“碳中和”背景下采油廠地面工程節能降耗問題研究

于鵬（大慶油田有限責任公司第十采油廠）

我國能源利用率低于西方發達國家10%[1]。習總書記提出2060 年爭取實現“碳中和”，在此背景下，各行各業均開始實施綠色低碳發展。作為傳統能源企業的重要生產單位，采油廠地面工程的耗能問題也需要盡快解決。從目前國內采油廠地面工程現狀入手，從新能源的替代和生產運行優化對策方案等角度，研究出相關的節能降耗措施。

1 國內地面工程用能概況

1.1 地面工程常用流程現狀

油氣田行業內采油廠的地面工程涵蓋油氣田地面生產設施、輔助生產設施和其他相關的附屬設施，主要有油氣集輸與處理、采出水處理、注水、供配電、儀表自控、通信、建筑與結構等系統。地面工程能保障油氣達標外銷、采出水回注等[2]。

目前我國的采油廠地面工程常用的集輸工藝已逐步完善為各具特色的密閉全流程工藝，例如大慶薩爾圖流程工藝、雙管摻水集油流程、小環摻水流程等多種集輸流程工藝，還有根據產油特性獨創的流程工藝，例如稠油油田常用的摻稀油集輸流程工藝、蒸汽集輸流程等，含硫較高的油田常用的加氫脫硫工藝、氣提脫硫工藝等，含砂量高的油田常用的重力脫砂工藝、離心脫砂工藝等，常見的三級布站雙管摻水集油及處理流程見圖1。

圖1 三級布站雙管摻水集油及處理流程

1.2 地面工程用能現狀分析

目前采油廠的地面工程各類設備設施組成的系統中，耗能最多的是注水系統，其次是油氣集輸與處理系統。油田地面工程用能設備主要包括加熱爐等加熱設備、各類泵設施等，能源類型為電能、天然氣和原油等。原油集輸系統主要包括原油收集、集輸、處理、儲存和運輸等多個生產環節，涉及的站場主要包括計量間、中轉站、污水站、注水站等站庫所、油庫等，耗能情況見表1。

表1 耗能情況

其中耗能部分，中轉站、污水站等站庫集輸系統耗能占據84%，尤其是以加熱爐和鍋爐耗能最高。以長慶油田為例，集輸系統日耗電量超過160×104kWh，日耗煤量為300 t 左右，日耗油量大于600 t。數據表明集輸系統耗能較大[3]，以集輸系統為代表的地面工程各環節開展節能降耗研究。

2 采油廠地面工程節能降耗措施

2.1 新能源技術替代方案

從綠色新能源角度拓展思路，將傳統耗能與可再生的低成本新能源結合，從能源結構上改變耗能的現狀，可以有效降低傳統能源消耗程度，達到節能降耗的目的。新能源種類主要考慮比較成熟的地熱資源和光電資源，由于風電、核電前期成本較高，投入運行難度大，現實可行性較小，故不在考慮范圍內。

2.1.1 地熱資源挖潛利用

遼河、大慶等油田已開始利用廢棄井改造為地熱井，為油田生產提供熱源[4]。目前可以采用多級梯次分類使用的方式，應用不同溫度的熱水，例如從地熱井中采出70 ℃地熱水把傳熱器內的介質升溫至65 ℃，同時流出較低溫度的地熱水，再通過二次傳熱器與新的循環水合成更低溫度（一般是26 ℃）的水回灌至地層。此外可以在換熱流程中加入加熱泵，只需要少量的能源加熱，即可實現多類溫度的不同使用，減少了傳統能源在熱量上的持續消耗，由此實現降低能耗的目標。

2.1.2 光伏發電替代利用

我國部分油田例如大慶、吉林、新疆等油田，分布在太陽能資源較豐富地帶，各油田光能情況見表2。可以充分考慮目前采油廠所在區域土地使用情況、電力網絡負荷能力等，采取分布式光伏電力系統，與現有電路結合，代替或者部分代替傳統電能，以實現降低耗能、推進“碳中和”目標的實現。例如吉林油田應用光伏的區塊年節電達936萬元。

表2 各油田光能情況

2.2 生產方面優化運行對策方案

污水余熱回用方案類似于地熱資源使用流程，采用多級梯次分類使用方式，加熱不同溫度的熱水。2020 年我國各油田折算后污水余熱量高于142×104t 標煤[5]。若輔助少量傳統能源加熱后，升溫80℃的高熱量流動介質，可用于生產經營活動，例如外輸油、脫水加熱、冬防保溫等熱能需要。污水余熱回用方案已經在大慶、遼河、新疆等油田地面工程中實現高效利用，產生了可觀的節能降耗效果，例如吉林油田某聯合站采取污水余熱回用后，年減少天然氣消耗1 040×104m3，年降低傳統能源成本1 706 萬元。

