江苏油田某接转站集输系统能耗分析及节能研究

赵洪滨，杨倩，江婷，杨微，黄辉，李奇

1.中国石油大学机械与储运工程学院，北京 102249 2.中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院，北京 100083

江苏油田某接转站集输系统能耗分析及节能研究

赵洪滨1，杨倩1，江婷1，杨微1，黄辉2，李奇2

1.中国石油大学机械与储运工程学院，北京 102249 2.中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院，北京 100083

江苏油田进入高含水开发阶段后，油田地面集输系统的运行效率普遍下降，系统能耗升高，因此建立集输系统能耗分析模型并对其能耗分布和能损分布进行研究是很必要的。针对江苏油田瓦6接转站集输系统利用热力学第一定律和第二定律分别对其能耗现状进行分析，发现加热炉总热负荷主要分布在650～900 kW之间，且随着季节有一定的变化规律，夏季相对较低，冬季相对较高，加热炉月日平均效率夏季一般较高，为75%～78%，冬季较低些，为55%～60%；加热炉火用效率偏低，经分析主要是由于供给燃料量过高、加热炉出口水温过高等原因造成的。并且对影响能耗的因素进行分析，发现减小燃油量或在较高负荷下运行可以提高加热炉效率。

油田集输系统；能耗分析；热效率；火用效率；节能措施

目前国内大多数主力油田已进入“双高期”开发阶段，原油产量逐年递减，含水不断上升，地面集输系统存在的问题越来越突出［1］，主要表现为系统效率低、原油处理成本较高，原有的部分站、管线、设备等设计能力与实际不匹配，原有集输方式已不适应现场要求等。油田经过许多年的开发建设，会进入高含水开发阶段，油田地面各生产系统的负荷率普遍下降，运行效率低，系统能耗升高。随着油田开发的继续进行，产量递减而能耗升高的矛盾将越来越突出。针对油田面临的这种生产状况，油田企业应进一步完善集输流程，降低系统能耗，优化运行参数，调整与改造现有的集输系统，大力推行节能降耗技术，使之与油田生产实际相结合，达到降低生产成本、提高系统效率、节约能源的目的。开展油田原油集输系统能耗分析与能量最优利用研究，对于控制原油生产中能耗上升，降低原油生产成本，实现油田地面工程高效、低耗、有序调整和科学管理将起到重要作用［2-4］。经报表统计，目前江苏油田瓦6接转站很多油井采出液含水率都高达80%，且集输过程中江苏油田生产过程采用的是粗放式生产方式，对用能的具体损失分布没有定量的研究，同时，所消耗的能量都是常规的油和电，在生产、输送石油的同时，消耗了大量的宝贵能源，因此急需对生产系统进行用能分析并进一步为采用可再生替代能源的应用提供定量的基础数据。在提出有针对性的节能措施前，对江苏油田瓦6接转站集输系统能量分布状况进行研究，优化和利用现有集输系统能量是必要的，将为油田节能降耗提供科学的依据。

1 江苏油田瓦6接转站集输系统

本文针对江苏油田某接转站能耗进行研究，该接转站位于兴化地区，该地区气候温和湿润，年平均温度15℃，1月最冷平均温度1.50℃，7月最热平均温度27.90℃；年平均降水量1 062.90 mm，多数年份从6月中旬到7月中旬，形成雨季（即“梅雨季节”）。年平均无霜期224天。本次研究对象为江苏油田下属瓦6接转站，瓦6接转站集输系统主要包括2个区块：瓦X6及瓦X7区块，共有油井数量36个，其中瓦X6区块16个，瓦X7区块20个，每个区块各有3个计量站。集输过程中从计量站到接转站都是采用三管流程，热水伴热的方式。瓦X6及瓦X7油井井口到计量站输油的伴热方式共有6种，分别是单管无伴热流程、单管中频电加热流程、三管伴热流程、四管伴热流程、五管伴热流程及六管伴热流程。瓦6接转站内部的流程图如图1所示，主要工艺流程为分离器—加热炉—油罐—外输泵—流量计—加热炉—外输管线。

