油气集中处理站节能降耗与优化技术研究

李岩芳，韩光明，胡桂秋，李江飞

(1.承德石油高等专科学校 热能工程系，河北 承德 067000;2.承德石油高等专科学校科技发展与校企合作处，河北 承德 067000)

油气集输系统是油田生产的重要组成环节，它的技术工艺、能量消耗对整个油田的运行成本起着重要作用。随着油田进入高含水开发中后期，油气处理难度和成本都将急剧增加。对油气集中处理站系统进行技术改造可以降低原油处理能耗和成本，这也是目前节能降耗的主要途径。但是进行技术改造需要大量的资金投入，在资金投入不足的情况下，通过对油气集中处理站的运行参数进行优化调整，也可以实现节能降耗的目的。这种方法主要是着眼于现有的系统，投资少、成本低。以高青油气集中处理站系统为研究对象，探讨通过参数优化与流程改造以降低集输系统能耗的方法。

1 油品物性分析

对高青油气集中处理站的进站油样进行油品物性分析，包括密度、粘温特性和凝点等，研究这些参数可以为节能降耗技术方案提供有力的依据。影响原油乳状液破乳的因素很多，包括原油乳状液的性质、原油破乳剂的性质、外界脱水条件等。在一定脱水温度下，对比加入不同数量的破乳剂后，脱水率、脱水速率、脱出水含油率以及油水界面状态，得出破乳剂的破乳效果与加药浓度的关系，寻找合理的破乳剂浓度，以减少破乳剂投加量，节约投资。在不同的脱水温度下，对比加入相同数量的破乳剂后的脱水率、脱水速率、脱出水的含油率以及油水界面状态，得出经济合理的破乳温度，以降低加热炉的负荷，节约燃料。

通过实验研究得到如下结论:a通过密度测定实验，拟合出高青联合站进站原油密度随温度变化的经验公式;b通过粘温特性的实验研究，绘制了粘温特性曲线;c通过分析油品物性及破乳对比实验，得出经济的破乳温度。

2 油气集中处理站系统模型的建立与求解[1］

1)由于站内工艺流程已经确定，站内与油气处理直接相关的各种运行费用主要为药剂消耗、燃料消耗、电费三方面，系统目标函数可以表示为:

2)优化变量的确定。油气集中处理站的运行参数很多[2］，但是并不是所有参数都可以作为优化变量，有些运行参数对优化变量没有影响，有些参数不能独立确定，而依赖于其他的工艺参数，如外输温度等。通过对工艺流程的分析，确定本优化的优化变量为:

式中:C1—进站加药浓度;T1—进站加热炉出口温度。

各变量对目标函数的影响为:a加药浓度影响沉降罐的沉降脱水效果，加药浓度越高，脱水效果越好，从而使得加热炉出口油温可适当降低，从而减少了燃料费;但是加药浓度高，会使得药剂费用增加，因此必须优选加药浓度。b加热炉温度越高，脱水越容易、脱水效果越好，但是加热炉的能量消耗必然越大，因此不能盲目追求脱水器的高工作温度，应在满足油水指标的条件下尽量降低电脱水器的工作温度。

由上述各式及必要的工艺条件就组成了联合站参数优化的数学模型，该优化模型显然是有约束的非线性最优化问题，为了提高计算的速度和准确性，编制计算机程序进行求解。

3 油气集中处理站系统用能状况分析

油气集中处理站节能降耗研究主要涉及到系统效率、能耗合理性分析方面。系统效率主要反映该系统在油气处理过程中所消耗能量的利用率;能耗合理性分析主要反映该系统各个环节能耗的大小、能耗的合理性和用能的薄弱环节。

对油气集中处理系统进行用能状况分析的基础是能量平衡[3］。无论是系统内的集油管线、油气处理的设备还是系统内子系统(如加热炉系统、泵系统等)的用能分析，都建立在能量平衡的基础上。具体做法是运用节点法，首先确定用能分析的对象，然后建立节点系统的能量平衡，并计算能量平衡式中的各项能量，最后根据对象的功能分析各项能量的利用情况。

从能流图1可分析出影响高青油气集中处理站生产能耗的主要因素包括以下几个方面:

①被加热的污水量;②加热炉效率;③泵运行情况;④节流损失。

对系统进行节点划分如图2所示。

通过节点法对系统各用能单元分析(以泵单元为例)。

以卸油泵和装车泵为研究对象。通过分析计算，可得泵单元能流图3。

由图3可以得出以下结论:泵单元的有用功仅占电动机输入能量的34.8%，30.0%的能量损失在出口节流上，即泵传递给介质能量的46.3%又消耗在出口阀门上(对于节流损失，由于本站流程简单，管线较短，沿线节流部件较少，故为了简化分析，近似认为节流损失主要发生在泵的出口阀门处)。

通过分析得到:1)高青油气集中处理站加热炉单元的有效热负荷仅占加热炉热负荷的33.8%，燃料燃烧放出热量的40.7% 被油中含水带走;2)设备损失偏高，达总输入热量的25.5%，加热炉效率偏低。

4 系统用能优化

以加热炉为例进行优化分析。

对油样进行不加破乳剂的沉降脱水实验(沉降时间为35 min，温度分别为进站原油的夏季油温40℃，冬季油温37℃)，以确定分水器出口原油的含水率;然后，在对油样加入破乳剂(选用现用加药比0.06‰)进行沉降脱水实验，确定分水器出口原油的含水率，并与不加破乳剂时所测的含水率进行对比。实验结果见表1。

表1 预分水可行性实验数据对比表

通过对比实验数据可知，在夏季进站油温40℃、冬季进站油温37℃下，对油样加入0.06‰破乳剂后，再进行分水，油水界面清晰，水层较清澈，分水效果明显。进行预分水实验，得到分水前原油加热热负荷与分水后加热热负荷对比如图4。

Q1—加热含水原油的热负荷;Q0—加热不含水原油热负荷;q—含水率。

由图4可知，高青站加热炉进口原油含水由40%降到15%，站内热负荷可以减少23%。

以上实验结果证明，预分水可行。因此，建议在加热前、加药点后增设一台分水器，使加药后的管线来油和车倒油先进入分水器沉降，分出一部分水后，再进入加热炉加热。

利用原油物性参数，根据优化模型进行优化，得优化前后用能对比情况如图5。

如图5所示，增设预分水后，高青站热能利用率可提高至54.7%，近原来的两倍;加热炉燃料用量可减少约26.4%。为防止分水后油流流量减小、加热炉热负荷降低引起的加热效率过低(目前也存在这样的问题)，建议在预分水后只运行一台加热炉。

5 结论

1)由于高青油气集中处理站的年运行费用主要由电费和药费组成，对联合站用电进行优化，效果将较显著。

2)由系统能流图可知，加热污水，为能量流失的重头，且属于无用能量消耗。由结果可知，在加热炉前、加药点后增设预分水器，效果很明显。建议在加药点后，对进站原油进行预分水处理。采取预分水方式，可有效地减少加热炉燃料消耗，减少无效热负荷，从而降低油气集中处理站运行费用。随着油田的深度开发，原油含水将逐年增高，预分水处理的重要性也必将随之提高。

[1]李岩芳，韩光明.联合站工艺优化运行研究[J］.承德石油高等专科学校学报，2009(1):21－24.

[2]王晓明.白狼城-小河集输联合站优化运行研究[D］.西安:西安石油大学，2013.

[3]油田油气集输设计技术手册编写组.油田油气集输设计技术手册(上册)[M］.北京:石油工业出版社，1994.