基于過程方法的原油集輸系統能耗分析及節能對策

張田

（大慶油田有限責任公司第一采油廠）

自《京都議定書》生效以來，國際國內對能源供給與消費都提出了綠色低碳化的更高要求[1]。石油作為世界第一大能源，直接影響著世界各國經濟發展的諸多領域，雖然國際在減少“碳排放”的目標上達成了公約協議，但是，在目前的國際新冠疫情形勢背景下，各國對石油的需求并沒有顯著地減少。而原油生產過程中，傳統的油氣集輸系統中存在著較大的能源消耗[2]，這就加大了我國達成雙碳目標的難度，也增加了石油生產企業的成本，既不利于石油工程經濟效益的實現，也不利于突出我國石油企業整體節能降耗的社會責任。通過對原油集輸系統過程的分析，總結集輸系統的能耗，有的放矢地提出節能對策。

1 能耗分析

1.1 集輸系統簡介

油氣集輸系統是專門進行油氣資源集中、運輸、存儲和初加工的系統[3]。這一系統起始于原油井口，由抽油機將原油及其伴生物質提升出來，然后經過管道集中，并在場站進行必要的處理和加工。經過處理加工后的原油再經管道輸送至其他場所。總而言之，概括起來，原油集輸系統是生產合格原油的系統，其包含了：采油、輸油、集油、處理原油等生產過程。

1.2 能耗分析

原油集輸的各個過程都有能量的消耗。例如：在采油過程，需要消耗電能使電動機轉動，用來維持抽油桿帶動井抽油泵上下運動，從而把原油抽出。所以，在分析整個集輸系統的能耗情況時，運用過程方法可以更加全面地對能耗節點進行識別。

1.2.1 過程方法

首先，可以將過程理解為是互相作用以產生與組織目標相一致的結果，過程具有相關互聯的活動和輸入滿意實現輸出[4]。而通過技術性地將某一系統中各個過程加以識別，同時識別出每個過程或者過程之間的相互作用關系，再通過分析這些關系來配置資源和管理來達到預定的目標和結果，這種方法就是“過程方法”。

過程方法廣泛應用于企業管理體系中，企業通過運用過程的方法，梳理出生產和服務的主要過程，建立相應的工作（工藝）流程圖，使參與管理的人員可以清楚了解到自身企業生產和服務的關鍵內容，這些關鍵內容往往是需要進行控制，期以獲得更好的績效。過程方法適用性極強的管理方法，所以，也能夠應用在原油集輸系統中，用于分析組成系統的各個過程，將能耗節點一一分析出來。

1.2.2 集輸過程的能耗分析

通過對集輸系統的技術原理進行了細致分析，運用過程方法，將原油集輸系統識別為若干個過程，從而得到原油集輸系統的能耗表，原油集輸系統能耗分析見表1。

通過表1，可以清晰地看到，在原油集輸系統中的七個關鍵過程，主要的能耗為電能和天然氣，主要的能耗設備集中為各類的機泵，這些設備消耗的能源占生產原油總能源的90%以上。

表1 原油集輸系統能耗分析

1.3 原油集輸系統能耗現狀

我國的各大油田都存在著一個共性問題，就是油田區域范圍面積大，原油集輸場所分散，往往采用熱力、電力分供、分產的方式，這就導致油氣集輸系統生產活動的用電量較大、利用效率較低的現象[5]。集輸系統所需的電能依靠電網供給，造成電網距離長，線損增加；而熱能依靠場站的加熱爐或小型鍋爐提供，供熱面積分散，而且這些供熱設備技術并不先進，其燃燒效率大多數都低于77%，這就造成了能源浪費的現象。

為了防止原油在輸送過程中的凝固、析蠟而堵塞管道，所以需要對原油進行伴熱。這個過程中產生了能源的消耗，并且，輸送原油的管道以埋地管道為主，這些管道在地下由于各種原因存在保溫層剝落的現象，這就使熱量進一步散失，只有增加能源的消耗才能保證原油正常輸送。

