浅析提高稠油集输系统效率

浅析提高M120区块集输系统效率代创辉清河采油厂工艺研究所摘要：据统计，油气集输系统的能耗一般占原油生产总能耗的30～40%，所耗能量包括热能、电能等，稠油区块这部分能耗更大，所以集输部分是油田节能的重点对象。在此通过对“集输工艺、输油动力设备、热能损耗、输油温度、原油粘度”等影响集输系统效率敏感性因素分析，阐明在稠油区块开发生产建设中提高集输系统效率的措施，以提高效率、降低稠油生产操作成本。主题词：系统效率敏感因素提高措施评价一、前言油气集输系统是将分散的油井产物进行计量、集中、增压、处理成质量合格的原油的过程集输系统效率与能耗紧密相关，效率的高低，在一定程度上是衡量集输工艺流程、设备管理、技术管理的重要指标。清河采油厂M120区块原油比重0.963，动力粘度5479厘沱（20℃），原油的高密度、高粘度特性对原油的开采和后期处理造成很大难度。该文主要针对后期集输过程中，分析如何降低各个环节的能量消耗，提高能量利用率，以达到提高整个集输系统效率的目的。二、集输系统效率计算公式要想清楚集输系统效率影响因素，必须先了解其计算公式，并对公式中各个参数有明确介定：系统总效率：式中，ηsi为各站效率；ηli为各管线管效；Bi为各站耗气（油）量，QyDWi为燃料基低位发热量，单位为kJ/m3(kg)；wi为各站耗电量，单位为kW·h；R为电能折算系数（热值当量），R=3600kJ／kW.h；n为站数。站效率：式中，Q’sb为介质从该站带出的能量；Qsb为该站供给介质的能量；Qsa为介质带入该站的能量。管效：式中，Gi为流量；Ci为比热；t’i、ti分别为入口、出口温度；P’i、Pi分别为入口、出口压力；ρi为密度。三、影响集输系统效率重要性因素分析分析稠油油田集输系统效率运行过程中的各个集输能耗节点，针对提高集输系统效率、热能利用率及减少集输系统效率电能耗量，以提高稠油区块集输系统整体效率，进行敏感性分析如下：1、集输工艺对油气集输系统效率的影响集输工艺是稠油区块集输系统的技术核心，是影响集输系统效率高低的决定性因素。一个稠油油田的地面工程建设，开发前期应多方论证,合理设计步站模式，在低投资高受益前提下，尽量减少中间耗能环节，提高集输系统效率。2、输油泵对集输系统效率的影响《中国节能政策大纲》中规定：油田输油泵运行效率指标不低于65％，目前国内外先进水平的输油泵效率在70％以上。根据不同生产情况，动力设备输油泵能耗一般占整个集输总能耗的25％～35％之间，泵效的提高在整个集输系统效率中有着举足轻重的作用。稠油区块的开发建设初期和后期的原油产量及含水波动比较大，输油泵大部分时间存在输送能力与实际输送量不匹配的现象。以我厂M120接转站为例，随着原油产量和综合含水的上升，进站液量由建站初期的800m3/d上升到2007年初的1450m3/d，输油泵理论排量为45m3/h，输油泵大部分时间在低效率工况下运行。因此，在各稠油区块集输系统输油泵方面还有较大的节能空间。3、热损耗对集输系统效率的影响由于粘度影响，稠油区块生产的伴热是冬季生产必不可少的，而伴热系统损耗主要存在以下因素：（1）、加热炉效率低下。如果锅炉上煤速度过快或者引风不足或过剩等因素都会引起煤或天然气燃烧效率低，这些情况都会浪费大量能量。（2）、集油及输油干线保温差，散热系数过高会引起过量热散失影响整个系统效率。总体来说，热损耗在整个集输系统能量损耗中不直观，跟其他因素相比较更容易被忽略，所以在今后对管线及设备的保温要进行综合性分析以提高热效率。4、原油粘度对集输系统效率的影响稠油跟普通轻油相同温度下比较，粘度要高得多，在温度低于其特定拐点温度时更是高出许多。而管线沿程摩阻损失h=λ×L/d×V2/2g，其中λ为水利摩阻系数，在层流态下值为64∏dv/4Q(v为原油动力粘度)。由此可见，稠油区块集输系统将比普通轻油在管损方面浪费更多能量，如何降低原油粘度又不浪费更多能量将是提高集输效率最重要问题之一。