夾點分析優(yōu)化后的油田聯(lián)合站分布式能源系統(tǒng)特征與節(jié)能潛力

徐濤，許飛，劉偉

(中石化勝利油田分公司，山東 東營 257000)

目前國內(nèi)外部分油田進入特高含水期，經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)普遍存在的問題有兩個方面：一方面，天然氣加熱爐效率普遍偏低，采出污水不能很好的利用；另一方面，供熱和供電獨立供給，熱能、電能綜合利用效率偏低，熱能直接利用過程產(chǎn)生的能量不可逆損失大。國內(nèi)外對于部分油田采出污水的處理，或排入地面儲水系統(tǒng)，或通過注水井回注到地下[1-2]。Sladovsky等[3]將美國蒙大拿州油田的采出污水用于農(nóng)業(yè)灌溉，結(jié)果表明相對于采出污水回注更加節(jié)能。Sahana等[4]針對污水余熱無合理利用的情況，提出了一種聯(lián)合冷卻-脫鹽裝置來回收油田高含水階段的余熱，從而減少了化石燃料的使用和相應(yīng)的溫室氣體排放。Gu等[5]使用熱泵回收采出污水余熱，并取得了很好的節(jié)能效果。但對于將燃氣輪機或燃氣內(nèi)燃機發(fā)電、煙氣驅(qū)動熱泵回收污水余熱和加熱原油等工藝相結(jié)合的處理方法研究較少，該方法對油田聯(lián)合站目前普遍存在的問題進行了統(tǒng)一處理，有較好的應(yīng)用效果。石油作為我國重要的能源消費類型，油田開采難度加大，采油成本上升[6]，其節(jié)能降耗對推進行業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型具有重要意義，能夠為實現(xiàn)更綠色的“雙碳”可持續(xù)發(fā)展目標作出貢獻[7]。

聯(lián)合站傳統(tǒng)用能系統(tǒng)的能流分析方法主要是基于熱力學(xué)第一定律的系統(tǒng)效率分析法[8-10]、基于熱力學(xué)第二定律的或熵分析法[11-12]及同時基于熱力學(xué)第一、二定律的熱經(jīng)濟分析法[13-14]。夾點分析方法已經(jīng)用于聯(lián)合站內(nèi)的能流分析[13-14]，但是尚未見到夾點分析方法用于聯(lián)合站分布式能源系統(tǒng)能流一體化優(yōu)化研究[15]。夾點技術(shù)是一種過程系統(tǒng)集成技術(shù)，以熱力學(xué)為基礎(chǔ)，能夠從宏觀的角度分析過程系統(tǒng)中能流沿溫度的分布，進而發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)用能的“瓶頸”，通過這種方法能夠去除“瓶頸”[16-24]。

本文通過對傳統(tǒng)聯(lián)合站以及聯(lián)合站分布式能源系統(tǒng)進行夾點分析，從而實現(xiàn)能流分析優(yōu)化。首先，基于燃氣內(nèi)燃機變工況能流模型，通過熱力模擬進行燃氣內(nèi)燃機的燃燒計算，進而對基于水套加熱爐加熱原油的聯(lián)合站進行夾點分析，然后對基于煙氣余熱驅(qū)動的溴化鋰吸收式熱泵能流模型，進行熱泵的變工況熱力模擬，得到熱泵性能指數(shù)和天然氣發(fā)電過程的耦合能流關(guān)系，之后，通過聯(lián)合站分布式能源系統(tǒng)的夾點分析得到夾點溫差的合理范圍以及優(yōu)化后的節(jié)能潛力，最后，對聯(lián)合站分布式能源系統(tǒng)與傳統(tǒng)聯(lián)合站進行了對比分析，從理論上驗證了采用夾點技術(shù)進行能流分析優(yōu)化的合理性。

1 埕東聯(lián)合站夾點分析

1.1 油氣處理工藝流程與換熱網(wǎng)絡(luò)物流分析

圖1所示為埕東聯(lián)合站工藝流程和運行數(shù)據(jù)。8股來液分別進入8個三相分離器，分離出來的原油進入加熱爐，污水送往污水站，被加熱爐加熱后的原油依次進入一次沉降罐、二次沉降罐進一步脫水，脫完水后的原油再次進入加熱爐加熱，加熱后的原油依次進入三次沉降罐和凈化油罐繼續(xù)脫水，最終脫水完成的原油經(jīng)外輸泵加壓外輸。

