雙管摻水原油集輸流程運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化研究

于淳光 魏紫暄 王鐵軍

摘 ?????要： 為了降低雙管摻水集油流程高耗氣、高耗電問(wèn)題，可通過(guò)調(diào)節(jié)摻水量、摻水溫度等運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化工藝流程，降低加熱爐耗氣量和泵機(jī)組耗電量。針對(duì)大慶油田某轉(zhuǎn)油站集輸流程的實(shí)際運(yùn)行情況，通過(guò)PIPESIM軟件建立管網(wǎng)水、熱力計(jì)算模型，運(yùn)行迭代法確定不同摻水溫度下各單井最優(yōu)摻水量，根據(jù)加熱爐、泵機(jī)組基礎(chǔ)數(shù)據(jù)確定不同方案下總運(yùn)行費(fèi)用。計(jì)算結(jié)果表明，該集油流程最優(yōu)摻水溫度為47 ℃，摻水量為840.72 m?/d。此研究為原油集輸系統(tǒng)提供了可靠的運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化方法，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。

關(guān) ?鍵 ?詞：雙管摻水;原油集輸系統(tǒng);摻水溫度;摻水量;總運(yùn)行費(fèi)用

中圖分類號(hào)：TE 863 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：?A ??????文章編號(hào)： 1671-0460（2020）03-0678-05

Optimization of Operating Parameters of Double Pipe

Water-incorporated Crude Oil Gathering and Transportation Process

YU Chun-guang¹， WEI Zi-xuan²， WANG Tie-jun^3*

（1. Key Laboratory for Improving Oil and Gas Recovery of Ministry of Education， Northeast?Petroleum University，

Heilongjiang Daqing 163318， China;

2.?CNPC?Dagang Oilfield Branch， Tianjin 300280， China;

3. Tianjin Design Institute of China Petroleum Engineering Project Management Company， Tianjin 300457， China）

Abstract： ?In order to reduce the problem of high gas and power consumption in double-pipe water-mixed oil gathering process， the technological process can be optimized by adjusting the operation parameters?including the amount of added water and the temperature of added water to reduce heating furnace gas consumption and pump unit power consumption. Aiming at the actual operation of gathering and transportation process of a oil transfer station in Daqing oilfield， water and thermal calculation model of pipeline network was established by PIPESIM software. The operation iteration method was used to determine the optimal water content of each well at different water mixing temperatures. And the total operating cost under different schemes was determined?according to the basic data of heating furnace and pump unit. The results showed that， the optimum water mixing temperature of the oil gathering process was 47 ℃， and the water mixing amount was 840.72 m?/d. This study provides a reliable method for optimization of operation parameters of crude oil gathering and transportation system to achieve the goal of energy saving and consumption reduction.

Key words： double pipe watering; crude oil gathering and transportation system; water blending temperature; ?water content;total operating cost

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)能源的需求量不斷增加，對(duì)一次能源的過(guò)度開(kāi)采和利用導(dǎo)致我國(guó)正面臨能源短缺、能源利用效率低、污染嚴(yán)重等問(wèn)題，對(duì)我國(guó)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展和人們生活質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響^[1]。在能源的生產(chǎn)、消耗等方面，石油企業(yè)對(duì)能源消耗總量的影響十分顯著。油氣集輸系統(tǒng)作為油田地面工程的重要組成，主要負(fù)責(zé)油田采出液的儲(chǔ)存、集中處理和輸送，在這些過(guò)程中會(huì)有大量的熱能和電能被消耗。據(jù)統(tǒng)計(jì)，油氣集輸系統(tǒng)的投資約占地面工程總投資的65%，能源消耗則占油田系統(tǒng)總能耗的30%～40%^[2]。因此，降低油氣集輸系統(tǒng)的能耗不僅對(duì)石油企業(yè)節(jié)能減排工作意義重大，還具有較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

