海上油气田原油处理系统火用分析

杨泽军， 朱海山

(中海油研究总院， 北京 100010)

海上油气田原油处理系统火用分析

杨泽军， 朱海山

(中海油研究总院， 北京 100010)

将火用分析法引入海上原油处理系统的能耗分析中，指导工艺流程优化、提高能量利用效率。概述了火用分析法及主要评价参数，提出了基于灰箱模型并结合HYSYS模拟对海上原油处理系统及设备进行火用分析的方法。选取EP24-2和KL10-1油田的两个典型原油处理流程进行火用分析，评价系统的整体能量利用情况。结果表明：2个海上系统的火用效率分别为29.07%和25.07%，大于陆上油气集输系统的火用效率；由于换热介质“能质不匹配”，换热器成为系统中火用损最大的设备，2个系统中换热器火用损率分别为83.7%和54.2%。建议优化热媒温度，以进一步提高海上原油处理的能量利用效率。

能耗分析；海上原油处理系统；火用分析；火用效率；火用损

0 引言

油气集输是海上油气田生产的主要环节，包含多种耗热、耗电设备，生产能耗巨大。目前，海上平台设计中采用焓分析法对原油处理系统进行能耗分析。焓分析法基于热力学第一定律，从“量”的角度对能量进行分析，但未能涵盖对能量“质”的评价。在油价持续低迷、开采成本攀升的新形势下，改进设计中的能耗分析方法对提高能源利用效率、减少资源浪费、节能减排、降本增效具有重要意义。

结合热力学第一、二定律的火用分析法将能量质量统筹纳入系统能耗分析中，对不同类型能量的动力利用价值进行区分，从科学性和实践指导性上优于仅关注能量数量的传统焓分析法[1-3]。由于火用分析法更明确、全面地指明了合理用能的方向，在能耗分析领域已获得越来越多的应用[1-4]。

朱明善[1]和吴梅[2]认为火用分析能够真正揭示出系统中能量利用不合理的地方，解决用能过程中能质不匹配的问题，并推荐采用逐级串联、分级使用的总能系统，保证能量的充分利用；项新耀[5]提出了针对陆上油气集输系统准确、可靠的火用分析方法，深化了集输系统的节能潜力测算，改进了大庆油田集输流程，使其火用效率提高数倍；李荣晖[3]、杨肖曦[4]和赵建新[6]分别对鲁宁线长清输油泵站和某陆上油气集输系统进行火用测试分析，建议选用与原油能级匹配的低温热流而不是燃料油或电加热原油，从而提高系统火用效率；成庆林等[7-8]分别采用黑箱和灰箱模型对油库系统进行火用分析，认为降低加热炉换热火用损是提高油库火用效率的关键；李东明等[9]对大庆萨南油田两个接转站的油气集输系统进行灰箱火用分析，发现主要火用损设备为原油加热炉、热水炉和外输加热炉。

本文将火用分析法引入海上原油处理系统的能耗分析中，探寻海上油气集输系统能量利用的薄弱环节，旨在指导工艺流程优化，实现节能减排、降本增效的目的。

1 火用分析法及评价参数

火用分析是指基于热力学第一、二定律计算各物流和能流的火用值，通过火用平衡原理确定系统的整体火用损失及各设备火用损失的权重，从而定位系统能量利用薄弱环节的热力学分析方法。物流火用、火用损失计算及火用平衡原理是火用分析的基础。

1.1 物流火用

物流火用是指物流由当前状态可逆地变化到与给定环境处于非约束性平衡状态过程中能够最大限度转换为有用功的能量。基准状态一般选用龟山-吉田模型[10]，环境温度T0=298.15K，压力p0=101.325kPa。

由热力学定律推导稳定系统单位工质的物流火用计算公式(忽略宏观动能和位能)为

(1)