图1 瓦6接转站站内流程图

江苏油田瓦6接转站生产能耗主要包括热能消耗和电能消耗2种类型。热能消耗主要用于提高产液的温度，降低输送黏度；电能消耗用于输送液体增压，为油气集输提供所需压力。燃油主要集中在油气技术系统的集油站中的加热炉，燃烧提供热量，耗电主要包括井口中频电加热和集油站中的燃料泵和水泵。关于瓦6接转站站内各设备型号说明如下：

加热炉1：800 kW真空加热炉；

加热炉2：2 500 kW真空加热炉；

加热炉3：1 250 kW真空加热炉；

分离器：PN1.6，DN1200油气分离器；

储罐1、2：200 m3油罐；

外输泵1、2：DYK12-50X6，Q＝12 m3／h，H＝300 m，N＝45 kW，有防爆电机；

水泵：Q＝46 m3／h，H＝300 m，N＝30 kW，无防爆电机；

燃油泵：Q＝2 m3／h。

2 能耗分析数学模型

2.1 物性参数模型

瓦6接转站集输系统中主要包括从井口到计量站、从计量站到接转站的管道输送，以及在接转站内部的处理。输送的介质是油井采出液，在站内主要能耗在加热炉，而加热炉所用燃料油是从油田采出液中抽取部分进入燃油箱，在燃油箱中经过破乳实现油水分离后得到，含水率最高1%。根据可研性报告，江苏油田发2接转站油品动力粘度为54.89 mPa·s，运动黏度为63.13 mm2／s，密度0.889 3 g／cm3，凝固点35℃。故研究能耗分析过程中油的物性参数极其重要。主要物性参数包括密度、比热和低热值。

原油的密度指在地面标准条件下，单位体积的脱气原油的质量，单位是kg／m3或g／cm3。在已知原油20℃的密度ρ20时，可用经验公式（1）、（2）进行其他温度下的密度［5］计算：

式中：ρt、ρ20为温度为t和20℃时的原油密度，kg／m3；ζ为温度系数，kg／（m3·℃）。

燃料油的比热容［6］c≈2.14 kJ／（kg·K），江苏油田瓦6接转站油井采出液含水率高达80%以上，采出液中几乎不含气体。对于比热容这样的物性参数，混合物之值是各个成分的加权平均值。故当采出液的含水率为w时，比热容计算如式（3）所示。

式中：Qnet，v，ar为燃料油的低位发热量，kJ／kg；ρ20为20℃时燃料油的密度，kg／m3。

江苏油田燃油密度为0.889 3 g／cm3，其含水率低于1%，故得其低热值为42 225.25 kJ／kg。

2.2 加热炉能耗模型

瓦6接转站中的加热炉是重要的耗能设备，占据了系统总耗能量中很大的比例，属于集油站主要的节能对象。加热炉通过燃料燃烧和对流换热2部分完成化学能向被加热介质热能的转换，这个过程伴有排烟损失、化学不完全燃烧损失、散热损失、机械不完全燃烧损失等能量损失过程，基于此分析建立了如下加热炉能量模型，如图2所示。

式中：cp，mix为混合液比热；ω为含水率；

cp，oil为原油比热；cp，water为纯水比热；燃料油的发热量很高，通常使用的燃料油［7-8］，低位发热量Qnet，v，ar＝37 000～42 000 kJ／kg。本文中由20℃时的燃料油密度ρ20计算燃油的低热值，热值计算如式（4）所示：

图2 接转站加热炉能耗模型

表1 相关物流的流量与温度

加热炉热负荷计算如式（5）所示：

式中：G为被加热物流质量流量，kg／s；c为被加热物流平均定压比热容，J／（kg.℃）；Iin、Iout为进、出口物流单位热焓，kJ／kg；tin、tout为进、出口物流温度，℃。针对瓦6接转站，相关物流的表示方法如表1所示，加热炉热负荷如式（6）、（7）所示：