如果電動機運行在額定負荷或額定負荷附近，則電動機屬于經濟運行[6]。但是，在油田實際生產過程中，由于產油量的不穩定，電動機長期處于輕載運行的狀態。電動機按照既定的轉速運行，卻沒有相應足量的負載，使得電動機、泵在運行過程中效率低下，存在負荷浪費的現象。

2 節能對策

基于上述各過程能耗設備、能耗的分析，結合我國油田集輸系統能耗現狀，針對工藝流程、設備設施等方面制定相應的節能對策。

2.1 引進新工藝技術

各油田可以根據自身地理、原油成分特點，結合國內外優秀的工藝技術成果，引進適用于自身節能減排需要的新工藝技術。

2.1.1 新采油工藝

可以在采油過程中，原有的游梁式抽油機的基本特點是結構簡單，制造容易，使用方便，特別是它可以長期在油田全天候運轉，使用可靠。但是，這種抽油機存在著能耗大，效率低下的問題，是采油過程中的主要能耗源。采用新的抽油機的舉升方式，配合以新設備的參數設置，就能獲得了較好的節能效果。目前，塔式抽油機技術發展比較迅速，其主要優點：一是沖程大，可以滿足需要依靠長沖程排液才能滿足原油生產的油井；二是其動載負荷相對較小，運行過程平穩，對管桿系統的沖擊力小，不易損傷管桿；三是能耗低，節電率可達40%以上；四是井場占地面積小于傳統油井，節約土地；五是鋼材使用量小，節約材料。正因塔式抽油機的諸多優點，基于節能的目的，可以在適用的情況下廣泛應用。在某油田應用塔式抽油機57 口，單井日節電48.0 kWh，節電率為50.7%，年可節電1.75×104kWh[7]。某油田應用塔式抽油機前后能耗對比見表2。

表2 某油田應用塔式抽油機前后能耗對比

2.1.2 低溫或不加熱集油工藝

加熱爐在長期使用過程中，煙管內會產生大量的煙垢，多層煙垢將造成煙氣排放不通暢，從而致使加熱爐燃燒效率降低。原油生產企業必須定期對煙管等部件進行清洗，否則既提高了天然氣的能源消耗，又直接影響了加熱爐的安全運行。在實際操作上，加熱爐煙垢清洗工作難度很大，清理后的效果也不十分明顯。現階段，通過往原油里面添加改進劑，使其結構出現改變，減小了油流黏度，切實增加集輸效益[8]。低溫或不加熱集油工藝主要有8種類型的方式來實現，包括：雙管出油不加熱集油；井口化學點滴加藥防蠟降黏不加熱集油；電熱伴熱集膚效應不加熱集油；單管通球不加熱集油；單管自然輸送不加熱集油；雙管摻常溫水不加熱集油；單管環狀摻液不加熱集油等。依靠對于采用這種方式的低溫或者不加熱集油工藝，可以很好地突破傳統的加熱集油工藝帶來的諸多限制，高效地利用含水原油，從而降低能耗。所以，在原油生產中，綜合設計、施工、生產的各項條件，盡可能地鋪開不加熱集油工藝的應用，實現節能減排的重要目標。

2.2 加熱爐的更（翻）新

原油集輸系統中，天然氣的消耗主要用于對原油的加熱、油水分離等。使用中的加熱爐普遍存在老化問題，出現了殼體脫落、保溫效果差、結垢嚴重等現象[9]。通過節能監測的數據，對那些能耗效率低的老舊設備進行更換。相較于舊式加熱爐，真空加熱爐應用了微正壓通氣燃燒技術，以及可以通過提高加熱爐氣缸容積的熱強度，并控制好過量空氣系數來實現熱效率的提高，對加熱爐的總體熱效率起到了很好的保障作用。引進真空加熱爐替換老式加熱爐，其熱效率可達90%以上，遠遠大于老式加熱爐77%的熱效率。

而對于一些暫時不便于更換的老式加熱爐，也可以運用一些工程方法來進行“翻新”。目前，加熱爐高效節能涂料可以涂抹在火筒處，能夠使其受熱面的輻射吸收率得到增強，紅外波被節能涂層多次吸收，通過內能傳遞作用，轉化為紅外輻射熱源，以致提高了吸收輻射熱量的能力。通過技術改造，一般能夠使加熱爐熱效率提高5%～10%。列舉某油田不同場站更（翻）新加熱爐前后能耗對比見表3。

