基于分析的轉油站系統用能薄弱環節辨識

1. 中國石油規劃總院, 北京 100083;2. 東北石油大學提高采收率教育部重點實驗室, 黑龍江 大慶 163318;3. 中國石油北京油氣調控中心, 北京 100083

0 前言

油田轉油站系統涉及機械能、熱能與電能之間的相互轉化[1]。對工程系統進行用能分析時普遍采用以熱力學第一定律為基礎的能分析法,我國學者基于該方法對油田集輸系統能耗進行過多次評價分析[2-3]。安慕華[4]等人通過對勝利油田某聯合站幾年來的能耗分析及對相關能耗設備的測試,運用熱力學及傳熱學的相關知識計算分析,找出油田進入高含水階段聯合站能耗大幅度增加的原因。周英明等人[5]采用灰色系統理論分析法,定量分析集輸系統能量消耗的影響因素,確定了計算灰色關聯系數,并建立了灰色關聯序。馬茹[6]利用“三環節”法建立聯合站能耗評價指標,對聯合站的熱量利用情況進行細致分析,找出系統用能薄弱環節。

隨著熱力學理論的發展,以熱力學第二定律為基礎的熵分析法和分析在工程實際中逐漸開始應用。能分析法和分析的根本區別在于分析明確了不同能量中所具有的質的差別,并在分析中同時體現能的量和質的作用。本文基于分析理論,以大慶油田某轉油站原油集輸系統進行用能分析,對系統中各設備、單元的用能情況進行評價,揭示出具備節能潛力的設備,辨識用能薄弱環節,為系統的節能改造提供科學、有效的方法和依據[7]。

該轉油站系統主要由計量分離器、三合一裝置、摻水泵、二合一加熱裝置、外輸泵及管道等設備組成,當前油田使用的加熱爐、摻水泵、外輸泵等設備運行時需要外界供給天然氣或電能才能運行,管道運行時無需外界提供能量,因此為便于分析,將二合一加熱緩沖裝置、外輸泵及摻水泵需要外界提供能量的設備劃分到同一子系統,稱為轉油站子系統。無需外界提供能量便可運行的管道設備劃分到管網子系統,主要包括井口到計量間、計量間到轉油站兩段管網。原油集輸系統子系統劃分見圖2。

表12017年進站基本參數統計

月份進轉油站壓力/MPa進轉油站溫度/℃進站液相流量/(m3·d-1)加熱爐耗氣量/(m3·d-1)10.2738.53 813.319 102.820.25403 603.616 057.730.27403 440.019 282.240.2737.53 112.416 094.550.25393 258.315 142.760.25393 256.514 195.070.2732.83 198.110 081.880.2732.83 376.79 849.790.2531.73 402.09 716.1100.2536.23 743.013 644.2110.2736.24 008.917 067.1120.2538.13 873.218 840.4

表22017年出站基本參數統計

月份摻水泵輸油泵出口壓力/MPa出口溫度/℃水泵流量/(m3·d-1)耗電量/(kW·h)出口壓力/MPa出口溫度/℃油泵流量/(m3·d-1)耗電量/(kW·h)外輸氣流量/(m3·d-1)11.7760.02 072.12 034.10.8337.21 741.2515.211 193.321.7765.41 885.51 980.90.8338.01 718.1514.88 628.331.78641 785.02 001.40.8437.51 723.6493.911 860.741.7754.21 491.42 060.20.8335.81 621.0507.811 979.451.7659.31 628.91 513.60.8338.01 629.4502.910 210.961.8058.01 523.01 541.00.9038.01 733.5560.09 964.571.7532.51 439.12 128.10.8731.51 759.1636.010 081.881.7432.51 758.81 969.90.8632.01 617.9560.09 849.791.7631.51 851.52 022.20.8630.71 550.5552.09 716.1101.7549.02 161.92 059.50.8635.11 581.1496.09 970.6111.7454.52 111.32 045.20.8434.71 897.6650.411 366.7121.7857.62 040.22 047.00.8137.11 833.0556.812 069.4