油田雙管摻水集油流程在運(yùn)行時(shí)需將升溫后熱水回?fù)街辆诘蜏夭沙鲆褐校蛊渥罱K進(jìn)站溫度滿足集輸工藝要求^[3]。集輸過(guò)程中通常將熱水升至50 ℃以上且摻水量較高，導(dǎo)致需要花費(fèi)大量天然氣、電能資源。本文針對(duì)大慶油田某轉(zhuǎn)油站生產(chǎn)系統(tǒng)雙管摻水集油流程摻水量大，能耗高問(wèn)題進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化研究。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際流程建立物理、數(shù)學(xué)分析模型，通過(guò)迭代計(jì)算方法確定不同摻水溫度條件下各生產(chǎn)井最優(yōu)摻水量，以最小總運(yùn)行費(fèi)用為目標(biāo)優(yōu)化生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)，為集輸系統(tǒng)節(jié)能降耗提供一定理論基礎(chǔ)。

1 ?集油系統(tǒng)基本運(yùn)行情況

大慶油田某轉(zhuǎn)油站轄計(jì)量間7座，油井110口，2017年產(chǎn)液57.5萬(wàn)t，綜合含水90.6%，2017年總耗氣量為149.9萬(wàn)m³，總耗電98.2萬(wàn)kW·h時(shí)。該區(qū)塊集油工藝為雙管摻水流程，站內(nèi)采用分離緩沖沉降“三合一”流程，因此可將站內(nèi)生產(chǎn)工藝流程分為油系統(tǒng)工藝流程、天然氣系統(tǒng)工藝流程和摻水系統(tǒng)工藝流程。計(jì)量間來(lái)液經(jīng)過(guò)“三合一”裝置分離出油、氣、水三相，含水油品經(jīng)外輸泵增壓、計(jì)量后輸送至聯(lián)合站，天然氣外輸至聯(lián)合站或站內(nèi)加熱爐自用;摻水系統(tǒng)將分離出的游離水經(jīng)“二合一”加熱爐裝置加熱，再經(jīng)摻水泵增壓后輸送至計(jì)量間后回?fù)街粮骶冢撧D(zhuǎn)油站系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。

2 ?雙管摻水集油流程優(yōu)化方法

2.1 ?目標(biāo)函數(shù)確定

雙管摻水集油流程中主要耗能設(shè)備為加熱爐、摻水泵和外輸泵，集輸系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用主要包括加熱爐耗氣費(fèi)用和外輸泵、摻水泵耗電費(fèi)用^[4]。因此，以最小的運(yùn)行總費(fèi)用作為優(yōu)化問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)，即所耗電費(fèi)和氣費(fèi)之和小，其表達(dá)式為：

????????（1）

式中：S?— 總運(yùn)行費(fèi)用，萬(wàn)元/a;

S_h?— 熱力費(fèi)用，萬(wàn)元/a;

S_e1?— 外輸泵電力費(fèi)用，萬(wàn)元/a;

S_e2?— 摻水泵電力費(fèi)用，萬(wàn)元/a。

2.2 ?Pipesim模型建立

（1）物理模型建立

在計(jì)算各部分管網(wǎng)溫度、壓力時(shí)可通過(guò)Pipesim軟件完成水、熱力計(jì)算模型建立，該雙管摻水集油流程Pipesim模型建立如圖2，以414計(jì)量間為例其局部模型圖見(jiàn)圖3。

（2）流動(dòng)相關(guān)式選擇

Beggs-Brill 方法是用于水平、垂直和任意傾斜氣液兩相管流動(dòng)計(jì)算的一種較普遍的方法。B在推導(dǎo)兩相管道壓降計(jì)算公式時(shí)，Beggs & Brill從能量守恒方程出發(fā)，考慮加速損失、摩擦損失和管路起伏對(duì)結(jié)果的影響，計(jì)算結(jié)果較好，最終選擇該方法進(jìn)行水、熱力計(jì)算。

2.3 ?運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化方案

（1）摻水溫度、摻水量方案確定

不同摻水溫度、摻水量分配方案求解步驟如下：

（a）轉(zhuǎn)油站-計(jì)量間摻水管道計(jì)算

根據(jù)轉(zhuǎn)油站出口溫度，站間摻水管道參數(shù)，對(duì)單井取摻水量0.5 m³/h初值，確定其各計(jì)量間熱水溫度。

（b） 計(jì)量間-油井摻水管道計(jì)算

根據(jù)計(jì)量間到站溫度，井間摻水管道參數(shù)，確定各井口熱水溫度。

（c） 摻混溫度計(jì)算

根據(jù)各油井出口溫度，產(chǎn)液量等參數(shù)及熱水至各油井溫度，確定各井口摻混溫度，摻混溫度計(jì)算公式如下^[5]：

?????（2）

式中：T_mi— 摻液后混合物溫度，℃;

c_m— 摻液后混合物比熱，kJ/（kg·℃）;