式中：h0,s0为物流在基准状态的焓和熵；h,s为物流在某状态下的焓和熵。

本文通过工艺模拟软件HYSYS[11-12]模拟原油处理系统稳态工况，获取其中物流的关键热力学参数，用于计算物流火用值。

图1 火用平衡模型

1.2 火用平衡原理

从能量利用角度分析系统各火用流可知，输入系统的火用恒等于系统的有效输出火用与各种火用损之和，即火用平衡原理：输入系统的带入火用Ex,br和供给火用Ex,sup经能量传递或转换，部分消耗于内部的火用耗散Exl,in和外部的火用损失Exl,out，其余转化为系统有效输出火用Ex，ef。火用流关系如图1所示。能量系统火用平衡方程为

(2)

1.3 火用损失

任何实际过程总存在不可逆性，也必定伴随着火用向(火无)的转化。油气集输流程也不可避免地会产生由不可逆过程和能量排放引发的火用损失，如温差传热、机械摩擦、节流和混合等过程。

火用损失可通过过程中各物流的火用值进行计算。已知进入过程物系的火用∑Ex,br，∑Ex,sup和过程物系输出的火用∑Ex，ef，由火用平衡原理可知其火用损失为

(3)

1.4 火用效率

为比较不同工况下各过程和设备的火用利用情况、反映实际过程偏离理想过程的程度，火用分析广泛采用火用效率的概念[13]。火用效率η定义为输出火用与输入火用的比值，可逆过程η=1，完全不可逆过程η=0；火用效率越大说明过程的不可逆程度越小，热力学上越完善。

火用效率的确定须根据系统或设备的性质、目的和任务具体分析，如实反映系统和过程能量利用的具体情况。

1.5 火用损率

火用损率用于衡量系统的用能薄弱环节，即系统中单元设备的火用损与系统总火用损之比。设Exl,i和Exl分别为第i个过程的火用损以及系统总火用损，则火用损率为

(4)

(5)

2 海上原油处理系统火用分析

选取2种典型的海上原油处理工艺流程，通过HYSYS获取各物流热力学参数，基于火用平衡原理、采用灰箱模型对其进行火用分析，据此评价海上原油处理系统的整体能量利用情况及其中的薄弱环节。

2.1 EP24-2油田主工艺流程

EP24-2油田位于南海区域，产出原油为中质油，原油处理系统采用自由水分离、热化学脱水二级分离处理：各单井流体汇集，经合格原油/井流换热器加热后进入一级分离器进行油、气、水分离，油相经热媒换热器加热后进行二级分离，出口原油经增压泵加压，与井流换热后储存。流程灰箱模型如图2所示。

图2 EP24-2工艺流程灰箱模型

根据灰箱模型，得出其系统火用效率为29.07%。由于海上平台采用合格油/井流换热器回收原油热量，同时采用低温热媒加热井流，因此系统火用效率远高于陆上某集输系统9.65%[4]和大庆萨南油田N8-3和N8-4接转站4.60%和7.63%的火用效率[10]，其中各设备火用损率分别为：分离器6.4%，节流阀5.3%，换热器83.7%，泵4.6%。

可以看出，换热器是EP24-2流程的主要火用损设备，热油/井流换热器火用损率9.7%，热媒换热器火用损率74.0%。换热器火用损失主要由温差传热的不可逆性造成，在高温热媒向低温井流传递热量的过程中能量虽守恒、能质却贬值，从而产生火用损失，降低了系统的火用效率。传热温差越大，能级不匹配情况越严重，热媒能量品味降低越多，火用损失越大，设备的火用效率也就越低，热油/井流换热器火用效率64.7 %，热媒换热器火用效率41.4 %。

此外，工艺流程中的节流、机械摩擦和组分分离等原因导致阀门、泵和分离器存在火用损失，但总量较小，共16.3 %。

2.2 KL10-1油田主工艺流程

KL10-1油田位于渤海区域，产出原油为重质油，原油处理系统采用典型的自由水分离、热化学脱水和电脱水三级处理：A平台海管来液经段塞流捕集器气液分离，液相与B平台来液混合，物流经合格油/井流换热器加热后进行油、气、水三相分离，油相加热进入热化学分离器，之后增压经电脱水器处理成合格原油，合格油与井液换热后进入缓冲罐，通过泵增压外输。灰箱模型如图3所示。