圖1 埕東聯(lián)合站工藝流程Fig.1 Process flow of Chengdong joint station

1.2 物流參數(shù)確定

夾點分析通常采用溫焓圖法和問題表格法兩種方法。聯(lián)合站內(nèi)能流關(guān)系較復(fù)雜，溫升幅度小，溫焓圖法不準確且很繁瑣，故采用問題表格法確定夾點。在進行夾點分析時，根據(jù)現(xiàn)場實際運行參數(shù)，得出如表1所示的聯(lián)合站物流數(shù)據(jù)。

表1 埕東聯(lián)合站物流參數(shù)

1.3 溫區(qū)劃分

在對冷熱物流進行溫區(qū)劃分時，首先要根據(jù)冷熱物流參數(shù)的初始溫度和目標溫度，按照升序排列；再選擇水套加熱爐的夾點溫差ΔT，按照熱物流溫度下降ΔT/2，冷物流溫度上升ΔT/2，將冷熱物流的溫度按升序排列；最后將聯(lián)合站內(nèi)中所有物流按其初始溫度和終了溫度的溫度高低，由高到低在坐標軸豎直方向標出，并畫成帶箭頭的垂直線，熱物流為下箭頭、冷物流為上箭頭，從而得到聯(lián)合站的溫區(qū)劃分圖。

(1)將冷熱物流的初始和目標溫度按升序排列。

熱物流：20、55、60、70、73、79 ℃；

冷物流：53、67、73、79 ℃。

(2)選定聯(lián)合站的夾點溫差為(ΔTmin)10 ℃時，熱物流溫度下降5 ℃；冷物流溫度上升5 ℃。

熱物流：15、50、55、65、68、74 ℃；

冷物流：58、72、78、84 ℃。

(3)將冷熱物流的溫度按升序排列。

冷熱物流：15、50、55、58、65、68、72、74、78、84 ℃。

(4)將整個系統(tǒng)劃分為9個溫區(qū)。

將所有物流按其初始溫度和終了溫度的溫度高低，由高到低在坐標軸豎直方向標出，并畫成帶箭頭的垂直線，熱物流為下箭頭、冷物流為上箭頭，如圖2所示。

圖2 溫區(qū)劃分Fig.2 Temperature-zone division

1.4 熱量衡算及熱級聯(lián)計算

第一步：根據(jù)溫區(qū)劃分圖，結(jié)合冷熱物流的參數(shù)值，計算聯(lián)合站系統(tǒng)中各網(wǎng)格內(nèi)的赤字量、網(wǎng)格的輸入熱量、輸出熱量。其中：

ΔHk=(∑CPcold-∑CPhot)(Tk-Tk+1)，

(1)

其中，ΔHk為第k個溫區(qū)所需外加熱量，kW；∑CPcold為溫區(qū)k中所有冷物流的熱容流率之和，kW/℃；∑CPhot為溫區(qū)k中所有熱物流的熱容流率之和，kW/℃；Tk和Tk+1分別為該溫區(qū)的進、出口溫度，℃；k為溫區(qū)數(shù)。

第二步，熱級聯(lián)計算，計算外界無熱量輸入時各溫區(qū)之間的熱通量。

第三步，確定最小加熱公用工程量。

第四步，溫區(qū)之間熱通量為零處，即為夾點。

表2所示為聯(lián)合站夾點分析的問題表格。

表2 埕東聯(lián)合站夾點分析的問題表格

1.5 總復(fù)合曲線

根據(jù)表2中數(shù)據(jù)，在T-H圖上作出熱泵系統(tǒng)的總復(fù)合曲線，如圖3所示，縱坐標為問題表中各溫區(qū)冷熱流體的平均溫度，橫坐標為對應(yīng)輸入的熱量。

圖3中H=0處對應(yīng)的橫坐標位置即為夾點位置，可以得出，聯(lián)合站油氣處理工藝流程夾點位置處的平均溫度為68 ℃，夾點之上表示需要的外界加熱量與平均溫度的關(guān)系；夾點之下表示需要的外界冷卻量與平均溫度的關(guān)系。最小公用加熱工程量為2 070.03 kW，最小公用冷卻工程量為20 866.91 kW。

圖3 總復(fù)合曲線Fig.3 Total compound curve

1.6 換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)整及節(jié)能潛力

為保證系統(tǒng)具有最大的能量回收潛力，應(yīng)遵循三條基本原則：在夾點處不能有熱流量穿過、夾點的上方不能加入冷卻公用工程、夾點的下方不能加入加熱公用工程[21-23]。如圖4所示，原換熱網(wǎng)絡(luò)存在不合理之處，物流C1、C2、C3、H11均違背了夾點基本原則，這樣會導(dǎo)致公用工程增加，不利于節(jié)能。因此，應(yīng)進一步結(jié)合夾點技術(shù)優(yōu)化處理，挖掘聯(lián)合站的節(jié)能潛力。

