三级布站集输流程效率评价方法研究

刘 坤

(中国石油大学胜利学院 油气工程学院,山东 东营 257000)

节能降耗是当今社会发展的一大主题。作为能源生产和消费大户的石油天然气生产过程,节能降耗已经成为行业发展的主要制约因素。按照国家规定的节能指标,相关石油石化企业已经制定和执行了相应的节能降耗指标,因此,各生产单位的节能降耗情况,已经成为企业主要目标和重要任务。油气集输是油气产品的收集、处理和外输的业务领域,是石油天然气生产流程中的中间环节,也是能耗相对集中的环节。在整个集输系统中,重要的能耗设备主要有加热炉、分离器、泵以及储罐等。笔者以中国油气集输常用的三级布站流程为研究对象,结合现场实际生产情况,对集输设备的能耗进行算法研究,旨在为集输流程设备效率评价提供理论和实践参考。

1 集输系统流程

考虑到能源的充分利用,中国的油气集输流程多采用三级布站流程,即井口产出液经计量站计量后进入接转站,在接转站经过初步分离后进入集输联合站,进行油气水的集中处理,处理达标的油气水分相外输(图1)。

在三级布站集输流程中,为满足工艺要求,通常需要对油井产物进行加热加压,因此对集输流程的效率评价需重点考虑加热炉、分离器、泵、储罐等耗能设备的效率计算评价方法。

图1 三级布站集输系统流程示意图

2 加热炉的效率评价

加热炉主要用在原油脱水,原油稳定、原油外输降粘等工艺过程,加热炉的效率评价方法主要有反平衡计算法、正平衡计算法和仿真计算法。

2.1 反平衡计算

由于联合站加热炉的进出口一般不设流量计,无法准确的计量实际流量,不具备采用正平衡测试的条件,通常采用反平衡测试。加热炉的反平衡计算主要根据加热炉的热效率公式进行计算[1]。

η=q=1-(q1+q2+q3+q4+q5).

(1)

式中,q为加热(锅)炉有效吸热量,%;q1表示加热炉排烟热损失,%;q2为散热损失,%;q3、q4分别为气体、固体燃料不完全燃烧热损失,%;q5为灰渣携带的热损失,%。

油田加热炉一般燃油或燃气,不完全燃烧热损失q2、q4主要和烟气中CO的含量有关,这部分热损失当空气过剩系数处于1.05～2.0之间时可忽略;灰渣带走的热损失q6可以忽略不计。

于是,计算模型可简化为

q=1-q1-q2-q3.

(2)

2.1.1 散热损失的计算

散热损失可由四种方法计算得出:

(1)测量法。

按温度水平及结构特点将加热炉本体及部件外表面划分成若干近似等温区,测量各区段面积;用热流计测量每一区段的散热强度至少取10个数值,应用算术平均数求得每一区段的散热强度;各个区段的散热强度与表面积的乘积比上加热炉总供给热量即得到加热炉的散热损失。

(2)查表法。

加热炉的散热损失值见表1。

表1 散热损失值

(3)解析法。

加热炉散热损失可近似计算为

(3)

式中,q3为加热炉散热损失,%;F为加热炉散热表面积,m2;Qr为加热炉供给热量,kJ/h。

(4)间接计算法。

根据正平衡算法求出效率带入反平衡计算式中,再求出排烟损失,不完全燃烧热损失,从而得到加热炉散热损失。

2.1.2 排烟损失的计算

排烟损失的计算如下:

(4)

式中,m、n为计算系数,仅与燃料种类有关;tpy、tlk分别为排烟温度和冷空气的温度,℃。

根据经验,m、n可分别取值0.005和0.035,于是公式(4)变为

(5)

式中,α为空气过剩系数。

加热炉的热平衡测试分析表明,影响加热炉热效率的主要因素是空气过剩系数。而空气过剩系数与烟气中的三原子气体、氧气和一氧化碳的含量有关,它们之间的关系如下:

(6)

当空气过剩系数在1.05～2.0之间时,烟气中一氧化碳的含量非常小,可以假定为完全燃烧,即认为w(CO)=0。则将公式(6)进一步简化为:

