油田脫水站能耗分析與預測

鮑云波 呂莉莉

1大慶榆樹林油田開發有限責任公司

2中國石油天然氣股份有限公司規劃總院

我國大多數陸上油田，如大慶、遼河油田等均已開發多年，目前進入了高含水開發時期，出現了油氣產量逐年遞減、含水量大幅度上升、油氣處理能力過剩、生產能耗高、系統效率低、生產運營成本增加[1-3]等一系列問題。降低能量損耗、提高設備運行效率、減少成本投入，是提高石油生產企業經濟效益的重要途徑。針對油田生產面臨的上述問題，大慶、中原等油田通過采取高效節能設備、革新技術等措施對系統進行調整改造，使系統的能耗指標大為改善[4-7]。所采用的高效設備主要包括：高效三相分離器、真空相變加熱爐、熱泵回收含油污水余熱、常溫游離水脫除、機泵系統改造、加熱爐改造等。集輸系統的調整改造通過采取“加強聯網、能力互用、挖潛利舊、控制規?！钡霓k法，充分利用地面系統的剩余能力和已建工程，避免出現設備的閑置和浪費現象[8-10]。脫水站作為集輸系統的關鍵環節，在集輸過程中消耗了大量能量，針對某采油廠脫水站，研究了其能量消耗現狀，找出工藝設備存在的問題和薄弱環節，進而提出有針對性的調整改造措施。

1 油田脫水站工藝流程

油氣集輸工藝流程是指油井產出的油、氣、水混合物按一定順序通過管道連續地進入各種設備和裝置進行處理，獲得符合質量標準的油氣產品。脫水站是油氣集輸過程中的關鍵處理環節。某采油廠脫水站工藝流程如圖1 所示。計量站來液進入油氣分離器進行氣液分離，分離后的氣體外輸，油水混合物進入匯管和轉油站來液混合，然后進入沉降罐進行油水分離，分離后的污水去污水站，原油經加壓、脫水后進入凈化罐，最后經加熱加壓后外輸。

圖1 脫水站工藝流程Fig.1 Process flow of dehydration station

2 脫水站能量平衡模型

2.1 能量平衡分析模型

能量平衡方法是一種大家公認的油田能耗分析方法，通過測試、分析被測單元輸入、輸出能量在數量上的平衡關系，掌握被測單元的耗能狀況及用能水平，確定被測單元的節能潛力與節能方向。脫水站能量平衡模型如圖2 所示。

圖2 脫水站能量平衡模型Fig.2 Energy balance model of dehydration station

脫水站能量平衡方程為

式中：EPhin為各種介質流入脫水站時相對于基準溫度所帶入的熱能，kJ/h；EPhout為各種介質流出脫水站時相對于基準溫度所帶出的熱能，kJ/h；EPpin為各種介質流入脫水站時相對于基準壓力所帶入的壓力能，kJ/h；EPpout為各種介質流出脫水站時相對于基準壓力所帶出的壓力能，kJ/h；EPh為外界供給脫水站的熱能，kJ/h；EPe為外界供給脫水站的電能，kJ/h；ΔEPh為脫水站的熱能損失，kJ/h；ΔEPp為脫水站的壓力能損失，kJ/h。

2.2 脫水站能耗評價指標

能量利用率為

式中：ηP為能量利用率，%。

電能利用率為

式中：ηPe為電能利用率，%。

熱能利用率為

式中：ηPh為熱能利用率，%。

2.3 設備能耗評價指標

2.3.1 機泵評價指標

泵機組效率為

式中：ηu為泵機組效率，%；Epout為泵輸出功率，kW；EIP為電動機輸入功率，kW。

節流損失率為

式中：ηv為泵出口閥節流損失率，%；ppout為泵出口壓力，MPa；pvpout為泵出口調節閥后壓力，MPa。

2.3.2 加熱爐評價指標

有效利用能量為

式中：E為有效利用能量，kJ/h；Q為介質流量，m3/h；T0為出口溫度，℃；T1為入口溫度，℃；ρm為介質密度，kg/m3；Cm為介質比熱容，kJ/(kg·℃)。

熱效率為

式中：ηh為正平衡熱效率，%；Q1為輸入能量，kJ/h。

3 評價結果

3.1 能耗分析結果

根據建立的能量平衡模型，對脫水站的生產運行參數進行測試，并進行了能耗計算，測試結果和能耗計算結果分別見表1、表2 和表3。

表1 脫水站入口生產運行數據Tab.1 Inlet production operation data of dehydration station

表2 脫水站出口生產運行數據Tab.2 Ooutlet production operation data of dehydration station

進一步分析可知，該站冬季熱損占總能損的比例為95.00%，壓損占總能損的比例為5.00%；夏季熱損占總能損的比例為89.00%，壓損占總能損的比例為11.00%。無論冬季還是夏季，熱損都大于壓損。因此，保證該站加熱爐的高效運行，增強站內設施保溫狀況是提高熱能利用率和能量利用率、降低能量損失的關鍵。