G_i、c— 油井產(chǎn)物的流量、比熱;

G_L、c_L、T_L— 摻液流量、比熱和溫度;

T_wi— 油井產(chǎn)物流出井口的溫度，℃。

（d）油井-計(jì)量間回油溫度計(jì)算

根據(jù)各井口摻混溫度，井間集油管道參數(shù)，確定各計(jì)量間回液溫度，判斷其是否滿足工藝要求，若溫度過(guò)小，則將此井口摻水量增加0.1 m³/h;若溫度過(guò)大，則將此井口摻水量減小0.1 m³/h，進(jìn)行重新計(jì)算，直至溫度滿足要求。

（e）計(jì)量間-轉(zhuǎn)油站集油管道計(jì)算

根據(jù)各計(jì)量間摻混溫度，站間集油管道參數(shù)，確定轉(zhuǎn)油站回油溫度，判斷其是否滿足工藝要求，若滿足，輸出其摻水量;若不滿足，進(jìn)行重新計(jì)算。經(jīng)此計(jì)算可得到不同摻水溫度下各單井最小摻水量結(jié)果。

（2）耗氣量、耗電量計(jì)算方法

（a）天然氣消耗量

流程耗氣量可通過(guò)加熱爐進(jìn)出口能量變化情況及加熱爐效率確定，其計(jì)算公式為：

（3）

式中：Q— 天然氣耗氣量，m?/d;

c_m— 摻液后混合物比熱，kJ/（kg·℃）;

— 加熱爐進(jìn)出口溫差，℃;

— 加熱爐效率，%。

（b）耗電量

流程耗電量為外輸泵、摻水泵耗電量之和。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)泵型號(hào)及其運(yùn)行情況推導(dǎo)得到泵機(jī)組耗電量經(jīng)驗(yàn)值為每立方米流過(guò)介質(zhì)耗電量約為0.97 kW·h。

3 ?運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

3.1 ?摻水溫度、摻水量方案確定

除第1章中所列基本數(shù)據(jù)，其他現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際流程所需基本參數(shù)或技術(shù)要求如下：以1月平均氣溫計(jì)算得到管道環(huán)境溫度為2 ℃，轉(zhuǎn)油站回油溫度為33 ℃，摻水溫度為40～60 ℃，加熱爐效率為80%，泵機(jī)組效率為60%，以摻水溫度40 ℃為例進(jìn)行模擬計(jì)算，其結(jié)果如下：

（1）轉(zhuǎn)油站-計(jì)量間摻水管道計(jì)算

輸入起點(diǎn)溫度40 ℃，環(huán)境溫度2 ℃，根據(jù)單井摻水量取初值0.5 m³/h計(jì)算各管道總流量，運(yùn)行可得其各個(gè)計(jì)量間熱水溫度見(jiàn)表1。