圖4 夾點下的換熱網(wǎng)絡(luò)Fig.4 Heat-exchange network under the pinch point

圖5為改造后的換熱網(wǎng)絡(luò)圖，在夾點之下，H1～H11需進行冷卻,夾點之上，C1～C3均需要831 kW的熱量，C4需要957 kW的熱量。將熱物流H9、H10、H11與冷物流進行換熱，將H11這股熱物流溫度降至夾點溫度，且要求夾點匹配中熱物流的熱容流率不大于冷物流的熱容流率，根據(jù)經(jīng)驗規(guī)則應(yīng)盡量選擇熱容流率相近的冷熱物流進行匹配換熱，所以將熱物流H11進行分流，使其中一部分熱量為237 kW，并與冷物流C4匹配，另一部分熱量為416 kW，并與冷物流C3匹配，增設(shè)的換熱器熱負荷1 680 kW。冷物流C1～C4剩余的熱負荷均由加熱公用工程來實現(xiàn)。

圖5 改造后的換熱網(wǎng)絡(luò)Fig.5 Heat-exchange network after the transformation

從改造后的換熱網(wǎng)絡(luò)可以看出，從3次沉降罐出來的污水進入換熱器E3、E4加熱加熱爐3和加熱爐4之前的原油，節(jié)省了加熱爐3和加熱爐4一部分的熱負荷，從一次沉降罐以及二次沉降罐以及出來的污水進入換熱器E1、E2加熱加熱爐1和加熱爐2之前的原油，節(jié)省了加熱爐1和加熱爐2一部分的熱負荷。優(yōu)化改造之前，聯(lián)合站需熱負荷為25 801 kW，采用夾點分析優(yōu)化改造之后，聯(lián)合站需熱負荷為24 441 kW，故節(jié)能潛力為(25 801-24 441)/25 801=5%。

2 聯(lián)合站分布式用能模式

目前，油田集輸領(lǐng)域聯(lián)合站的煙氣余熱和污水余熱回收利用技術(shù)主要包括熱能直接利用、分布式能源利用、余熱制熱制冷等方式。基于以上方式，提出“吸收式熱泵利用余熱”余熱利用模式、“基于天然氣的聯(lián)合站分布式能源系統(tǒng)”用能模式，天然氣發(fā)電技術(shù)和煙氣、污水余熱利用技術(shù)相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)天然氣能源的梯級利用和煙氣、污水余熱的綜合利用。

2.1 吸收式熱泵利用余熱模式

發(fā)電做功后的中溫氣體進入吸收式熱泵，通過熱泵回收煙氣、污水余熱，加熱原油，燃氣內(nèi)燃機產(chǎn)生的缸套水余熱也用于加熱一部分油田來油，發(fā)電機組熱水和油田含水原油進行換熱的換熱器采用螺旋板式換熱器。天然氣的能量通過機組發(fā)電、熱泵利用煙氣余熱、缸套水加熱原油等方式實現(xiàn)了天然氣的梯次利用，提高了系統(tǒng)的能源利用率。

2.2 基于天然氣的聯(lián)合站分布式能源系統(tǒng)用能模式

圖6為基于天然氣的聯(lián)合站分布式能源系統(tǒng)工藝流程圖，脫硫處理的天然氣和空氣混合后進入燃氣內(nèi)燃機，在氣缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生高溫氣體，進而通過發(fā)電設(shè)備發(fā)電。發(fā)電做功后的中溫氣體(煙氣)進入煙氣補燃式第一類溴化鋰吸收式熱泵，燃氣內(nèi)燃機排煙和燃油共同驅(qū)動熱泵回收部分污水余熱，發(fā)電機組的高溫冷卻水加熱部分油田來油，剩余部分油田來油和高頻聚結(jié)裝置出口含水原油通過螺旋板式換熱器與煙氣型吸收式熱泵制備的高溫熱水換熱，煙氣不足部分采用燃油補充。燃氣內(nèi)燃機的使用，減少了能源消耗和碳排放，實現(xiàn)了清潔能源的高效利用。

圖6 聯(lián)合站分布式能源系統(tǒng)工藝流程圖Fig.6 Process flow chart of the distributed energy system of the joint station