表3 脫水站各能耗計算結果Tab.3 Energy consumption calculation results of dehydration station

3.2 存在的主要問題

該脫水站能耗設備主要為加熱爐和機泵。其中：冬季運行5 臺加熱爐、3 臺機泵；夏季運行4臺加熱爐、2 臺機泵。加熱爐和機泵的節能監測評價結果分別見表4 和表5。

由節能監測評價結果可知：1#、2#脫水爐冬夏兩季空氣系數都不合格；2#脫水爐夏季熱效率不合格；2#采暖爐冬季熱效率、過?？諝庀禂怠⑴艧煖囟榷疾缓细瘢?#采暖爐冬季熱效率、過?？諝庀禂挡缓细瘢?#脫水泵、3#外輸泵冬夏兩季運行時的機組效率都不合格；2#脫水泵冬季的機組效率不合格。為了提高設備運行效率、降低能量損耗，需要結合站場的實際運行情況進行調整改造。

4 改造措施

4.1 加熱爐改造措施

通過對脫水站加熱爐的運行進行監測，發現熱效率低的主要原因是加熱爐配風偏大、燃燒不完全、負荷率低等。針對各加熱爐的運行情況，具體改造措施如下：

（1）1#、2#脫水爐增加空燃比和多參數串級反饋聯動控制系統，實時自動調節空燃比，合理調整配風量。

表4 加熱爐節能監測評價結果Tab.4 Energy-saving monitoring and evaluation results of heating furnace

表5 機泵節能監測評價結果Tab.5 Energy saving monitoring and evaluation results of pump

（2）1#、2#采暖爐安裝氧量自動控制配風裝置，開1 臺采暖爐。

第一，展現了較強的企業資源屬性與價值性、稀缺性、難以被復制性等。構建了有形和無形的資源，整合了多樣化的生產技能，打造了企業核心競爭力。第二，人力資源，主要是在知識、技能、能力、稀缺的人力資源本身上，構建的核心資源。因此，組織中的稀缺人力資源，屬于核心資源。第三，資源創造核心競爭優勢；展現了有形或者無形、人力資源能帶來核心競爭優勢［3］。

（3）4#外輸爐安裝氧量自動控制配風裝置，降低配風量、減少排煙損失；定期清理加熱爐煙火筒內的積碳和積灰沉積，提高換熱系數和運行熱效率。

（4）使用節能涂料，改變換熱系數，提高運行熱效率；保護加熱爐爐體，延長設備使用壽命。

（5）加強加熱爐的運行管理，制訂合理的操作規程。

4.2 機泵改造措施

針對站場機泵在運行時存在的運行效率和負荷率低的問題，具體改造措施如下：

（1）1#、2#脫水泵根據負荷大小，優化泵的運行方案。當排量小于115 m3/h 時，啟動1#脫水泵即可；當排量大于115 m3/h 時，應開啟2 臺脫水泵。

（2）3#外輸泵更換合適排量的離心泵。

（3）機泵房以及場區使用節能燈具。

（4）對機泵內部噴涂防腐耐磨涂層。

5 改造效果預測

按照上述方案改造之后，脫水站設備運行效率將提高，改造前后熱能利用率、電能利用率和能量利用率對比如圖3、圖4 所示。

圖3 冬季改造前后能量利用情況Fig.3 Energy utilization conditions before and after renovation in winter

由圖3、圖4 可知，該脫水站冬季運行時能量利用率提高1.60%，熱能利用率提高1.58%，電能利用率提高1.14%，單位原油生產氣耗下降7.58%，單位原油生產電耗降低6.80%；夏季運行時能量利用率提高2.98%，熱能利用率提高3.01%，電能利用率提高0.62%，單位原油生產氣耗下降14.46%，單位原油生產電耗降低4.69%。

改造后年節氣和年節電量計算結果如表6所示。

圖4 夏季改造前后能量利用情況Fig.4 Energy utilization conditions before and after renovation in summer

表6 改造后年節氣量和年節電量計算結果Tab.6 Calculation results of annual gas and electricity saving after renovation

由表6可知，改造后脫水站年節氣233 979.6 m3，年節電303 928.2 kWh。按照當時當地物價局所規定的工業用天然氣價3.3 元/m3，電價0.44 元/kWh 進行計算，預計該脫水站每年可節約成本905 861.088 元。

6 結束語

（1）以遼河油田某集輸系統脫水站為例，分析了其工藝流程，建立了能量平衡分析模型和相應的能耗評價指標。

（2）對脫水站實際運行情況進行了能耗評價，結果表明：該站1#、2#脫水泵，3#外輸泵機組效率、負荷率偏低，運行方案不合理；1#、2#脫水爐，4#外輸爐的空氣系數偏高，1#、2#采暖爐的空氣系數偏高、熱效率較低。

（3）針對該站存在的問題提出了相應的改造措施，并對改造后的能耗進行了預測，結果顯示：能量利用率冬季提高1.60%，夏季提高2.98%，年節氣233 979.6 m3，年節電303 928.2 kWh，每年可節約成本905 861.088 元。