表3 某油田不同場站加熱爐更（翻）新前后能耗對比

2.3 設置變頻器

集輸系統中的七個主要過程中都涉及電動機泵、壓縮機、加熱爐等能耗設備。這些設備都是高耗能設備，并且處于經常性的運轉狀態，是原油生產中電能消耗的主力軍，一般可占比在90%以上。但是原油產量是動態變化的，不是一個常量，所以，一成不變的電動機泵輸出負荷與變化的負載不能保持一致，這就造成了電動機不是處于最佳的工作效率狀態，從而產生了多余的能耗。設置變頻器可以解決這一問題。變頻器通過脈沖寬度調制（PWM）系統，按照負載量和電動機效率曲線改變交流電的頻率，使電動機轉速改變，輸出負荷匹配負載，達到電動機泵工作效率的最優化和節能目的。以某注水站注水機泵安裝變頻器后的能耗對比為例，可以看出安裝變頻器后能耗效率有了明顯的提升，某注水站安裝變頻器前后電動機能耗情況對比見表4。

表4 某注水站安裝變頻器前后電動機能耗情況對比

2.4 加大檢測力度

輸油管道的外保溫層的破損、脫落致使原油熱能損失。埋地管道的外檢測應用大功率金屬探測器、檢漏儀，可以有效地檢測出埋于地下的輸油管道外保溫層完整性。在檢測出的保溫層破損位置，以實時動態測量（RTK）設備進行定位，便于管道運營單位及時開展維護活動。通過實施埋地管道檢測，可以有效減少因保溫層破損脫落造成的原油伴熱能耗增加。

2.5 提速集輸系統信息化建設

伴隨著我國信息化技術的不斷創新與發展，更加集中的、智能的油田集輸信息化系統可以通過互聯網技術廣泛發揮作用。在其調控下，油田各原油集輸場站能夠提高油氣資源的利用效率，監視測量能耗設備運行情況，更加精準的對油氣、電能等進行計量，提供準確的信息。所以，加快集輸系統信息化建設，可以使原油生產過程工藝更加合理，能源分配更加有效，為油田管理人員提供更加高效、精準的數據。

2.6 加強能耗管理

2.6.1 建立能源管理體系

能源管理體系以“能源”為核心進行控制和管理，內容涵蓋企業能源管理和利用全過程[10]。它是應用相應的標準規范，在某企業建立一套管理體系。這一管理體系基于ISO9000 系列標準規范的結構框架，基于過程控制方法、風險的思維，以及PDCA 循環的管理模式，來管理企業的能耗績效。而且其能夠與企業的質量、環境、職業健康安全管理體系相融合，不斷推進企業的節能減排工作。

2.6.2 加強節能培訓

只有通過廣泛的節能培訓，才能使石油生產過程中廣大的員工獲得節能意識、節能方法和每個人對企業節能減排的重要性。使節能減排深入人心，最終人人參與節能，人人為節能獻策，形成節能減排的企業文化。

3 結束語

現階段，綠色發展、低碳發展是我國經濟社會發展的重要理念，同時，也是石油生產企業的發展方向，過程方法是一種適應性極強，且容易被人理解的管理方法，可以實現對集輸工藝多個過程的連續控制，并運用PDCA 循環模式，獲得對集輸工藝各過程的持續改進。油田在生產過程中，運用過程方法分析技術工藝，可以全面分析出原油生產全過程中能源消耗的重要節點。在此基礎之上，針對分析出的能耗關健節點，有的放矢地通過在一些采油、集輸場站，更新翻新加熱爐來節約天然氣能源；應用變頻器使電動機輸出功率匹配油液量來節約電能；開展管道檢測來減少絕熱層破損帶來的電能損失，以及油田企業內部不斷提升管理水平的實踐，在節約能源方面取得了顯著的成效。基于過程方法來分析能耗的方式，完全適用于油田各類產品的生產作業，并籍此實現油田生產的節能降耗目標。