(7)

式中,yCO2为二氧化碳在烟气中的体积百分率;yO2为氧气在烟气中的体积百分率。

2.2 正平衡计算

加热炉有效利用的能量与加热炉的总能量供给的比值为加热炉的热效率,表示为

(8)

式中,Q1为有效利用的能量;Qr为供给的总能量。

2.3 仿真计算

已知炉子结构参数、被加热介质的种类、流量、比热、入口温度,计算被加热介质的出口温度,表示为

Q=MrQL,

(9)

(10)

式中,t2为被加热介质的出口温度,℃;t1为被加热介质的入口温度,℃;Q为燃料燃烧的总发热量,kW;Mr为燃料消耗量,kg/s;QL为燃料低发热值,kJ/kg;η为加热炉的热效率,%;Cbj为被加热介质比热容,kJ/(kg·℃);qbj为被加热介质的质量流量,kg/s。

3 分离器的仿真计算及评价

3.1 分离器的仿真模拟计算

原油和天然气可以互溶,互溶的气液两相在一定温度、压力下可以达到气液平衡状态,因此,在分离器内停留一定时间的油气混合物也会近似达到气液平衡状态。在气液平衡的分离器内温度、压力条件下,可以计算溶解气油比Rs,表示为

(11)

(12)

(13)

Mo=659.681 2-10.836 9·°API， 15≤°API<38;

Mo=763.698 4-18.156 4·°API+0.123 5·

°API2， 38≤°API≤55.

(14)

式中，yg为天然气摩尔分数,可以由式(12)中相关参数的计算得出;Rs为溶解气油比,m3(气)/m3(油);Δo,Δg分别为脱气原油相对密度和天然气的相对密度(均是工程标准状态下);Mo为脱气原油分子量,先由公式(13)求出°API,之后可以运用式(14)计算得出。

遵循质量守恒方程式,在Rs被计算出后,分离器出口的气、液流量分别按下式计算[2]:

Qgout=Qgin-(Rs-Rs0)Qlin,

(15)

Mlout=Mlin+(Qgin-Qgout)Δgρa.

(16)

若为三相分离器,出口气体流量仍然可以按照式(15)计算得出。而出口的油、水流量应该按照下面的计算方法:

Moout=Mlout-Mwout,

(17)

Mwout=x1Mlin-x2Moout.

(18)

式中,Qgin为入口的气体流量(标准状况下),m3/d;Mlin为三相分离器入口液体流量,kg/d;Moout为三相分离器油出口流量,kg/d;Mwout为三相分离器水出口流量,kg/d;Rs0为进入分离器前溶解气油比;x1为分离器入口的原油质量含水率;x2为分离器油出口的出口原油质量含水率。

分离器出口的能量平衡可以根据能量平衡方程为

HginMgin+HlinMlin+Qin=HgoutMgout+HloutMlout-Qlost.

(19)

式中，Qin为外界传递的热量,kJ/d;Hgin、Hgout分别为进、出口气体焓值,kJ/kg;Hlin、Hlout分别为进、出口液体焓值,kJ/kg;Qlost为热量的损失,kJ/d。

3.2 分离器的处理能力评价

已知分离器结构尺寸,可以反算得出分离器的处理能力[3],其依据为分离器的分离效果要求和集输系统设计方法。

3.2.1 气体处理能力的评价方法

在分离器中,重力沉降分离油气混合物时,油滴会在重力作用下以某一初始速度下沉,速度不断增加,它受到的气流阻力相应也会逐渐增大。当阻力大到与重力相平衡时,油滴便开始匀速下降。由此可知,只有在气流把油滴带出分离器之前油滴已经沉降的情况下,才能完成分离。

为简化计算,需要做出以下假设[3]:

(1)油滴为球形,在沉降过程中不会破碎,也不会与其他油滴合并;

(2)不同油滴之间、油滴与分离器构件间(包括分离器内壁)没有作用力;

(3)在分离器重力沉降部分具有稳定的气体的流动,其中任一点的流速不为时间的函数,即流速不随时间变化而变化;

