自然耗油对油田化工能量流和碳素流分析研究

张洵，潘振

(辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001)

自然耗油对油田化工能量流和碳素流分析研究

张洵，潘振

(辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001)

从系统的角度出发，明确了油田化工系统的主要工艺、能耗设备，并分别从能量和碳排放角度对系统进行了划分；运用能量流分析方法，从系统角度对油田企业的工艺流程进行了能量流分析，确定了油田化工总系统和子系统的边界和主要影响指标，建立了各子系统和总系统的能量流分析模型，该模型能够清晰反映出我国典型油田企业的能量流动情况，并在此基础上，分析影响油田化工总系统和各子系统的影响因素及其变化规律。针对目前石油开采典型工艺流程，运用物质流分析方法，确定了 CO2的排放边界，建立了各子系统和总系统的碳素流模型图，通过解析各个环节的碳流运动方式以及运动方向。

油田化工; 自然耗油; 物质流; 节能; CO2排放

通过文献调研，明确了制约我国工业节能降耗的主要原因，系统检索了能量流、物质流方法的进展及应用情况以及油田企业的典型工艺情况，在此基础上，提出了从系统角度运用能量流、物质流的分析方法研究影响油田企业节能降耗的主要影响因素及其变化规律。基于能量守恒的前提下，构建了油田系统的能量流模型并指出了影响各系统的主要影响因素[1-3]。

1 油田企业能量流分析及其影响因素研究

目前国内石油生产企业广泛应用的采油方式为蒸汽驱采油，蒸汽驱采油方式就需要使用注汽锅炉将水加热，形成达到一定工艺要求的蒸汽；再由注汽井将生成的高温高压蒸汽注入到井下，这部分蒸汽可以将热能带入油层，从而降低原油的粘度使之更容易的从井下被抽出[4,5]。原油从采油井抽出之后需要进行计量处理，计量过程会对采出物进行初步的分离处理， 通常是将采出物分离为气体、 油水混合物以及一起被采出的泥砂（图1）。

集气管路中的气体会首先进行天然气的脱水处理，气体脱水的工艺与原油的脱水工艺不同，其中吸收部分能够把气体内的含水量和露点降低，再生部分能够将甘醇吸收的水分释放出来，使甘醇溶液浓度提高而进行再循环使用[6]。在正常生产工艺中，H2S 可以直接与水发生反应生成硫酸， CO2或者碳酸盐在某些情况下反应生成的 CO2能和水反应生成碳酸，所以工业上常常将 CO2和 H2S 称为酸气。 酸气在管路中会对输气管道等设备造成腐蚀，增加油气的生产成本，所以在实际生产过程通常采用醇胺法脱酸气工艺来对气体进行脱酸处理。除了对天然气的脱酸、脱水，在实际生产过程中我们还需要考虑商品天然气的燃烧热值以及烃露点。具体做法就是将天然气中分子较重的、热值较高的组分回收，把气体的燃烧热值控制在商品天然气的要求范围内。回收的烃液可以直接添加到原油当中，提高原油的品质也可作为化工原料[7,8]。经过处理的天然气和轻烃也被临时的储存在油田的储罐之中。最后根据实际生产需要，将油品、天然气以及轻烃输送出系统外。

图1 油气集输系统工艺流程图Fig.1 Oil and gas gathering and transferring system process flow diagram

2 油田企业能量流分析

2.1 油田总系统能量流分析

油田企业能量流模型图见图2。

图2 油田企业能量流模型图Fig.2 Oilfield enterprises energy flow model diagram

图中：

E'in,w：从系统外加入子系统的能量流之和。例如，外界的燃料具有能量流，kJ/h；

E''in,w：系统内其他子系统输入给子系统的能量流之和。例如，从采油井采出的油气水混合物输入计量站带入能量流，油气水混合物从计量站出来进入三相分离装置带入能量流。分离后的油、气送入联合站中带入能量流。

E'ef,w：系统内子系统输出产品的能量流之和用于其他子系统。例如，注汽锅炉产生的湿蒸汽具有能量流、分井计量装置脱砂后的油气水混合物具有的能量流、三相分离器分理出气体和原油具有能量流等。

E'''ef,w：子系统向系统外界输出的产品的能量流之和。例如，联合子系统产的标准原油、天然气、烃类化合物等送出系统外界带走的能量流。

E'L,out,w：系统内子系统用于其他子系统的废品的能量流之和。例如，三相分离器分离出废水送入采油井底进行加热油汽水混合物，联合站内工艺产生的废水经过废水处理站加工处理回注加热油层。