图3 KL10-1工艺流程灰箱模型

根据灰箱模型，得出其系统火用效率为25.07%，各设备火用损率分别为：分离器32.8%，节流阀0.2%，混合器4.2%，换热器54.2%，泵8.6%。

可以看出，换热器是KL10-1流程的主要火用耗设备，合格油/井流换热器和热媒换热器的火用损率分别为16.0%和38.2%，火用效率分别为68.1%和48.4%。由于KL10-1井流温度较EP24-2高，热媒与井流换热温差较小，因此换热器火用效率较高。

KL10-1流程中容器类设备较多并设置电脱水分离器(耗电设备)，因此其分离器火用损率较大，达32.8%。同时，由于其外输泵增压较大(1 200 kPa，EP24-2 200 kPa)，设备功率大，对应火用损失也比EP24-2大。

此外，流程混合A和B平台物流，两股物流温度、压力及组分有差别，混合过程中产生不可逆火用损，其火用损率为4.2%。

3 热媒进出口温度对火用效率的影响

海上平台生产系统热媒换热器热媒进、出口温度较高(EP24-2和KL10-1热媒进出口温度分别为180℃和160 ℃)，换热温差大，因此其火用效率较低，火用损率较高，这与文献[4,7,9]的研究结果一致。不同热媒温度下系统和设备的火用效率见表1。

表1 EP24-2热媒温度敏感性分析

由表1可知：热媒进出口温度对系统和设备火用效率影响很大，火用效率随热媒进出口温度的降低而升高；进口温度每降低10 ℃，系统火用效率平均提高1.3%，设备火用效率平均提高2.1%；热媒进口温度越低，系统和设备火用效率提升越大。

热媒温度的降低会引起换热面积的增加，因此在选择热媒换热温度时需要综合考虑能质匹配和设施投资，同时选择合适的方法提高传热效率，尽可能地增加能量利用效率。

4 结论

本文开展了海上油气处理工艺流程火用分析方法的研究，并对典型原油处理流程进行火用分析。主要结论如下：

(1)采用灰箱模型对EP24-2和KL10-1的原油处理流程进行火用分析，其火用效率分别为29.07%和25.07%，远高于陆上集输系统9.65%、7.63%(4.60%)的火用效率。

(2)由于温差换热产生大量不可逆火用损失，换热器成为严重的耗火用设备，在系统中火用损率超过50%；适当降低热媒温度同时提高传热效率，可提高能质匹配程度，从而增强能量利用效率。

(3)电脱水器、外输泵等耗电设备亦产生较大火用损，设计选型时需尽可能提高设备效率。

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Exergy Analysis of Crude Treatment System in Offshore Platform

YANG Zejun， ZHU Haishan

(CNOOC Research Institute， Beijing 100010, China)

A system of exergy analysis for energy consumption evaluation of crude treatment system in offshore platform is described to optimize the treatment process and improve energy efficiency. The methods of exergy analysis and main evaluation parameters are briefly summarized, and then an exergy analysis method suitable for offshore crude treatment system is proposed, which is based on Grey Box Model and HYSYS simulation. The use of the method is discussed and two examples, crude treatment systems in EP24-2 and KL10-1 oil fields, are given to evaluate their overall energy utilization. Analysis results reveal that the exergy efficiency of EP24-2 and KL10-1 are respectively 29.07% and 25.07%, which are far above the exergy efficiency in onshore crude treatment system. Emphasis is placed on the heat exchanger, which contributes to the largest exergy loss rate, respectively 83.7% and 54.2%, because of the exergy mismatching of heat medium. It is suggested that the exchanging temperature of heat medium be lowered in order to further improve energy efficiency in offshore crude treatment.

energy consumption evaluation; offshore crude treatment system; exergy analysis; exergy efficiency; exergy loss

2016-04-21

杨泽军(1986-)，男，工程师

1001-4500(2017)02-0069-05

TE624

A