加热炉热效率计算：

2.3 管线能耗分析模型

输油管道是按照工艺流程的要求设计安装而成的一个完整的管线系统，用以实现油品的输送，以黑箱模型来对某段管路能耗进行建模时，其输入能量是物流带入该段管线的能量，输出能量是物流带出该段管线的能量以及该段管线的散热损失量［9］，因此，某段管路能耗模型为

式中：Qin、Qout为物流进出该段管路的能流量，kW；Ql为该段管路散热量，kW。

瓦X6区块管线从井口到集油站基本都埋地，瓦X7区块管线从井口到集油站基本都在空中，主干路线都是有伴热回水的，因此能损计算采用正平衡方法。

热水从集油站加热炉由泵加压后输送到计量站再至井口为油田采出液伴热至计量站及接转站，形成回水系统。图3给出了瓦6集油站集输管线能损模型。

图3 瓦6接转站管线能损模型

油田采出液由井口到集油站吸热量为

式中：qmi为每一口井的油田采出液流量；ci为各油田采出液的定压比热；t2i为各油田采出液集油站温度；t1i为各油田采出液井口温度。

伴热热水出加热炉后分为三股，在瓦6集油站有3个总的水流量计，其中到油井供水分为2条总管线出站，分别为瓦X6区块配水平均11.2 m3／h和瓦X7区块配水平均13 m3／h。还有一部分水供站内采暖用，如图4所示。

图4 瓦6接转站配水情况

油田伴热热水放热量为

式中：qwi为各股供热热水流量，单位kg／s；ci为水的定压比热容，一般为定值，ci＝4.18 kJ／kg·K；tw1为伴热热水出加热炉温度，℃；tw2为伴热热水混合点温度，℃。

由于部分油田井口有电加热设施，耗功为W，则换热过程热损失为

2.4 集输系统能耗评价模型

从热力学第一定律的角度直观的评价瓦6接转站能耗，可以由以下评价指标，主要包括加热炉效率、采出液热负荷、伴热热水热负荷［10］等。

加热炉效率的计算公式如式（8）所示。吨采出液液、吨伴热热水热负荷计算表达式为

式中：Qmix、Qw为吨采出液、吨伴热热水热负荷，MJ／t；QE，mix、QE，w为采出液、伴热热水总热负荷，kW；qmix、qw为采出液量、伴热热水量，t／s。

由热力学第二定律分析得到火用效率：

3 能耗分析结果与影响因素分析

依照江苏油田瓦6接转站2013年全年现场采集数据，包括采出液及伴热热水等参数，根据集输系统效率及能耗计算数学模型，来对该接转站能耗进行分析。

3.1 加热炉总热负荷变化规律

加热炉是实现油井采出液伴热、站内储油罐保温的最主要设备，影响加热炉效率的因素主要有加热炉类型、燃烧器、空气系数、排烟温度和炉体散热等。影响加热炉总热负荷的因素有采出液量、伴热热水量、采出液温升和伴热热水温升等。

图5为2013年全年加热炉月日平均总热负荷分布图。从图中可以看出，加热炉总热负荷大部分分布在650～900 kW之间，且随着季节有一定的变化规律，夏季相对较低，冬季相对较高。在8月份平均热负荷达到最低值，为692.74 kW，在12月份达到最高值，为893.79 kW。加热炉月日平均热负荷在全年内有波动，这是由于影响加热炉热负荷的因素较多，如产油量、伴热热水量、加热炉油水温升等冬夏季差别较大造成的。

图5 2013年全年加热炉月日平均总热负荷

图6为2013年加热炉中采出液和伴热热水月日平均热负荷分布图。从图中可以看出，采出液月日平均热负荷分布在200～300 kW之间，在1月份时达到最高值，为297.597 kW，在10月份时达到最低值，为223.596 kW。

