高含硫气田集输系统能耗分析与评价

梁金国，林日亿，王修张，刘德绪，尹家文，龚金海，王方正

(1.中国石油大学 储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580;2.中原油田设计院，河南 濮阳 457001;3.中石化天然气川气东送管道分公司，武汉 430070)

目前，国内正在开发的一些较大气田(如普光气田)的气井地理位置复杂且气候条件比较特殊，气田硫化氢、二氧化碳的含量都非常高。这些复杂的工况条件导致了气田集输系统布置相当复杂，造成了高含硫气田集输系统的运行效率低，能耗高。天然气集输系统的效率从广义上讲是指整个集输系统的能量利用率，是系统能量消耗的重要衡量指标。由天然气集输系统效率定义［1］，可定性得出天然气集输系统的站效与管效决定了整个集输系统的效率。因此，集输系统效率的提高要着眼于集气站设备效率的提高和处理流程能耗的降低［2，3］。本文针对高含硫气田集输运行效率低，系统能耗高的现状，应用热力学能量平衡原理和方程进行能耗分析，旨在为高含硫气田高效、低耗的运行提供技术保障。

1 集气系统

高含硫气田集输系统［4］因考虑H2S 气体危害及腐蚀一般采用全湿气加热保温混输工艺:井口天然气先进入集气站，经加热、节流、分离、计量后外输至集气末站分水;含饱和水蒸气的酸气至净化厂净化。

2 集气系统能量分析

能量分析，是指依据能量转换和传递理论，对设备或系统用能过程的有效性和合理性进行评价和分析。能量分析法分为能量平衡分析法和分析法［5］。

2.1 能量平衡分析法

2.1.1 能量平衡分析模型

能量平衡分析法主要利用热力学第一定律。对于一个系统来说，进出系统的能量变化等于系统内部的能量变化。而对于稳定系统，系统内部能量不变，因此进入系统的能量等于离开系统的能量。其能量平衡方程式［5］可表示:

式(1)中，Qwr、Qw分别为由介质带入、带出系统的能量(kW);Qsup为外界供给系统的能量(kW);Qpc为系统排出的能量(kW)。

2.1.2 集输系统内主要设备及系统的能量平衡分析

对于高含硫天然气田，天然气处理工艺包括:节流阀节流、添加缓蚀剂、添加水合物抑制剂、加热炉加热、清管、计量分离、输送等。为了便于整个系统的用能状况的能量平衡分析，建立能量平衡模型［6，7］。模型以井排来天然气混合物为入口，以外输湿天然气为出口，其间涉及天然气的加热、节流阀的降温，降压以及火炬的燃烧损失等，为一个开口的稳定流系统。

天然气集输系统的能量收支平衡方程:

式(2)中，Q1为天然气混合物进站时带入的总能量(kW);Qr为燃料燃烧释放出的总能量(kW);Qe为电能带入系统的等价热量(kW);Q2为湿天然气带出系统的能量(kW);Qhj为火炬损失能量(kW);Qjrl为加热炉能量损失(kW);Qqt为系统其他的散热损失(kW)。

2.2 集输系统分析

式(3)和式(4)中，Exin为进入系统的(kJ/(K·s);Exsup为供给，由源或具有源作用的物质供给系统的，如燃料、电(或功)等(kJ/(K·s));Exbr为带入，由除源以外的物质带入体系的(kJ/(K·s));Exef为有效，被系统有效利用或有带出的可被有效利用的(kJ/(K·s));Exefc为有效耗，指将原料加工成产品过程中理论上必须消耗的(kJ/(K·s));Exlin为内部损，系统内部由于存在不可逆的因素造成的损失(kJ/(K·s));Exlout为外部损，系统向外界排出的未被有效利用的(kJ/(K·s))。

图1 集输系统黑箱分析模型

图1 中，Egw为天然气混合物带入(kW);Eg为外输天然气带出(kW);Ew为污水带出(kW);Ef为集输系统供给燃料(kW);Ee为集输系统供给电(kW);El为集输系统总损(kW)。

图2 中，Ef1、Ef2分别为加热炉供给燃料和火炬供给燃料(kW);Ee1～Ee4为各设备所需电(kW);El1～El4为各设备损值(kW)。

图2 集输系统灰箱分析模型

2.3 实例计算分析

由于气田地面集输系统的集气站众多，而且大同小异，本文以某气田SC1 站(该站有5 口采气井)为例进行计算分析整个集气站、官网和系统的能量和量。

2.3.1 集气站计算

表1 SC1 集气站能量平衡分析

表2 SC1 集气站能量流动分布

由表1 和表2 可以看出各种能量损失中，火炬损失量最大，能耗损失系数为56. 99%，其次是加热炉损失系数为11.84%。由此可知天然气集输系统能耗的薄弱环节为火炬系统和加热炉。对此，应在确保安全的情况下对火炬和加热炉开展技术改造，提高热能利用率。

2.3.2 管网计算

集气管网包括3 条管线，通过管网用能分析，得到管网能量分析和分析结果(如表5)。

表3 SC1 集气站分析评价指标

表3 SC1 集气站分析评价指标

?