四、提高稠油区块集输系统效率的措施通过对集输系统效率计算过程的了解和其受影响的主要几个因素的分析，在结合实际生产基础之上，围绕提高集输系统效率，在稠油区块可实施以下措施：1、加强前期方案论证，优化集输工艺，提高集输系统效率。以我厂为例，一般采用的计量站——接转站——联合站的三级布站模式，原油在整个输送过程受液量、温度、粘度的影响，管压相对较高，能耗较大。目前国内外稠油输送广泛采用加热保温输送、加降粘剂、掺水辅助加热等方式，以达到降低输送介质粘度保证正常生产的目的。清河采油厂M120接转站在上述情况下存在很大能耗，为了降低能耗、提高效率，在经过前提论证后引进了分水器分离污水回掺工艺。改造后流程为：来液汇合后经换热器升温进入高效分水器进行油水气三相分离。低含水原油进入原缓冲罐后经混输泵升压输至联合站；分离出游离污水进入掺水罐（目前分水器水室直接进掺水泵），经掺水泵升压经过换热器升温后到阀组间分配至各个计量间掺水；分离出天然气与缓冲罐分离出天然气一并经干燥器后供锅炉燃烧使用。改造后在节能方面主要有以下效果：（1）、外输液量由改造前1450m3/d降低至改造后900m3/d左右，外输管压由2.2MPa降低到1.7MPa,改善了输油管线工作环境;输油泵由双泵运行改为单泵运行，大大降低了输油泵耗电（由改造前耗电2150KW降低到现在的1440KW）,每天节约用电710kw·h,折合电费340元。（2）、由于高效分水器分离效果较缓冲罐好，并且低含水原油在缓冲罐再次分离，每天分离出天然气由改造前2000Nm3增加到目前2600Nm3左右。每天高效分水器分离出500m3游离污水到换热器温度为55℃，较以前水源井来水温度40℃高出15℃，由于天然气的更多利用和游离污水热量的循环利用大大降低了锅炉烧煤量，平均每天节约用煤1.2t。（3）、节约掺水清水水源400m3/d。（4）、联合站污水处理减少400m3/d。采用分离游离污水节约大量能耗，但并不代表分离出污水量越大，就对提高集输系统效率越有利。当分离出污水大于700m3/d，外输含水将接近70％左右。由于稠油的高粘度特性，外输管压将急剧上升。在M120接转站在分水器试运期间，外输含水70％左右时外输管压曾升高至2.7MPa，不但电耗增加，而且对管线安全经济运行造成影响。总体来说，集输工艺技术的改进是提高集输系统效率的基础条件，选用适合的集输工艺将对后期节能降耗创造有利条件。2、提高动力设备运行效率在文章前部分已对集输系统中动力设备对整个集输系统效率的影响进行了详细分析。一般来说容积式螺杆泵效率能达到60％以上，较离心泵的平均效率50％更高些，并且对介质要求相对低些（可含气、含少量砂输送），因此近年来在我厂稠油区块广泛使用。（1）、输油泵选用泵效高的是一个主要方面，另一方面输油泵选用一个合理的工作状况也是必不可少的。上图为2CY－7.5/25型螺杆泵性能曲线，其扬程为2.5MPa，排量为7.5m3/h，从图中可看出，当出口压力达到2.0MPa~2.5MPa，排量达到其额定排量80％左右其效率达到最高，超过了60％。以清河采油厂联合站输油泵为例，在各工作条件满足最佳状态情况下，其泵效达到76％，机组效率71％；然而6号接转站同为泵效较高的螺杆泵，由于输送排量只有额定排量的35％左右，泵效仅为25.32％，机组效率仅为15.96％。可见输油泵的选型，以及后期的工作状况对输油泵的效率也起着决定性左右，提高技术系统效率也应该从这方面着手考虑。（2）、结合以上叙述情况，我们可对输油泵电机安装使用变频器进行节能改造。降低其电机消耗的无功功率，提高功率因数COSФ，从而提高整个泵机组效率。目前我厂输油泵安装变频器率达到92％以上，每年节约大量电耗。3、优化集油站点布站设计考虑到稠油液量、温度、掺水等参数的影响，在我们在新建站点时应该长远考虑，多方面论证，尽量做到接转站兼顾各计量站，各计量站兼顾到各个生产井。一般来说稠油区块计量站与周边油井的集输半径一般控制在500m左右，计量间管辖井数20口左右，输油支干线在0.4～06MPa左右。