图6 采出液和伴热热水月日平均热负荷

伴热热水月日平均热负荷分布在400～600 kW，在5月份时达到最高值，为597.41 kW，在8月份时达到最低值，为429.432 kW，在冬季如10月11月份均较高。伴热热水在加热炉中热负荷受到循环水总量、加热炉中水温升等因素的共同影响。在5月份时较大的原因是该月加热炉中出水温度较高，水温升较大。

3.2 加热炉效率

加热炉是接转站内最主要的耗能设备，伴热热水在加热炉中吸热后再分别进入站内、瓦X6、瓦X7区块供热，故加热炉效率的高低可以直接反映接转站内热能的利用情况。图7为瓦6接转站内2013年加热炉月日平均效率分布图。

图7 2013年全年加热炉月日平均效率

从图7中可以看出，加热炉月日平均效率夏季一般较高，为75%～78%，冬季较低些，为55%～60%。加热炉月日平均效率在8月份达到最高值，为77.08%，3月份达到最低值，为57.66%。

选择高效的加热炉可以减少燃油消耗量，节约成本。优质的燃烧器可以使燃料充分燃烧，这是提高加热炉效率的先决条件，应选用优质高效燃烧器；过量空气系数大，会带走较多的热量，加热炉效率低，空气量不足，燃料不能充分燃烧，加热炉效率低；故要加强管理，合理调整空气系数，保证燃烧充分，确保较高的燃烧效率，达到降低燃油消耗的目的。而且还要加强生产维护，定期清垢，及时清理附着于火管、盘管表面的垢，防止换热能力降低；加强对加热炉防腐保温层的维护，减小炉体散热损失。

3.3 管线能耗及效率

图8所示为全年瓦X6、X7区块月平均管线吸热量。

图8 2013年瓦X6、X7区块月日平均管线吸热量

从图8中可以看出瓦X6管线采出液吸热量与季节变化有一定的关系，在8、9月份较低，冬季较高。瓦X6管线吸热在11月均值达到最高，为184.96 kW，主要原因是，所需热量较高的原因是，11月份瓦7～21和瓦7～8两口井的出液量比前几个月大很多，而且采出液含水率极高，含油率极低，给其升温所需热量较大。在9月份达最低值，为119.92 kW。瓦X7区块管线月平均吸热量在8、9月份较低，在4月份最高。原因是4月份一次进油温度为50℃，而其他各月均为45、46℃，采出液井口温度相差不大，故4月份管线油温升较大，故在4月份出现最高值。在9月份达到最低值，为74.09 kW，4月份达到最高值，为160.06 kW。

图9 2013年瓦X6、X7区块月日平均管效

图9所示为2013年瓦X6、X7区块管线月日平均管效。从图9可以看出瓦X7管道管效大部分高于瓦X6管道管效，这是由于瓦X6管线回水温度低，温差大的原因。瓦X6区块管效在11月份达到最高值，为64.82%，5月份最低为42.14%；瓦X7区块管效在4月份达到最高值，为74.91%，9月份最低为37.83%。

3.4 集输系统能耗影响因素

3.4.1 地温对吨采出液热负荷的影响规律

由于瓦6接转站瓦X6区块的管线全长1.7 km，而且基本都埋地，且埋深为1 m左右，所以在输送管线中吨采出液热负荷受地温影响影响很大。图10为江苏高邮地区地下1.0 m处月平均地温变化曲线，从曲线可以看出，2013年月平均地温在2月份达到最低值，为8.73℃，在8月份达到最高值，为24.85℃。