E''L,out,w：子系统回收自用的废品的能量流之和。例如，注汽站的注汽锅炉和联合站的加热炉会利用产生烟气的热量加热给水、空气等。

E'''L,out,w：子系统向系统外界输出的能量流损失之和。例如，燃料燃烧过程的燃烧损失，气体和固体不完全损失，传热损失，排出烟汽损失，散热损失等[9]。

2.2 油田总系统热力分析及因素分析

油田系统热平衡能量流图见图3。

图3 油田系统热平衡能量流图Fig.3 Oilfield system heat balance energy flow diagram

2.2.1 蒸汽干度因素

当注汽子系统的其他参数不变，注汽锅炉产生蒸汽干度变化会导致产生湿蒸汽的焓熵变化，随着蒸汽干度增加，湿蒸汽的焓也会增加。由于进入注汽锅炉给水的参数和给水量不变，通过计算，注汽子系统的有效热和㶲增加，但蒸汽子系统输入能量和㶲不变，通过计算，热效率和㶲效率也会增加[10]。

图4 蒸汽干度对注汽子系统热效率和效率的影响Fig.4 Effect of steam dryness on thermal efficiency and energy efficiency of gas injection subsystem

如图 4所示，将蒸汽干度从 75%增加到 96%的情况下，注汽子系统热效率从 77.43%增加到88.81%，注汽子系统㶲效率从 23.58%增加到34.91%，随着注汽锅炉产生的蒸汽的蒸汽干度增加，注汽子系统的热效率与㶲㶲效率也随之增加。

2.2.2 排烟温度

当注汽子系统的的其他参数不变，注汽锅炉的排烟气温度变化将会导致注汽子系统的排烟损失变化，随着烟气温度增加，排烟损失增加，当注汽子系统的输入能量不变，其他注汽子系统能量损失不变，排烟损失增加，必然导致有效热和㶲减少，从而导致注汽子系统的热效率和㶲效率减少。如图5所示，将注汽锅炉排烟的烟气温度从 180 ℃增加到260 ℃情况下，注汽子系统热效率从 86.38%降低到 83.44%，注汽子系统㶲效率从 27.30%降低到26.10%，随着注汽子系统烟气温度增加，注汽子系统的热效率和㶲效率有所降

图5 排烟温度对注汽子系统热效率和效率的影响Fig.5 Effect of smoke temperature on thermal efficiency and exergy efficiency of gas injection subsystem

图6 蒸汽量对注汽子系统热效率和效率的影响Fig.6 Effect of steam amount on thermal efficiency and energy efficiency of gas injection subsystems

2.2.3 蒸汽量

当注汽子系统的其他参数不变，注汽锅炉产生蒸汽量变化会导致湿蒸汽的吸热量变化，蒸汽量增加导致蒸汽的吸热量增加，注汽子系统的有效热和㶲也会增加，但蒸汽子系统输入能量和㶲不变，通过计算，热效率与㶲效率也会增加。

如图6所示，将注汽子蒸汽量从 100 t/h 增加到 120 t/h 的情况下，注汽子系统热效率从77.23%增加到 92.67%，注汽子系统㶲效率从30.36%增加到36.34%，随着注汽子系统的蒸汽量增加，注汽子系统的热效率和㶲效率也随之增加[11]。

2.2.4 过量空气系数

当注汽子系统的的其他参数不变，注汽锅炉的过量空气系数变化将会导致注汽子系统的排烟损失变化，当注汽子系统的输入能量不变，其他注汽子系统能量损失不变，排烟损失增加，必然导致有效热和㶲减少，从而导致注汽子系统的热效率和㶲效率减少[12-14]。

如图7所示，将过量空汽系数从1.0增加到2.4的情况下，注汽子系统热效率从 85.26%降低75.27%，注汽子系统㶲效率从26.27%降低24.27%，随着注汽子系统的过量系数增加，注汽子系统的热效率和㶲效率有所降低。

图7 过量空气系数对注汽子系统热效率和效率的影响Fig. 7 Effect of excess air coefficient of thermal efficiency and energy efficiency of steam injection subsystems

2.3 联合子系统的主要影响因素及其变化规律

2.3.1 排烟温度

当联合子系统的的其他参数不变，加热炉排放的烟汽温度变化将会导致联合子系统的排烟损失变化，排烟损失增加，必然导致有效热和㶲减少。

图8 排烟温度对联合子系统热效率和效率的影响Fig.8 Effect of smoke temperature on thermal efficiency and exergy efficiency of joint subsystem

如图8所示，将加热炉排烟的烟气温度从180增加到260 ℃情况下，联合子系统热效率从86.38%降低到 83.44%，注汽子系统㶲效率从 27.30%降低到 26.10%，随着注汽子系统烟汽温度增加，注汽子系统的热效率和㶲效率有所降低。