尽量减少单井管线或集油干线过长，引起管损和管线热损失过大，造成不必要的能量浪费。2007年9月M120区块计量站生产参数统计表站点产液量产油量掺水量掺水压力回站温度含水干线压力M1201#9.35.8302.63785％0.65M1202#50.918332.24178％0.58M1203#28.89.3552.53988％0.52M1204#146.954382.624170％0.7M1205#21.66.1402.63490％0.6M1206#129.120.8652.53889％0.6M1207#296.455.9922.54085％0.42M1208#253.253.2402.63581％1.01从上表可看出个别距离偏远站点回站温度大大低于近出计量站，可见热量损失之大。稠油区块的后期开发不可避免对集输站点整体布局产生影响，在后期设计工作中，我们要做到地面结合地下，对整个集输站点布局有个整体计划和布局，从而对后期工作创造有利条件。4、管径的选择目前国内外稠油输送广泛采用加热保温输送、加降粘剂、掺水辅助加热、掺稀油等方式，以达到降低输送介质粘度保证正常生产的目的。清河采油厂面120区高粘度油最初采用掺入活性水（即水和表面活性剂按适当比例配制），辅助升温的方式保证了整个集输系统的正常运作。但是由于降粘剂与联合站后期处理的破乳剂具有反相作用，影响联合站外输原油含水的稳定，所以M120区块采用的掺水辅助加热输送方式。费用管径动力费用管线投资和散热费用总费用最低费用影响管径大小经济性的因素比较多，而且计算起来都比较复杂。在这里我们主要一方面不同管径存在经济流速的流量范围，输送功率与管道直径的4～5次方程反比，及管径偏小会使泵压增高消耗功率急剧增大，从而动力费用大幅度上升；另一方面管线管径偏大的话，投资费用也相当大，并且热损失随着管径的增大而急剧增大。集油管线的管径差一个等级，散热量相差20％～30％。稠油集输中大部分靠掺水升温降粘输送，其中热量损失占相对主导地位，今后我们在管径选择应以热力条件为主，兼顾动力条件，收集详细数据资料进行核算，合理设计管径使管效达到最高。5、提高加热设备效率稠油集输系统中的加热设备是必不可少的，并且占总能耗的30％以上，如何提高加热炉效率将在提高整个集输系统效率中起到关键作用。提高加热炉效率的主要途径有：（1）、在加热炉选型问题上要根据实际负荷状况进行合理选择，防止额定功率与实际负荷偏差较大，造成“大马拉小车”现象发生，造成效率低下。（2）、加强管理工作和技术培训。对操作工人从理论基础和操作技能进行全方位培训，保证加热炉正确维护保养和在较好的状况下运行。（3）、安装仪器对空气过剩系数及时监测，对燃气量大小及时进行调整以提高效率。以M120接转站调整前后数据对比为例：调整前调整后烟气含氧量排烟温度过剩空气系数热效率天然气耗量煤耗量烟气含氧量排烟温度过剩空气系数热效率天然气耗量煤耗量％℃%N·m3/dt/d％℃%N·m3/dt/d18.91642.975.120406.313.71361.571944835.8注：该热效率采用反平衡效率经过对比发现调整后加热炉效率大大提高。（4）、可以考虑在有条件的加热炉点进行尾气余热利用改造，提高能源利用率，间接提高集输系统效率。五、结论石油作为全球紧缺的不可再生的战略资源，稠油开采必将成为各油田开发的重点，而“降低单耗、提高效率”是稠油油田开发建设的永恒主题。我们要通过优化集输工艺、合理设计、推广应用高效率动力设备、加强管理、增加综合利用等一系列提高集输系统效率的措施，进一步降低稠油生产成本，为企业的生存发展创造有利条件。参考文献[1]张劲军.易凝高粘原油管输技术及其发展.中国工程科学，2002，4（6）：71～76[2]李大上、陈康富.原油低温热输送研究.提高输油（气）管道综合效率技术研讨会论文集，中国石化股份公司管道储运分公司.中国石化出版社，2003，142～146