(4)油滴上合力为零且匀速沉降。

基于以上假设,计算模型可以得到一定程度的简化,总结出处于不同流态区的油滴匀速沉降速度公式如下,今后考虑到实际情况的出入时,这里将引入一些修正来使得计算更接近实际。

层流区:斯托克斯(Stokes)公式

(20)

过渡区:阿伦(Allen)公式

(21)

紊流区:ζ=0.44 牛顿(Newton)公式

(22)

这里引入阿基米德准数Ar以判断某一直径的油滴在分离条件下处于什么流态区,

(23)

根据式(23)求出Ar后,查表2确定雷诺数范围,根据流态选用油滴沉降速度计算公式。应用雷诺数Re来判断流态,其计算公式为

(24)

式中,μg为分离条件下气体(连续相)的动力黏度,Pa·s。

表2为3种流态下Ar和Re的对应关系。由雷诺数表达式可以看出,油滴的大小取决于沉降速度与雷诺数的大小。

表2 三种流态下Ar-Re的对应关系

一般情况下,能分离出直径为100 μm以上的液滴为分离器重力沉降部分的分离标准,因此wo是指直径为100 μm液滴的重力沉降段液滴的临界沉降速度。

由于立式分离器中气体流动与油滴沉降方向相反[4],由此可以得出,油滴能沉降的必要条件是:

w0≥wg.

(25)

式中,wo为油滴沉降速度;wg为气体在流通截面上的平均流速。

由于卧式分离器中气体流向和油滴沉降方向垂直,油滴沉降的必要条件为:气体携带油滴流过重力沉降区所需的时间大于油滴沉降至气液界面所需时间,

(26)

由于以上计算都是基于前面所做的假设,与实际情况不完全一致,需对气流速度进行修正,如下

立式分离器:

wgv=(0.7～0.8)w0.

(27)

卧式分离器:

(28)

可在允许的气体流速确定的前提下求出分离器气体处理量。由于进入分离器的油气比例会随时间不断变化,因此引入一个载荷波动系数β(取1.5～2),计算两相分离器的气体处理量。

液位控制在0.5D时,

立式分离器:

(29)

卧式分离器:

(30)

式中,p为绝对压力;Qgvs单位为m3/d;下标s表示工程标准状态,101.325 kPa,20 ℃。

由于卧式分离器的几何特点,液位不在0.5D时,需要引入液体流通面积与分离器横截面积之比m,卧式分离器气体处理能力计算公式为

(31)

根据几何关系,可求出m和液位高度H1间的计算式

(32)

式中,r为分离器圆筒半径,m。

3.2.2 液体处理能力

若要控制分离器液位一定,那么在某停留时间内,流入的原油总量应该等于集液部分的体积,因此液体处理量表示为

立式分离器:

(33)

卧式分离器:

(34)

式中,ho为分离器内控制液位至出油口距离;tr为原油在分离器中停留时间。

3.2.3 分离效果评价

计算分离器最小分割粒径以及分离器出口含水率需要依据分离器结构尺寸、控制液面高度、流量。

(1)从气中分出油滴。

对于立式分离器,由式(29)可得

(35)

对于卧式分离器,由式(30)可得

(36)

则由式(26)进一步可得出气中油滴最小沉降速度为

(37)

(2)从油中分出气泡。

因为气体密度小于原油密度,气泡在油气混合物中会上升。但由于原油粘度大,气泡相对于原油的速度不会产生很大变化,流态会保持层流。因此可以用斯托克斯公式计算直径为dg的气泡匀速上浮速度wg,公式为

(38)

若要气泡不被带出分离器则必须满足:气泡匀速上升速度不小于分离器集液区内任一液面的平均下降速度,即

(39)

在立式分离器中:

(40)

在卧式分离器中,由于不像立式分离器中稳定工况下集液区内任一液面的下降速度相同,而是不同集液区位置有不同的液面的下降速度。在图2中,假定分离器内液位高度距离分离器中心线高度为b,出油口距离分离器中心线高度为a,此时可做积分得到液面平均下降速度。

