油田地面集輸系統(tǒng)碳排放計(jì)算分析

羅 舜 郭林瓊 劉 揚(yáng) 魏立新

（1.大慶油田工程有限公司；2.東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展大多建立在能源高消耗的基礎(chǔ)上，能源的高消耗又必將伴隨著大量的CO2排放，CO2是溫室氣體的重要組成部分，其排放量的增加會(huì)導(dǎo)致大氣中溫室氣體的濃度上升，進(jìn)而加劇溫室效應(yīng)，導(dǎo)致氣候變暖、冰川消融、海平面上升、氣候異常及影響人類健康等一系列危害。 以往我國(guó)高度重視各企業(yè)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益（期望的產(chǎn)出），而在一定程度上忽視了隨之帶來(lái)的環(huán)境影響等負(fù)面后果。 隨著全球環(huán)境氣候的變化，國(guó)家越來(lái)越重視保護(hù)環(huán)境，企業(yè)也通過(guò)大力推進(jìn)節(jié)能減排的生產(chǎn)方式減少對(duì)環(huán)境的破壞。 石油石化行業(yè)是我國(guó)碳排放來(lái)源之一，該行業(yè)既生產(chǎn)能源同時(shí)也消耗能源。 油田各項(xiàng)生產(chǎn)在消耗能源的同時(shí)不可避免地產(chǎn)生了大量的溫室氣體，為實(shí)現(xiàn)國(guó)家溫室氣體減排目標(biāo)，促進(jìn)石油化工行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，需要加強(qiáng)環(huán)保工作的研究力度。 油田企業(yè)作為消耗能源排放CO2的大戶，其中消耗能源占比近半的重要環(huán)節(jié)——地面集輸系統(tǒng)不容忽視，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行碳排放計(jì)算分析具有重要意義［1］。

大慶油田經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)發(fā)，集輸系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)發(fā)生巨大的變化， 油氣集輸系統(tǒng)效率降低、能耗升高，CO2排放量增加［2］，通過(guò)建立油氣集輸系統(tǒng)碳排放計(jì)算模型， 分析其主要影響因素，為制定相應(yīng)的節(jié)能減排措施提供合理的依據(jù)和科學(xué)的指導(dǎo)。

1 集輸系統(tǒng)工藝流程及碳排放源識(shí)別

1.1集輸系統(tǒng)工藝流程

集輸系統(tǒng)工藝流程按管網(wǎng)布局形狀分為樹(shù)狀和環(huán)狀集油流程，按油品加熱方式分為加熱集油流程和摻水集油流程。 最終集輸油流程由管網(wǎng)布局和加熱方式組合確定，其中最典型的、國(guó)內(nèi)油田廣泛采用的是樹(shù)狀摻水集輸油流程［3］。 筆者以樹(shù)狀摻水集輸油流程為例對(duì)集輸系統(tǒng)進(jìn)行碳排放分析，流程圖如圖1 所示，由圖可見(jiàn)主要能耗設(shè)備為機(jī)泵和加熱爐。

圖1 樹(shù)狀摻水集輸系統(tǒng)集輸油工藝流程

1.2集輸系統(tǒng)碳排放源識(shí)別

碳排放營(yíng)運(yùn)活動(dòng)為系統(tǒng)邊界范圍內(nèi)與集輸系統(tǒng)相關(guān)的溫室氣體的活動(dòng)，主要包括加熱油品時(shí)熱力消耗引起的碳排放、油品輸送時(shí)動(dòng)力消耗引起的碳排放及分離凈化等生產(chǎn)設(shè)備耗電產(chǎn)生的碳排放［4］。

CO2直接排放的活動(dòng)為熱系統(tǒng)， 主要是加熱爐和摻水爐的燃料燃燒。 CO2間接排放的活動(dòng)有電系統(tǒng)，主要是站內(nèi)所有泵機(jī)組用電、燃燒設(shè)備用電和分離裝置用電產(chǎn)生的間接CO2排放（生產(chǎn)電力時(shí)燃燒燃料發(fā)電產(chǎn)生碳排放）， 雖然這部分CO2在系統(tǒng)邊界以外， 卻是由于系統(tǒng)消費(fèi)購(gòu)買而造成的。 CO2其他間接排放的活動(dòng)主要是外引氣的處理過(guò)程產(chǎn)生的，在集輸系統(tǒng)運(yùn)行不需要外引氣時(shí)可忽略。