2.3.2 过量空气系数

当联合子系统的的其他参数不变，加热炉的过量空气系数变化将会导致联合子系统的排烟损失变化，加热炉的消耗的空气量不变，过量空气系数增加，产生的烟汽量增加，排烟损失增加，当联合子系统的输入能量不变，其他联合子系统能量损失不变，排烟损失增加，必然导致有效热和㶲减少，从而导致联合子系统的热效率和㶲效率减少。

如图 9所示，将加热炉的过量空气系数从 1.0增加到 2.4的情况下，联合子系统的热效率从81.82%降低到 67.81%，㶲效率从 6.74%降低到2.83%。

图9 过量空气系数对联合子系统热效率和火用效率的影响Fig.9 Effect of excess air coefficient of thermal efficiency and exergy efficiency of joint subsystem

3 结 论

研究结果表明：油气集输系统热效率与㶲效率随着过量空气系数、排烟温度以及输送管路两端温差等因素的增大而降低，在热负荷、元素守恒等约束条件下，油气集输系统碳排放量随着单位时间燃料消耗量、碳氢比、燃烧效率以及过量空气系数的增加而升高。综上所述，开展油田企业系统的能量流、物质流分析并研究其主要影响因素及其变化规律对我国的能源节约和减少 CO2排放具有重要的意义。油田化工总系统的外排入空气中的碳主要集中在注汽子系统和输油子系统中，所以在实际生产中需要选择合适的锅炉以满足实际生产需要，以免造成生产不能正常进行或者资源的浪费的想现象。

［1］陈永进.胜利油田集输系统用能评价分析及仿真[D].中国石油大学(北京),2008.

［2］李必鑫,周庆忠,程新,等.自然损耗对储油经济效能影响的模糊综合评估[J].后勤工程学院学报,2006,22(2):79-83.

［3］郭继坤,苏捷,王红旗,等.人民解放军军用油料自然损耗标准的历史沿革及发展趋势[J].军事历史,2014(2):65-68.

［4］卢鑫，白皓，赵立华，等．钢铁生产 CO2过程排放分析[J]．冶金能源，2012，31（1）：5-9．

［5］韩志远．炼油企业生产的综合能源效率评价研究-以 M 炼油企业为例[D]．北京化工大学，2013：16-23．

［6］周继程，赵军，张春霞，等.炼铁系统物质流与能量流分析[J]．中国冶金，2012，22（3）：42-43．

［7］陈浩森，李天匀，朱翔，等．粘性流场中圆柱壳结构的振动能量流输入特性[J]．华中科技大学学报，2015，43（2）：55-56．

［8］赵业清．基于混合 Petri 网的钢铁企业能量流网络模型研究[J]．冶金自动化，2014，38（5）：27-29．

［9］祝军，乔非，李莉，等．基于混杂 Petri 网的钢铁企业煤气能量流网络建模与权函数优化[J]．东南大学学报，2012，42（增刊1）：122-125．

［10］赵斐．钢铁企业能源模型建模方法研究与应用[D]．上海：同济大学经济与管理学院，2010：1-9．

［11］苟连杰，谷伟，胡睿．基于能量流分析的大型工业企业低碳指标体系构建研究[J]．中国管理信息化，2013，16（2）：35-39．

［12］李培静．钢铁企业能耗分析评价与预测[D]．东北大学，2012：13~66．

［13］盛刚，孙彦广，徐化岩，等．钢铁联合企业子系统碳素流模型构建及O2排放研究[J]．中国冶金，2011，21（7）：1-4．

Study on Chemical Energy Flow and Carbon Flow in Oilfields by Natural Fuel Consumption

ZHANG Xun, PAN Zhen
（College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China)

The main process and energy consumption of the oilfield chemical system were clarified, and the system was divided from the energy aspect and carbon emission aspect, respectively. The energy flow analysis method was used to analyze the process flow of the oil field enterprise from the system viewpoint, the boundary and main impact indicators of oilfield chemical total system and subsystems were determined. The energy flow analysis model of the subsystems and the total system was established. The model can clearly reflect the energy flow of typical oil field enterprises in China. On this basis, the influencing factors and the changing laws of the oilfield chemical system and the subsystems were analyzed. Aiming at the typical process flow of oil exploitation, the emission boundary of CO2was determined by using material flow analysis method. The carbon flow model of each subsystem and the total system was established, and the carbon flow pattern and movement direction of each link were analyzed.

Oilfield chemical industry; Natural fuel consumption; Material flow; Energy saving; CO2emission

TE 33

A

1671-0460（2017）11-2342-04

2017-01-20

张洵(1985-)，男, 研究生学位，辽宁石油化工大学，研究方向:自然油耗对储油经济效能的综合评估。

潘振，男，副教授，博士，研究方向：天然气综合利用技术研究、天然气水合物动力学研究等。