3 聯(lián)合站分布式能源系統(tǒng)夾點分析

3.1 物流參數(shù)確定

在夾點分析中，第一步要選取冷、熱物流，根據(jù)聯(lián)合站分布式能源系統(tǒng)實際工藝流程及能量轉(zhuǎn)換情況可知，熱物流有6股，冷物流有6股；根據(jù)各個設(shè)備的運行工況可知冷、熱物流的初始溫度與終了溫度，然后由各個設(shè)備中流經(jīng)介質(zhì)的比熱與質(zhì)量流量可求得對應(yīng)的熱容流率，最終由冷、熱物流各自對應(yīng)初始溫度與終了溫度的溫差與各自熱容流率作積可得相對應(yīng)的焓差，此即夾點分析的第一步。相應(yīng)的物流參數(shù)如表3所示。

表3 聯(lián)合站分布式能源系統(tǒng)物流參數(shù)

3.2 溫區(qū)劃分

在此以夾點溫差ΔT=14 ℃為例，對聯(lián)合站分布式能源系統(tǒng)的冷熱物流進行劃分。

(1)將冷熱物流的初始和目標溫度按升序排列。

熱物流：41.00、68.71、73.78、77.00、88.70、91.00、91.50、91.51、128.53、131.84 ℃；

冷物流：41.00、41.01、52.00、53.00、67.00、68.00、68.71、73.00、80.00、100.20 ℃。

(2)選定聯(lián)合站的夾點溫差為(ΔTmin)14 ℃時，熱物流溫度下降7 ℃；冷物流溫度上升7 ℃。則冷熱物流溫度分別為：

熱物流：34.00、61.71、66.78、70.00、81.70、84.00、84.50、84.51、121.53、124.84 ℃；

冷物流：48.00、48.01、59.00、60.00、74.00、75.00、75.71、80.00、87.00、107.20 ℃。

(3)將冷熱物流的溫度按升序排列。

冷熱物流：34.00、48.00、48.01、59.00、60.00、61.71、66.78、70.00、74.00、75.00、75.71、80.00、81.70、84.00、84.50、84.51、87.00、107.20、121.53、124.84 ℃。

(4)將整個系統(tǒng)劃分為19個溫區(qū)。

將所有物流按其初始溫度和終了溫度的溫度高低，由高到低在坐標軸豎直方向標出，并畫成帶箭頭的垂直線，熱物流為下箭頭、冷物流為上箭頭。進而得到系統(tǒng)的溫區(qū)劃分圖，如圖7所示。

圖7 溫區(qū)劃分圖Fig.7 Temperature-zone division map

3.3 夾點位置的確定

通過對聯(lián)合站分布式能源系統(tǒng)進行熱量衡算以及熱級聯(lián)計算，繪制總復(fù)合曲線圖，從而確定系統(tǒng)夾點位置，其具體步驟如下所示：

第一步：根據(jù)溫區(qū)劃分圖，結(jié)合冷熱物流的參數(shù)值，計算聯(lián)合站分布式能源系統(tǒng)中各網(wǎng)格內(nèi)的赤字量、網(wǎng)格的輸入熱量、輸出熱量。其中：

ΔHk=(∑CPcold-∑CPhot)(Tk-Tk+1)，

(2)

其中，ΔHk為第k個溫區(qū)所需外加熱量，kW；∑CPcold為溫區(qū)k中所有冷物流的熱容流率之和，kW/℃；∑CPhot為溫區(qū)k中所有熱物流的熱容流率之和，kW/℃；Tk和Tk+1分別為該溫區(qū)的進、出口溫度，℃；k為溫區(qū)數(shù)。

第二步，熱級聯(lián)計算，計算外界無熱量輸入時各溫區(qū)之間的熱通量。

第三步，確定最小加熱公用工程量。

第四步，溫區(qū)之間熱通量為零處，即為夾點。

根據(jù)熱量衡算以及熱級聯(lián)計算結(jié)果，在T-H圖上作出聯(lián)合站分布式能源系統(tǒng)的冷熱物流總復(fù)合曲線如圖8所示，縱坐標為問題表中各溫區(qū)冷熱流體的平均溫度，橫坐標為對應(yīng)輸入的熱量，H=0處對應(yīng)的橫坐標位置即為夾點位置，可以得到夾點平均溫度為59 ℃，最小公用加熱工程量為812.65 kW, 最小公用冷卻工程量為1 781.14 kW。根據(jù)物流數(shù)據(jù)可計算得到夾點溫差與公用工程量的關(guān)系，如圖9所示，公用工程量隨夾點溫差的減小而減小，屬于夾點問題，并且根據(jù)圖8所示的總復(fù)合曲線，臨近90 ℃的溫度區(qū)間存在局部熱源，所涵蓋的換熱器具有節(jié)能潛力，所以可以按夾點技術(shù)進行優(yōu)化。