表4 SC1 集气站损计算结果

表4 SC1 集气站损计算结果

?

表5 天然气集输系统管网分析

2.3.3 集输系统计算

集输系统的能耗分析包括集气站的能耗与管网能耗的总和，因此需要将整个系统能量进行累加并计算，根据计算结果绘制能流图(图3)和流图(图4)。

图3 集输系统能流图

由图3 可以看出各种能量损失中，火炬损失量最大，能耗损失系数为58.78%，其次是加热炉损失系数为11.69%。由此可知天然气集输系统能耗的薄弱环节为火炬系统和加热炉。

由图4 可以看出，集输系统中存在的节流阀和火炬系统产生的损失效率过大(一级节流损失率为4.74%、二级节流损失率为7.09%、三级节流损失率为4.34%、火炬损失率为10.24%)导致天然气集输系统的效率为负值，因此不能用其表示站的可用能情况，只能采用热力学完善度这个指标来表示，整个集输系统的热力学完善度为0.70，说明天然气集输系统是一个可逆程度非常低的系统。

图4 集输系统流图

3 集气站的模糊综合评价

为了更全面评价天然气集输系统，这里采用模糊综合评价法综合评价高含硫天然气集输系统。模糊综合评价法［9］就是以模糊数学为基础，将事物的定性评价转化为定量评价，其优点是模型简单，容易掌握，多于因素复杂问题评价效果好。

高含量天然气集输系统的考核指标［10-12］，主要有经济指标、效率指标和生产约束指标三类。对于集气站，以往的评价指标为站的效率、万立方天然气耗电量、万立方天然气耗气量和火炬耗气量。而考虑高含硫量天然气湿气集输系统的实际情况，要考虑外输气体温度和外输气体压力。通过以上几个评价指标进行评价分析，各集气站评价结果见表6。

表6 各集气站评价

由表6 可见，集气站指标达到“良”的站有9 座，占69.23%;达到“中”的站有2 座，占15.38%;“及格”和“不及格”各有一座站，分别为7.69%。其中得分最多的站是SA2站，为86.75 分;“不及格”的站为SC5，得分为57.93。通过上述结果可以确定需要整改的站为SC4 和SC5 站。

4 结论

基于热力学第一、第二定律，建立了高含硫气田集输系统能量与分析模型，对天然气集输系统开展了计算分析，得到了能耗分布，绘制了能流图和流图。系统用能的薄弱环节为火炬系统和加热炉系统，可在保证安全的条件下减少火炬用气量和改善加热炉的燃烧工况来提高集气站的效率。在能耗分析的基础上，基于模糊数学方法和集气站评价指标，建立基于集气站评价指标的模糊数学综合评价模型，对天然气集输系统进行评价与管理。对于所评价的某气田，其集气站达到“良”的集气站得比例为69.23%，属于中上等水平。

［1］SY/T5264—1996，原油集输系统效率测试和单耗计算方法［S］.

［2］李雪峰.油气集输系统的能耗评价与能损分析［J］.应用能源技术，2009（06）:5-7.

［3］成庆林，孟令德，袁永惠.油气集输系统的节能潜力分析［J］.应用能源技术，2010（1）:1-5.

［4］何生厚.高含硫化氢和二氧化碳天然气田开发工程技术［M］.北京:中国石化出版社，2008.

［5］吴存真，张诗针，孙志坚.热力过程分析基础［M］.浙江:浙江大学出版社，2000:10-11.

［6］Pansoy Papalmbors ＆ Douglass J.Wilde.Principles of optimal design Modeling and Computation［M］.London.Cambridge University Press，1988:32-88.

［7］Jorge Verdejo Fiero，Miguel Peregrino Martinez，José A.Rodriguez Cruz. Processing Schemes of Wet Sour Gas and Sweet Dry Gas in Oil Production Facilities of Mexico.SPE 74385.

［8］庄学武.杏九油气处理装置能平衡测试与分析［D］.大庆:大庆石油学院，2009.

［9］许雪燕.模糊综合评价模型的研究及应用［D］.成都:西南石油大学，2011.

［10］邵立周，白春杰.系统综合评价指标体系构建方法研究［J］.海军工程大学学报，2008（3）:48-52.

［11］Anon.Computer optimization of large，complex gas-gathering systems［J］. Society of Petroleum Engineers（SPE），1999（12）:58-59.

［12］成庆林，孟令德，袁永惠.油气集输系统的节能潜力分析［J］.应用能源技术.2010（1）:1-5.