图10 2013年地下1 m处地温变化曲线

图11为地温对吨采出液热负荷的影响规律。可以看出，地温增加，吨采出液管线中的热负荷会减小。地温在夏季较高，冬季较低，故采出液在管线中吨热负荷也会随季节有明显变化，即夏季较低，冬季相对较高。从图中可以看出，当地温为8.73℃时，吨采出液热负荷为83.7 MJ／t，而地温升高至17.58℃时，吨采出液热负荷为68.1 MJ／t。地温每升高1℃，吨采出液热负荷可降低约1.76 MJ／t。

图11 地温对吨采出液热负荷的影响规律

3.4.2 燃油量对加热炉效率的影响规律

通过对瓦6接转站进行能耗分析，发现目前瓦6接转站的加热炉效率在春秋冬季普遍分布在50%～65%之间，而国家规定的0.5～3.6 MW的加热炉效率应为82%～85%。因此采用节能措施，提高加热炉效率，减小加热炉耗燃油量，对实现节能降耗至关重要。图12为不同负荷下改变燃油量对加热炉效率的影响规律。

图12 不同负荷下燃油量对加热炉效率的影响规律

从图中可以看出，在负荷一定时，随着燃油量的增加，加热炉效率缓慢降低。瓦6接转站集输系统的月日平均热负荷基本都分布在700～850 kW之间，故图中选取不同等级的负荷做曲线。可以看出，在热负荷为760 kW时，当燃料量从2.82 t／d降低至2.22 t／d时，加热炉热效率将从55.28%增加至70.22%。燃油量每减小0.1 t／d，加热炉效率可提高大约2.49%。

对于瓦6接转站集输系统，年均热负荷为784.81 kW，热效率为66.52%，消耗燃料量为2.42 t／d，若将年均燃料量控制在2.22 t／d，平均热效率可达到72.51%，年节约燃油量可达到73 t／d。现场对加热炉的控制设备简陋，燃油加入量也没有得到实时控制，故很多状况下燃油供给偏多，造成不必要的热能损耗。且对于加热炉的过量空气系数和排烟温度都没有监控，这些都是影响加热炉效率的重要因素，故增加对加热炉的监控措施很重要。

由于热力学第一定律只从量的角度来考虑能量的平衡、传递、损失情况，而没有考虑到不同种能量品质的不同，热力学第二定律从火用的角度出发，考虑了能量品质的差异，因此对系统进行火用分析可以更全面的看出系统能量利用的薄弱环节，可以以此为依据更合理的改善系统。选取冬季某典型日（1月21日）进行火用分析，该工况下的主要运行参数如表2所示。加热炉进水温度／℃60加热炉出水温度／℃75加热炉一次进油温度／℃46加热炉一次出油温度／℃50加热炉二次进油温度／℃50加热炉二次出油温度／℃70

表2 典型工况主要运行参数

产液量／（t·d－1）338

采出液含水率／%72.93采出液比热容／（kJ·kg－1·K－1）3.627 8

伴热热水量／（t·d－1）794.4消耗燃油量／（t·d－12.5

表3给出了2013年1月23日加热炉的火用效率，图12为典型日加热炉火用损分布图。由表2中可得，加热炉的火用损失为1116.09 kW，火用效率为12.73%，而一次能源效率为72.09%；从一次能源效率来说效率已经相对较高了，但是火用效率却很低。这是由于能量不仅有量的多少，还有质的高低，化学火用的品质高于内能火用，因此传统加热炉设备是对能量品质的一种浪费。

表3 典型工况系统火用效率

图13为该典型工况日下加热炉火用损失分布。从图中可以看出，87.27%的火用损失掉，其他12.73% 有8.4%被伴热热水所得，4.33%为采出液所得。伴热热水所得火用又进入管线中伴热。故整个集输系统的火用效率低于12.73%。

图13 典型日加热炉火用损失分布

表4给出了各区块伴热热水火用分布，从表中可以看出，瓦X6和瓦X7区块一次能源效率分别为52.54%和52.68%，火用效率分别为16.95%和22.14%，跟加热炉有相似的规律，因此火用分析在一定程度上更好地阐述了能量去向何方，又损失在了哪里，跟一次能源分析相结合可以更好地展示能耗分布。