2.1 轉油站子系統分析模型

輸入轉油站子系統的是來自各計量間的油、氣、水混合物,輸出轉油站子系統的是含水原油、天然氣以及回輸計量間的熱水,系統的供給是燃料(天然氣)和電。轉油站中主要耗能設備為二合一加熱爐、外輸泵和摻水泵,而三合一分離器只分離計量間來液,壓力、溫度變化很小,能耗較低,只有流的流入和流出,在建立轉油站分析模型時不作為主要能耗分析對象,重點考慮耗能高的設備。轉油站子系統作為重點分析的系統可直接進行灰箱分析,分析模型見圖3[8-9]。

圖3 轉油站子系統分析模型

圖3中Exm1為進入轉油站油、氣、水混合物的物流；Exm2、Exw、Exg分別為輸出轉油站的含水原油、加熱增壓后的摻水以及站內分離出的天然氣；Exl1、Exl2、Exl3分別為外輸泵、加熱爐、摻水泵外部損失；Exf、Exe1、Exe2分別為加熱爐消耗的燃料、外輸泵、摻水泵供給電。

(1)

式中:E(xef)b為轉油站子系統有效耗,kJ/h;E(xsup)b為轉油站子系統總供給,kJ/h。

E(xef)b=Exm2+Exg+Exw-Exm1

(2)

(3)

式中：m為質量,kg;ρ為密度,kg/m3;p0為環境壓力,Pa。

(4)

式中：cp為定壓比熱，J/(kg·℃),T0為環境溫度,℃。

Exm=Ex,Δp+Ex,h

(5)

E(xsup)b=Exf+Exe1+Exe2

(6)

Exf=Q·N

(7)

式中：Q為加熱爐耗氣量,m3/h;N為天然氣比,37.3 MJ/m3。

(8)

式中:λi為各單元設備的損系數;i為單元設備數量,臺。

(9)

2.2 管網子系統分析模型

管網子系統由井間集油管線、摻水管線和站間集油管線、摻水管線組成。無論井間集油管線還是站間集油管線都是雙管式,且物流都做相向流動。管網子系統的流組成中不含供給,每條管線只有輸入、輸出和損失。管網子系統是系統耗能的主要環節,模型見圖4[11]。

圖4 管網子系統分析模型

Exm1+Exw1=Exm2+Exw2+Exlm+Exlw

(10)

式中:Exm1、Exm2為輸入和輸出管網的油、氣、水混合流的物流,kJ/h;Exw1、Exw2為輸入和輸出管網回摻水的物流,kJ/h;Exlm、Exlw為混合流管線和摻水管線的損,kJ/h。

Exlm、Exlw的計算式為:

Exlm=Exlinm+Exloutm

(11)

Exlw=Exlinw+Exloutw

(12)

(13)

3.1 轉油站子系統分析結果

圖5 進轉油站子系統流

圖6 出轉油站子系統流

圖7 轉油站子系統耗

圖8 轉油站子系統效率

3.2 管網子系統分析結果

圖9 進管網子系統流

圖10 出管網子系統流

圖11 管網子系統耗

圖12 管網子系統效率

3.3 子系統分析結果對比

對比分析轉油站子系統及管網子系統,結果見圖13～14。

圖13 子系統耗對比

圖14 子系統效率對比

4 用能薄弱環節辨識

4.1 轉油站子系統損分布

圖15 全年加熱爐損系數

圖16 輸油泵機組損系數

圖17 摻水泵機組損系數

圖18 轉油站子系統損分布

由圖15～18可得,在用能情況較薄弱的轉油站子系統中,加熱爐所產生損占比高達80以上,在7～9月加熱爐停爐工況下該系統運行情況有明顯提高。綜上所述,在大慶某轉油站原油集輸系統運行過程中,用能薄弱環節為站內子系統,其中損占比為:加熱爐損>摻水泵機組損>輸油泵機組損,有必要進行爐效提高措施或進行設備更換，以實現油氣集輸系統節能降耗目的[14]。

4.2 加熱爐損分布情況

通常可將加熱爐運行過程分為燃燒反應過程、排煙過程、冷卻過程、散熱過程、換熱過程等部分[15-16],將其損分為外部損和內部損,各部分損失計算過程可參考文獻[17]中式(9)～(16)[17-18]。加熱爐各部分損計算結果見圖19～20。

圖19 加熱爐外部損分布

圖20 加熱爐內部損分布

5 結論

4)大慶某轉油站加熱爐運行時其內部燃燒過程、冷卻過程、換熱過程占比較大,換熱過程損占總損失30以上,因此加熱爐為該轉油站集輸系統用能最薄弱環節。