PLC控制柜由通過授權的操作人員可進行修改，以滿足不同季節生產的需求。另外在兩余熱利用回路之間設置切換閥，當夏季#2水套爐不運行時，可實現回收缸套水熱量并入#1水套爐，用于凝析油加熱進行油氣分離。當出現發電機故障或站內電負荷減少，余熱利用裝置無法滿足生產所需熱量時，水套爐可通過補燃天然氣的方式滿足生產需要熱量。

圖1 天然氣熱電聯供系統示意圖

1.4 智能管控方案

建立智能管控系統實現數據實時傳輸，遠方監控、自動調整。遠傳監控系統解決了分布式電源系統發電、負荷、儲能、非電量數據傳輸、實施動態可視監控，就地、遠方協調控制技術。

數據采集網絡系統如圖2所示，采集現場所需運行參數，通過光纜傳輸到現場集控室。在集控室內可實時了解運行參數、趨勢、報警情況和裝置能源利用效率。在集控室通過局域網將數據上傳至生產系統，可實現遠程數據監控。

在發電機組排煙口加裝電動控制三通閥，控制進熱管換熱器的煙氣量，進而控制400kW水套爐出口油溫；在發電機、缸套水出口處加裝電動控制三通閥，控制進入板換的熱水流量，進而控制200kW水套爐出水溫度。

當檢測到400kW水套爐出油溫度高于設定值時，關小至熱管換熱器開度，開大至煙氣旁路直通門開度。當檢測到400kW水套爐出油溫度低于設定值時，開大至熱管換熱器閥門，關小至煙氣旁路直通門開度。

當檢測到200kW水套爐出水溫度高于設定值時，關小至板式換熱器開度，開大至發電機空冷器開度。當檢測到200kW水套爐出油溫度低于設定值時，開大至板式換熱器開度，關小至發電機空冷器開度。

采用余熱利用控制系統能夠根據現場實際需求變化，通過調整溫度設定，自動調整煙氣和混水三通閥開度，保證工質出口溫度達到工藝要求，同時保證發電機組連續正常工作。

圖2 數據采集網絡配置圖

圖3 遠傳監視控制系統

2 運行效果分析

2.1 實際運行參數

集氣站熱電聯供系統自2014年6月份開始建設，10月底完成整體建設（裝置如圖4所示），并進行現場調試工作。

圖4 熱電聯供現場裝置

2.1.1運行數據

1）發電機實際功率：400kW

2）天然氣耗量：124.16N m3/h

3）#1水套爐：進水溫度：68.3℃；出水溫度：75.2℃；流量：45.09t/h。

4）#2水套爐：進水溫度：50.8℃；出水溫度：58.6℃；流量：18.95t/h。

2.1.2工藝計算

換熱器換熱量：

式中Q—熱量，M J；

c—水的比熱，kJ/（kg·℃）；

qv—質量流量，t/h；

t1—進水溫度，℃；

t2—出水溫度，℃。

#1水套爐換熱量：

Q1=1331.49M J

#2水套爐換熱量：

Q2=618.85M J

根據現場檢測的數據，天然氣的低位發熱量為36.8M J/Nm3。

能源綜合利用率：

式中η—能源綜合利用率，%；

W—發電功率，kW；

Q1—#1水套爐換熱量，M J；

Q2—#2水套爐換熱量，M J；

B—天然氣體積流量，N m3/h；

QL—天然氣低位發熱量，M J/Nm3。系統天然氣能源綜合利用率：

2.2 效益分析

整套熱電聯供裝置投資為150萬元。

按發電機組年運行7000h，平均運行功率為400kW，天然氣價格1.6元/N m3，當地網電0.6元/kW h計算。

年減少網購電280萬度，節約購電費168萬元。回收熱量替代天然氣加熱水套爐，按熱量計算每小時可節約天然氣58.89N m3，年節約天然氣41.22萬Nm3。

年發電需耗天然氣86.91萬N m3，比原來用水套爐加熱多耗45.69萬Nm3。

按放空天然氣回收并以市場價計算，該項目年降本94.9萬元，靜態投資回收期為1.6a。

利用放空天然氣或油田伴生氣發電，可以減少伴生氣排空污染，減少天然氣、電能的輸送損耗，實現自發電與網電的相互備用，提高集氣站供電的可靠性。回收利用發電機煙氣和缸套水熱量用于滿足集氣站內加熱需求，可減少加熱爐燃料消耗，降低生產運營成本，提高企業盈利能力。對于處于偏遠地區，電網基礎相對薄弱的地方，采用熱電聯供的方式替代利用柴油發電機的方式，可大幅提高能源綜合利用率，降低生產運行成本。如果采取適當方法，對節省下的天然氣進行進一步處理，回收附加值高的輕烴組分，經濟效益將更可觀。

3 結語

采用熱電聯供方式提高集氣站能源利用效率在技術上和經濟上都是可行的，綜合能源利用效率可達74.2%。該技術還可廣泛應用于油氣田集輸站、聯合站、污水處理站、天然氣凈化廠等場所。采用天然氣分布式發電與網電構成雙電源模式，提高了系統的安全性。天然氣分布式能源聯供技術與油氣田生產需求有機地結合，能夠滿足企業多種用能需求，減少天然氣和電能的輸配損失，提高能源利用效率，減少碳排放和煤電比例，具有更深層次的環保節能意義。

[1]王遇冬.天然氣處理原理與工藝[M].北京：中國石化出版社，2007.

[2]華賁.天然氣分布式供能與“十二五”區域能源規劃[M].廣州：華南理工大學出版社，2012.

[3]連紅奎，李艷.我國工業余熱回收利用技術綜述[J].節能技術，2011，29（2），123-128.

[4]高春陽.天然氣供熱鍋爐排煙余熱回收的經濟性研究(碩士學位論文) [D].西安:西安交通大學，2003.

[5]楊存章.推廣應用煙氣余熱利用技術降低蒸汽鍋爐排煙熱損失[J].油田節能，2005，16（1），42-43.

Application of Natural Gas Distributed Energy Cogeneration Technology in Oil and Gas Field

LI Zheng-mao，WANG Hong-tao
（Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals，SINOPEC，Fushun 113001，China）

The energy supply of oil and gas field enterprises is divided into different m odes of production and distribution.N aturalgas distributed energy can im prove the power supply security and energy efficiency.Using naturalgas, gas gathering station can m eetthe dem and forelectricity,the use ofhigh tem perature flue gas and cylinderw aterprovide the required heatstation.Intelligentcontrolsystem to achieve real-tim e data transm ission and rem ote m onitoring.The autom atic controldevice,the controlvalve opening,to m eetthe differentneedsofseasonalload and tem perature change.

distributed energy system；com bined heat and pow er；diesel generator；heat exchanger；w ater jacket furnace

TK 019

B

2095-3429（2017）01-0001-05

2016-11-16

修回日期：2016-12-28

李正茂（1974-），男，山東煙臺人，學士，高級工程師，從事天然氣分布式能源和節能技術研究。

D O I：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.01.001