圖8 總復(fù)合曲線Fig.8 Total compound curve

圖9 夾點溫差與公用工程量的關(guān)系Fig.9 Relationship between the temperature difference of the pinch points and the amount of public works

3.4 換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)整

為保證系統(tǒng)具有最大的能量回收潛力，應(yīng)遵循夾點分析三條基本原則。如圖10所示，原換熱網(wǎng)絡(luò)存在以下不合理之處：來自冷凝器的熱物流H5(蒸發(fā)器入口冷劑水)在原油換熱器內(nèi)存在跨越夾點傳熱，導(dǎo)致?lián)Q熱溫差大，違背了換熱網(wǎng)絡(luò)不能存在跨越夾點的傳熱這一基本原則，否則將會導(dǎo)致公用工程增加。因此，應(yīng)進一步結(jié)合夾點技術(shù)優(yōu)化處理，挖掘聯(lián)合站分布式能源系統(tǒng)的節(jié)能潛力。圖11為改造后的系統(tǒng)換熱網(wǎng)絡(luò)圖，在夾點之下，熱物流H5需進行冷卻。夾點之上，冷物流C2到C6需要加熱，所需熱量較大，可以通過熱泵發(fā)生器排煙與采出水進行混合換熱，進一步回收煙氣余熱；同時將熱流H5和冷流C4進行換熱，將熱流H5溫度分階段先降低至夾點溫度。

圖10 夾點下的換熱網(wǎng)絡(luò)Fig.10 Heat-exchange network under the pinch point

圖11 改造后的換熱網(wǎng)絡(luò)Fig.11 Heat-exchange network after the transformation

3.5 夾點溫差的合理范圍及節(jié)能潛力

通過技術(shù)經(jīng)濟評價可以確定聯(lián)合站分布式能源系統(tǒng)的最優(yōu)夾點溫差。計算得到夾點溫差與總費用的關(guān)系，如圖12所示。由圖12可以得出，較優(yōu)的夾點溫差范圍為12～14 ℃，依據(jù)實際情況，換熱網(wǎng)絡(luò)選取的夾點溫差14 ℃，符合要求。系統(tǒng)夾點溫差為14 ℃時，夾點平均溫度為59 ℃，即夾點處冷熱流體的溫度分別為52 ℃和66 ℃。

圖12 夾點溫差與費用的關(guān)系Fig.12 Relationship between the temperature difference between the pinch point and the cost

采用夾點分析之前，僅僅采用分布式能源系統(tǒng)用能模式，聯(lián)合站所需熱負荷為23 046 kW。較改進前傳統(tǒng)的聯(lián)合站用能模式，節(jié)省熱負荷2 755 kW，節(jié)能潛力為：(25 801-23 046)/25 801=11%。采用分布式能源系統(tǒng)用能模式并采用夾點分析，聯(lián)合站加熱需求為19 608 kW，較采用夾點分析優(yōu)化前節(jié)省熱負荷3 438，節(jié)能潛力為(23 046-19 608)/ 23 046=15%，總節(jié)能潛力為(25 801-19 608)/25 801=24%。

分布式能源系統(tǒng)聯(lián)合站具體的節(jié)能措施為：對于含水原油和油田來油可以通過熱泵發(fā)生器排煙與采出水進行混合換熱，進一步回收煙氣余熱，另外，可將蒸發(fā)器入口飽和水加熱含水原油，將高溫水在冷凝器和吸收器串聯(lián)吸熱，一段放熱過程改為高溫水吸收器和冷凝器串聯(lián)吸熱，兩段放熱模式進一步降低了原油換熱器傳熱溫差，降低原油加熱過程的不可逆損失。

4 結(jié)論

本文通過對傳統(tǒng)聯(lián)合站以及分布式能源系統(tǒng)聯(lián)合站進行夾點分析，根據(jù)夾點分析準則對換熱網(wǎng)絡(luò)進行改造，并對其進行節(jié)能潛力分析。結(jié)論如下：

(1)夾點分析優(yōu)化后的傳統(tǒng)聯(lián)合站相對于傳統(tǒng)聯(lián)合站節(jié)能效率達5%；

(2)聯(lián)合站分布式能源系統(tǒng)相對于夾點分析優(yōu)化后的傳統(tǒng)聯(lián)合站節(jié)能效率達5.7%

(3)夾點分析優(yōu)化后的聯(lián)合站分布式能源系統(tǒng)相對于聯(lián)合站分布式能源系統(tǒng)節(jié)能效率達15%；

(4)夾點分析優(yōu)化后的聯(lián)合站分布式能源系統(tǒng)較傳統(tǒng)聯(lián)合站節(jié)能效率達24%。