2 集輸系統(tǒng)碳排放計(jì)算方法

為了使溫室氣體排放的量化、監(jiān)測(cè)、報(bào)告、審定和核查具有明確性和一致性， 英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（BSI）和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）、政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）、世界資源研究所（WRI）及時(shí)間持續(xù)發(fā)展商業(yè)理事會(huì)（WBCSD）等先后建立了一系列與溫室氣體量化和報(bào)告相關(guān)的規(guī)范和指南，涵蓋了國(guó)家、企業(yè)（組織）、產(chǎn)品和服務(wù)及個(gè)人等層面。 這些標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)行和推廣，為促進(jìn)全球溫室氣體減排起到了巨大的推動(dòng)作用［5］。

這些規(guī)范和指南分別基于終端消耗、全生命周期兩個(gè)層面提供了溫室氣體排放和清除量化及報(bào)告的方法論指導(dǎo)和操作性規(guī)范。 無(wú)論是基于終端消耗還是基于產(chǎn)品/服務(wù)的全生命周期來(lái)識(shí)別溫室氣體排放源，其基本的思路如圖2 所示。

圖2 溫室氣體排放源識(shí)別的基本思路

2.1碳排放核算邊界

集輸系統(tǒng)的碳排放邊界，可以定義為油田油氣集輸環(huán)節(jié)的基本生產(chǎn)系統(tǒng)邊界。 根據(jù)集輸系統(tǒng)流程圖，邊界區(qū)域空間范圍劃定為井口到聯(lián)合站所有涉及CO2排放的營(yíng)運(yùn)活動(dòng)；邊界時(shí)間范圍劃定為根據(jù)企業(yè)是否需要了解和能否獲取有效運(yùn)行參數(shù)確定的一段統(tǒng)計(jì)期。

2.2碳排放計(jì)算模型

2.2.1直接CO2排放量的計(jì)算

石油化工生產(chǎn)企業(yè)直接碳排放有兩種計(jì)算方法［6］。

按燃料實(shí)際燃燒消耗和燃料的實(shí)測(cè)碳含量加權(quán)平均值為基準(zhǔn)計(jì)算CO2排放量：

式中 CEi——某一種燃料燃燒產(chǎn)生的CO2排放量，t；

CFi——該種燃料的碳含量，%；

CRi——該種燃料燃燒的碳轉(zhuǎn)化率，%；

FQi——該種燃料的用量，t。

其中，44、12 分別為 CO2的相對(duì)分子質(zhì)量和碳原子的相對(duì)原子質(zhì)量。

根據(jù)燃料的熱值和對(duì)應(yīng)的CO2的排放因子進(jìn)行計(jì)算：

式中 EFi——燃料的排放因子，kgCO2/MJ；

HVi——燃料的低位熱值，MJ/kg。

2.2.2間接CO2排放量的計(jì)算

油氣集輸系統(tǒng)所涉及的間接CO2排放為系統(tǒng)運(yùn)行用電所對(duì)應(yīng)的CO2排放，可根據(jù)實(shí)際消耗量和相應(yīng)的排放因子進(jìn)行計(jì)算。 計(jì)算公式為：

式中 BQ——外購(gòu)電力的數(shù)量，kW·h；

EF——外購(gòu)電力所對(duì)應(yīng)的排放因子，kgCO2/（kW·h）（國(guó)網(wǎng)供電排放因子參照國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)公布的最新數(shù)據(jù)，國(guó)網(wǎng)供電最新公布國(guó)家平均生產(chǎn)電力CO2排放因子為0.86kgCO2/（kW·h））；

IE——外購(gòu)電力對(duì)應(yīng)的間接排放量，t。

3 集輸系統(tǒng)碳排放計(jì)算分析

3.1碳排放量計(jì)算

根據(jù)集輸系統(tǒng)流程圖和排放源識(shí)別可知，筆者所探討的集輸系統(tǒng)碳排放為集輸系統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)油站中的泵和加熱爐耗能所致，因此將集輸系統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)油站的耗能和運(yùn)行參數(shù)作為碳排放分析樣本，進(jìn)而分析系統(tǒng)整體的碳排放狀況。 以中國(guó)石油大慶油田某個(gè)集輸系統(tǒng)為例進(jìn)行碳排放分析計(jì)算，數(shù)據(jù)來(lái)源為大慶油田某外圍采油廠的一個(gè)轉(zhuǎn)油站2015~2017 年的運(yùn)行參數(shù)，利用石油化工企業(yè)碳排放計(jì)算方法，根據(jù)轉(zhuǎn)油站綜合耗氣量和耗電量計(jì)算集輸系統(tǒng)CO2直接排放量和間接排放量。為了直觀地展示計(jì)算結(jié)果，將計(jì)算結(jié)果繪制在折線圖中（圖3a~c）。集輸系統(tǒng)消耗能源的直接目的是為系統(tǒng)中管道運(yùn)行提供動(dòng)力，為了便于后面的分析，將集輸系統(tǒng)管道運(yùn)行環(huán)境也繪制成曲線圖（圖3d）。