（2）計(jì)量間-油井摻水管道計(jì)算

輸入各井間摻水管道參數(shù)，對(duì)各井口溫度程序運(yùn)行結(jié)果取1位小數(shù)見(jiàn)表2。

（3）摻混溫度計(jì)算

將各井口出口溫度等參數(shù)及各井間管道末點(diǎn)溫度帶入，各井口熱水與采出液摻混后溫度見(jiàn)表3。

（4）油井-計(jì)量間回油溫度計(jì)算

各井間集油管線末點(diǎn)溫度見(jiàn)表4。

（5）計(jì)量間-轉(zhuǎn)油站集油管道計(jì)算

判斷其各回油溫度是否滿足33 ℃技術(shù)界限要求，若不滿足進(jìn)行迭代計(jì)算，得到各單井最終摻水量見(jiàn)表5。

3.2 ?最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)確定

根據(jù)其摻水量計(jì)算結(jié)果及式（1）-（3）進(jìn)行總運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，摻水溫度在47.1 ℃時(shí)，總運(yùn)行費(fèi)用取得最優(yōu)值，其值為187.9萬(wàn)元/a。據(jù)分析可知，由于外輸液流量一定，且進(jìn)轉(zhuǎn)油站溫度一定，因此外輸泵供給電費(fèi)不隨摻水量及摻水溫度變化及變化，此方案條件下計(jì)算其加熱爐供給熱?費(fèi)用及摻水泵供給電?費(fèi)用與摻水溫度變化曲線，其結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6。由圖6可知，加熱爐運(yùn)行費(fèi)用隨摻水溫度升高而降低，這是由于在進(jìn)轉(zhuǎn)油站溫度一定的條件下，摻水溫度的升高所帶來(lái)的摻水量減小量較大，導(dǎo)致其總運(yùn)行逐漸增大，其總增長(zhǎng)幅度為8.21萬(wàn)元/a。摻水泵供給電?費(fèi)用隨摻水溫度升高而降低且其降低幅度逐漸減小，但其總降低幅度較小，為7.17萬(wàn)元/a。

由于目標(biāo)函數(shù)總這兩部分運(yùn)行費(fèi)用變化的矛盾性導(dǎo)致?lián)剿疁囟仍?7.1 ℃時(shí)，目標(biāo)函數(shù)出現(xiàn)極小值，此時(shí)熱力費(fèi)用為89.9萬(wàn)元/a，電力費(fèi)用為22.8萬(wàn)元/a，將此極小值條件下?lián)剿疁囟取剿孔鳛樽顑?yōu)方案。此時(shí)總摻水量為840.72?m?/d，各井摻水量?jī)?yōu)化結(jié)果見(jiàn)表6。

大慶油田某轉(zhuǎn)油站實(shí)際運(yùn)行工況如下：摻水溫度為61.3 ℃，總摻水量為667.7 m?/d，據(jù)計(jì)算其總運(yùn)行費(fèi)用為216.6萬(wàn)元/a，熱力費(fèi)用為116.2萬(wàn)元/年，電力費(fèi)用為18.9萬(wàn)元/a，其對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖7。

經(jīng)計(jì)算可得該集輸系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用減少28.7萬(wàn)元，同比降低18.7%;加熱爐年運(yùn)行費(fèi)用減少26.3萬(wàn)元，同比降低22.6%;摻水泵年運(yùn)行費(fèi)用增加3.9萬(wàn)元，同比升高20.6%。分析該優(yōu)化結(jié)果可知，加熱爐和摻水泵運(yùn)行費(fèi)用降低幅度基本相同，熱力費(fèi)用節(jié)錢較多，可見(jiàn)熱力費(fèi)用方面的優(yōu)化更具節(jié)能空間，可將集輸系統(tǒng)節(jié)能降耗的重點(diǎn)放在熱力費(fèi)用優(yōu)化。

4 ?結(jié) 論

（1）結(jié)合原油集輸系統(tǒng)運(yùn)行情況選擇總運(yùn)行費(fèi)用為目標(biāo)，目標(biāo)函數(shù)由熱力費(fèi)用和電力費(fèi)用組成。推導(dǎo)分析得到其決策變量為摻水溫度、摻水量和進(jìn)轉(zhuǎn)油站溫度。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況要求，制定各變量約束條件。

（2）根據(jù)模型分析可知，目標(biāo)函數(shù)最小值為不同摻水溫度條件下最優(yōu)摻水量所對(duì)應(yīng)工況，因此求解約束條件范圍內(nèi)的最小摻水量，并以摻水溫度40 ℃為例進(jìn)行應(yīng)用舉例，得到約束范圍內(nèi)摻水量與最小摻水量數(shù)量關(guān)系。

（3）將不同摻水方案參數(shù)帶入目標(biāo)函數(shù)求解方程中，得到滿足實(shí)際工況的總運(yùn)行費(fèi)用最小值為125萬(wàn)元/a，此時(shí)摻水溫度為47.1 ℃，總摻水量為840.7 m?/d。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況計(jì)算其總運(yùn)行費(fèi)用為153.7萬(wàn)元/a，在推薦優(yōu)化運(yùn)行方案條件下總運(yùn)行費(fèi)用節(jié)約18.7%，具有一定可行性。

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