表4 各区块管道火用分析

4 结束语

针对江苏油田瓦6接转站，根据其集输工艺流程、相关设备及相关参数，通过建立相关数学模型，在采集运行参数的基础上，结合当地环境温度、地表温度，对瓦6接转站2013年全年的生产运行进行了用能及能损分析，并对计算结果进行了分析总结。

从第一定律的角度对集输系统进行能耗分析可以得到瓦6接转站的能耗分布规律：加热炉总热负荷大部分分布在650～900 kW之间，且随着季节有一定的变化规律，夏季相对较低，冬季相对较高；采出液月日平均热负荷分布在200～300 kW间，伴热热水月日平均热负荷分布在400～600 kW间；加热炉月日平均效率夏季一般较高，为75%～78%，冬季较低些，为55%～60%；地温增加，吨采出液管线中的热负荷会减小；在负荷一定时，增加燃油量会降低加热炉效率；可以看出瓦6接转站的热能利用率不高，应通过改善管道保温及提高加热炉热效率等措施来提高热能利用率；另外在电能利用方面，目前瓦6区块进入开发中后期，集输设备均存在现有系统能力不匹配的情况，油田集输系统与集输动力设备等方面有较大的节能和挖掘空间；可以看出管效较低，分析现场取到的加热炉数据，加热炉出水温度一般都会烧至比要求值高，因此在伴热过程中出现较大的能量损失；许多井含水率较高，产液量极大，对于这些井可以取消管道热水伴热，依靠油井生产时的自身压力和温度将采出液通过管线输送；在主管线分叉处安装伴热热水流量计和流量控制阀，这样便于分配伴热热水量，避免流量过大引起的耗散。从第二定律的角度进行火用分析，对加热炉进行火用分析可以看出，在一次能源效率可以达到65.57%时，加热炉火用效率仅能达到11.31%。通过火用分析可以找出系统的薄弱环节，有了更合理的指导。

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Research on energy consum ption analysis and saving of crude oil gathering and transportation system in Jiangsu oilfield

ZHAO Hongbin1，YANG Qian1，JIANG Ting1，YANGWei1，HUANG Hui2，LIQi2
1.China University of Petroleum，Beijing 102249，China 2.Research Institute of Petroleum Exploration Development，Sinopec，Beijing 100083，China

After entering the high-water-cut exploitation stage，the operating efficiency of oil＆gas gathering and transportation system on the Jiangsu oilfield surface generally decreases and the energy consumption increases.Therefore it is necessary to establish an energy analysismodel on the gathering system and study the energy distribu-tion and distribution of energy loss of the system.In this paper，the gathering system ofWa 6 Block Station in Jiang-su oilfield is chosen as research subject，the first and second law of thermodynamics are used for energy analysis.It is found that the total heat load of the heating furnace ismainly distributed within 650～900 kW，following a cer-tain degree of variation of the season：the heat load is relatively low in summer and relatively high in winter；the av-erage efficiency of the furnace is generally higher in summer，75%～78%，and somewhat lower in winter，55%～60%；the exergy efficiency of the heating furnace is low，and themain reasons are found to be excessive amount of supplied fuel and too high water temperature at furnace outlet.The factors affecting energy consumption are also an-alyzed and it is found that reducing fuel flow or operating under high load can improve the efficiency of furnace.

gathering and transportation system；energy consumption analysis；heat efficiency；exergy efficiency；energy savingmeasures

TE8

A

1009-671X（2015）02-061-07

10.3969／j.issn.1009-671X.201408007

2014-08-26.

日期：2015-03-25.

国家自然科学基金资助项目（51274224）.

赵洪滨（1964-），男，副教授，博士.

赵洪滨，E-mail：hbzhao＠cup.edu.cn.

http：／／www.cnki.net／kcms／detail／23.1191.u.20150325.1315.018.html