圖3 2015~2017 年計(jì)算結(jié)果

3.2計(jì)算結(jié)果分析

集輸系統(tǒng)可看作是由系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)轉(zhuǎn)油站子系統(tǒng)組合而成的，因此分析其中某個(gè)轉(zhuǎn)油站的碳排放規(guī)律，可反映出集輸系統(tǒng)的碳排放規(guī)律。 利用該轉(zhuǎn)油站3 年的碳排放量化結(jié)果結(jié)合集輸系統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)油站運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)集輸系統(tǒng)的碳排放規(guī)律進(jìn)行分析：

a.集輸系統(tǒng)直接碳排放量明顯多于間接碳排放量。 由圖3a、b 可看出，直接 CO2排放量遠(yuǎn)大于間接CO2排放量，因此總CO2排放量的變化規(guī)律也主要由直接CO2排放量決定（圖3b、c）。說(shuō)明集輸系統(tǒng)熱能消耗產(chǎn)生的碳排放量大于電能消耗產(chǎn)生的碳排放量。 加熱爐的狀況優(yōu)劣以及運(yùn)行參數(shù)如各站加熱溫度、輸量等直接影響著碳排放量的多少。 確定合理的運(yùn)行參數(shù)并定期進(jìn)行加熱爐的維護(hù)對(duì)減少油田碳排放起著重要的作用［7］。

b.碳排放量隨季節(jié)變化明顯。 為保護(hù)埋地管道免受地面設(shè)施、車輛等的損害，管頂覆土要求不小于0.8m，為了分析管道周圍環(huán)境對(duì)集輸系統(tǒng)碳排放的影響，按一般管道埋深（管中心距地表距離）1.2m 計(jì)算集輸系統(tǒng)管道周圍土壤溫度，管道埋深處土壤溫度隨季節(jié)變化規(guī)律如圖3d 所示。 由圖3c、d 可看出，碳排放量隨季節(jié)成反相關(guān)的關(guān)系，這是由于環(huán)境溫度高，集輸系統(tǒng)內(nèi)管道熱能耗散少，需要的熱能供應(yīng)少，燃料使用量減少，從而使碳排放量減少。

c.集輸系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中碳排放量和輸油量有著密不可分的關(guān)系。 2015~2017 年轉(zhuǎn)油站運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示不同年份（同一月份）輸油量是總體遞減的趨勢(shì)，同一月份同一轉(zhuǎn)油站相對(duì)來(lái)說(shuō)對(duì)運(yùn)輸溫度要求相近，對(duì)比3 年來(lái)同一月份的數(shù)據(jù)（1~3月份） 碳排放量隨著輸油量的變化波動(dòng)不大，這是由于1~3 月份環(huán)境溫度低， 需要的熱力消耗大，從而使環(huán)境因素占主導(dǎo)地位，碳排放量總體較大。4~12 月份，熱力消耗影響地位下降，碳排放量隨著輸油量變小而變小，然而輸油量繼續(xù)變小時(shí)碳排放量反而又增大。 由于集輸系統(tǒng)通過(guò)摻水量可控制輸油量，因此尋找合適的運(yùn)行輸量以達(dá)到CO2低排放的狀態(tài)是非常有必要的。 CO2年總排放量與總輸油量的關(guān)系見(jiàn)表1， 由數(shù)據(jù)也可看出輸量調(diào)節(jié)對(duì)減少碳排放具有積極作用。

表1 轉(zhuǎn)油站輸油量與碳排放量關(guān)系

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)建立集輸系統(tǒng)碳排放計(jì)算模型，對(duì)集輸系統(tǒng)碳排放進(jìn)行計(jì)算分析，明確集輸系統(tǒng)碳排放規(guī)律及其影響因素，為集輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排提供了可靠的依據(jù)。 針對(duì)集輸系統(tǒng)碳排放影響因素，集輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)減排的途徑主要可從設(shè)備和運(yùn)行參數(shù)兩方面著手。 針對(duì)集輸系統(tǒng)直接碳排放占主導(dǎo)作用，可以從加強(qiáng)加熱爐的設(shè)備管理，提高加熱爐效率來(lái)促進(jìn)減排工作。 針對(duì)集輸系統(tǒng)碳排放隨環(huán)境（季節(jié)）、輸量變化，可以從碳排放最小為目標(biāo)入手， 研究集輸系統(tǒng)減排優(yōu)化運(yùn)行方案。制定不同月份的最優(yōu)運(yùn)行方案，使得集輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保運(yùn)行。 集輸系統(tǒng)碳排放的量化和減排方案的探索，是集輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，響應(yīng)時(shí)代要求的必然趨勢(shì)。