2.2.1 加熱環節節能降耗對策

采油廠地面工程中消耗能量較大的各類環節中，突出集中在加熱環節各類設備設施上，例如加熱爐、鍋爐等，故需要對此類設備開展節能降耗對策的研究，以加熱爐為例。

1）加熱爐運行優化對策。在選用高效霧化燃燒技術、蓄熱燃燒技術、分級燃燒技術或富氧燃燒技術等新型技術的加熱爐設備基礎上，選擇合理的空氣過剩系數，防止過高或者過低的氣體造成熱量不必要的損耗或燃燒不充分的情況發生，此項工作可以按照圖版進行多次試驗，根據實際的設備運行情況，最終篩選出合理的空氣過剩系數[6]。此外日常清理加熱爐的污水結垢，也對加熱爐的熱傳遞效率有促進提升的作用。

2）加熱爐節能涂料降耗對策。材料科學的發展給加熱爐的節能降耗帶來新的思路，在加熱爐的受熱表面上施加耐高溫的節能噴涂材料，大幅度提升受熱表面的熱輻射吸收能力，轉換空間內紅外波為新的熱輻射源，提升輻射表面的受熱溫度，可以大大提高熱量的利用效率，傳遞給受熱介質，從而達到現有耗能基礎上，提升加熱效果，變相的降低了同等溫度下的耗能[7]。資料顯示年平均節氣達105×104m3。

3） 煙氣余熱回用對策。研究表明排煙降低13 ℃對應提升熱效率1%[8]。所以在設備空間允許的基礎上，可以采取對流室數量增加或面積擴大的改造方式，降低排煙溫度，充分回用煙氣余熱，同時推廣應用空氣預熱器和余熱回收換熱器，都可以實現煙氣熱量回收的效果，從而降低熱量損耗，提升能源利用率。

2.2.2 電能優化使用對策

在采油廠地面工程的前期建設中，可以預先調整電力線路結構，優化電網的運行方式和狀態，降低地面工程電網損耗，實現節能降耗。

目前無功補償設備較多用來降低地面工程電網損耗情況。使用后能夠將線路的損耗降低了10 個百分點，取得明顯的節能效果。

除了無功補償技術之外，電能優化使用對策更多的集中在用電設備方面。在采油廠地面工程中，注入系統中的各類泵機組是耗能大戶，要及時淘汰老舊設備，及時更新節能型的離心泵、節能型電動機、變頻調速技術應用等，滿足運行效率的同時，降低電能損耗。同時還需合理使用參數[9]。我國各油田采油廠地面工程中，電動機的節能使用情況集中在三相雙定子節能永磁同步電動機選用上。研究表明該電動機節電達30%[10]。雖然更換設備初期產生一定成本，但是從長期看，結合節能降耗的間接收益，長期經濟效益可觀。而在離心泵的優化使用中，應用泵內涂抹技術，能夠有效降低泵內水力摩擦，大幅度降低水力損耗，提高單泵運行效率4.4%，降低單泵電能損耗5.44%。

2.2.3 現代信息技術使用對策

互聯網已逐漸在節能領域應用。在條件允許的情況下，采油廠可以在地面工程范圍內，建立數字化的耗能管理平臺，時時更新各環節、每臺設備的耗能數據。收集數據涵蓋傳統能源消費量、耗能投入比、產值綜合能耗比、節能量、產值節能量等各種數據。由于各種歷史數據和實時數據規模呈現超大規模，現有的設備和網絡不能實現快速處理，所以需要借助云計算，及時計算出能耗數據和處理結果，立即計算出優化策略，及時傳送給各級管理人員。由此實現通過大數據、云端等技術，及時優化運行參數、調整運行策略，從地面工程整體系統的運行上實現節能降耗目標。

3 總結

“碳中和”的目標提出是國家對高質量發展的新的要求，是推進包括油田在內的各大企業改革發展的新的契機。作為能源產業鏈重要環節的采油廠，地面工程作為耗能的主要領域需要加大力度研究節能降耗策略。從新能源替代、耗能的回收利用、設備的優化運行、電能的優化使用和現代信息技術的推廣使用，可以大幅度提升現有能源的利用率，減少傳統耗能，有效實現節能降耗的目標。