图2 分离器内液位平均降低速度

(41)

式中,wl为不同的确定高度处液面下降的真实速度,m/s。

若在一小段时间dt内,之前位于y处的液面下降一小段高度dy,根据物料平衡得

Qldt=2xledy,

(42)

原油液面的平均下降速度可以利用上式来计算。当液面控制高度为0.5D,出油口位于容器底,则:

(43)

4 泵设备

泵设备不仅是集输系统的重要能耗设备,更是油田注水系统的核心设备,因此,泵设备的模拟评价对系统非常重要,下面根据油田实际泵设备配置情况,总结对应的泵模拟计算方法。

4.1 离心泵评价方法

4.1.1 泵效率

泵的运行评价按照实际泵效来进行评价,具体计算公式为

(44)

式中,E实际为实际泵效,%;P有效为有效功率,kW;P电机为电机功率,kW;η为传动效率,取0.98。

(45)

(46)

式中,U为电机电压,V;I为电机电流,A;cosφ为电机功率因子。

4.1.2 泵机组效率

泵机组效率按GB/T3216标准进行测试。

(47)

式中,N有效为泵机组的有效功率,kW;N输入为即泵机组的输入功率,kW;N输入=P电机。

4.2 柱塞泵评价方法

4.2.1 泵机组效率

(48)

式中,η机组为泵机组效率,%;P出为泵出口压力,MPa;P入为泵入口压力,MPa;Q为流量,m3/h;N有功为即泵机组的有功功率,kW。

可通过下式计算得出:

(49)

式中,U为平均电压,V;I为平均电流,A;cosφ为电机功率因数。

4.2.2 泵机组单耗

(50)

式中,N单耗为泵机组单耗,kW·h/m3。

4.2.3 泵机组标准单耗

(51)

式中,N0为泵机组标准单耗,kW·h/(m3·MPa)。

5 储罐类

5.1 模拟计算

根据现场调研,联合站内储罐的散热量很大,造成了不必要的能量损失,因此,有必要对储罐进行计算,以评价其能耗。储罐的模拟计算需要做两点假设:

(1)罐内原油为纯液态;

(2)液位不随时间变化。

在此基础上根据质量守恒定律,分别得出沉降罐出口的原油、污水流量的计算式:

(52)

(53)

式中,Mlin为入口的液体流量;Moout为出口的原油流量;Mwout为出口的污水流量;x1为入口原油质量含水率;x2为出口原油质量含水率;x3为出口污水质量含油率。

5.2 评价方法

(54)

式中,D为容器直径,m;Qo为原油处理量,m3/s;μo为原油粘度,Pa·s;dw为水滴粒径,m;F为流场不均匀系数,D<1.2 m,F=1;D>1.2 m,F>1。

式(54)中,水滴粒径dw由经验确定。

沉降罐的结构尺寸确定之后,沉降罐的原油最大处理量由式(54)反算得出。脱水器的处理能力的计算可以根据原油停留时间来得出:

对于沉降罐有:

(55)

式中,Qo为原油处理量,m3/min;to为停留时间,min;D为容器直径,m;h为界面控制高度,m;F为考虑流场不均匀系数,D<1.2 m,F=1;D>1.2m,F>1。

已知沉降罐的结构尺寸、脱水温度、界面控制高度、原油停留时间,则可以算出原油最大处理量。根据以上两种方法分别反算出原油处理量,取其中较小者作为沉降罐的原油处理能力。令水滴沉降速度vw等于原油上浮速度vo,则可以反算出水滴粒径dw。

6 结 论

(1)分析了三级布站集输流程的能耗特点,分析了三相分离、原油脱水、原油稳定等工艺环节的主要设备,选取了对集输系统能耗影响较大的原油加热炉、三相分离器、油罐、泵为分析对象,总结了各种设备的效率仿真计算方法。

(2)结合多种设备能耗的计算方法,针对集输流程设备的特点,比较系统准确的梳理了适用于三级布站集输流程的设备计算方法。并对实际应用中根据现场能提供数据准确度的修正进行分析,具有很强的实践指导意义。