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油气集输系统节能降耗技术研究 隋新华( 控制理论与控制工程) 指导教师：马西庚( 教授) 中文摘要 油气集输是油田生产过程中的一个重要环节，在油田的中后期开 发阶段，采出液含水日益增高，油气集输生产系统的能耗也日渐增高， 如何降低浊气集输生产过程中的能耗己经成为急需解决的问题。 本文对油气集输系统的相关生产设备、生产环节和生产工艺流程 进行了详细分析，重点研究了生产过程中与能源消耗有关的各个环节； 针对目前油气集输生产系统能耗日渐增高的突出问题，系统全面的总 结了目前用于油气集输生产系统的各项节能降耗技术和方法。 课题研究涉及到的主要内容有油气集输系统概述、集输生产环节 及相关生产设备、节能降耗集输工艺及帽关技术、油气集输系统耗能 分析和油气集输系统节能降耗自动化技术等五个方面。 课题研究达到了预期的目标，通过理论与实践的结合，总结归纳 出了一些适合油气集输生产系统的节能降耗技术和方法，为油田油气 集输系统的节能降耗工作提供了方向性的指导和技术上的支持，具有 十分重要的现实意义。 关键词：油气集输，油气集输系统，节能降耗，油气集输自动化系统 s t u d yo fs a v i n ge n e r g ya n dc o n s u m p t i o nr e d u c t i o n t e c h n o l o g y f o ro i la n d g a sg a t h e r i n g s y s t e m s u ix i n h u a ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rm a x i g e n g a b s t r a c t o i la n dg a sg a t h e r i n gi sav e r yi m p o n a mp r o c e s si nt h eo i l f i e l d s p r o d u c t i o np r o c e s s i n t h em i d d l ea n dl a t e s t a g e o ft h eo i l f i e l d s e x p l o r a t i o n , t h ee n e r g yc o n s u m p t i o ni n c r e a s e ss t e a d i l yw i t l lt h ei n c r e a s i n g r a t i oo fw a t e ri nc r u d eo i l i ti sa l l u r g e n tp r o b l e mt h a th o wt or e d u c et h e e n e r g yc o n s u m p t i o ni nt h eo i la n dg a sg a t h e r i n gp r o d u c t i o np r o c e s s ， t h ep a p e ra n a l y s e st h ee q u i p m e n t s ，p r o c e s sa n dp r o c e s sf l o w sa b o u t t h ep r o d u c t i o ni nd e t m la n ds t u d i e st h ep r o c e s so fe n e r g yc o n s u m p t i o ni n p r o d u c t i o ns p e c i f i c a l l y i no r d e rt or e s o l v et h eo u t s t a n d i n gp r o b l e mt h a tt h e g r a d u a li n c r e a s i n ge n e r g yc o n s u m p t i o ni nt h e o i la n dg a s g a t h e r i n g p r o d u c t i o ns y s t e m ，t h ep a p e rs u m m a r i z e ss o m et e c h n i q u e sa n dm e t h o d s u s e df o rs a v i n ge n e r g ya n dc o n s u m p t i o nr e d u c t i o ni nt h eo i la n dg a s g a t h e r i n gp r o d u e t i o ns y s t e ma tp r e s e n t t h ep a p e rc o n t a i n sf i v ep a r t s ：t h es u m m a r yo ft h eo i la n dg a s g a t h e r i n gs y s t e m t h ep r o d u c t i o np r o c e s sa n de q u i p m e n t s ，t h et e c h n i c sa n d t e c h n i q u ea b o u ts a v i n ge n e r g yu s e di nt h eo i la n dg a sg a t h e r i n gs y s t e m ，t h e a n a l y s i so f t h ee n e r g yc o n s u m p t i o no ft h eo i la n dg a sg a t h e r i n gs y s t e ma n d t h ea u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n i q u e su s e df o rs a v i n ge n e r g ya n dc o n s u m p t i o n r e d u c t i o ni nt h eo i la n dg a sg a t h e r i n gs y s t e m t h e p a p e ra c h i e v e s t h e e x p e c t e dg o a l a n ds u m m a r i z e ss o m e i l l t e c h n i q u e sa n dm e t h o d su s e df o rs a v i n ge n e r g ya n dc o n s u m p t i o nr e d u c t i o n i nt h co i la n dg a sg a t h e r i n gp r o d u c t i o ns y s t e mt h r o u g hs y n t h e s i z i n gt h e o r y s t u d ya n dp r a c t i c e i tc a rp r o v i d es o m eg u i d a n c ea n ds u p p o r tf o rt h ew o r k o fs a v i n ge n e r g ya n dc o n s u m p t i o nr e d u c t i o ni nt h eo i la n dg a sg a t h e r i n g s y s t e m 。s ot h ep a p e rh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e k e y w o r d s ：o i la n dg a sg a t h e r i n g ，o i la n dg a sg a t h e r i n gs y s t e m ，s a v i n g e n e r g ya n dc o n s u m p t i o nr e d u c t i o n , a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mf o ro i la n dg a s g a t h e r i n g 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得中国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的既明并表示了谢意。 签名： 盔丝军 1 痧年厂月初e t 关于论文使用授权的说日且 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借 阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学隹签名： 导师签名： 丝丝丝渺g 年f 月? o 日 否年厂月矽日 中国f i 油大学( 华东) 硕七论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 课题的来源和目标 本课题为导师自选科研项目，主要是对胜利油田油气集输系统的节 能降耗技术进行全面总结和研究。通过理论与实践的结合，总结归纳出 一些适合胜利油田油气集输系统的节能降耗技术和方法，为油田油气集 输系统的节能降耗工作提供方向性的指导和技术上的支持。 1 2 课题的研究意义 能源的开发和利用，是社会进步的物质基础，是经济建设的可靠保 证。我国要在本世纪3 0 5 0 年代基本实现四个现代化，能源需求量将 十分巨大目前我国的能源产量和经济增长所需的能源需求之间还存在 很大的缺口。这个缺口要靠节能和降耗，要依靠科技进步，采用新技术 和新工艺，提高劳动生产率来补充1 1 1 。 我国的节能工作起步较晚，1 9 7 9 年才比较系统地抓节能工作。1 9 8 0 年国家开始编制节能规划，并纳入。六五”计划。此后文明确提出了，必 须在痂强能源开发的同时，大力降低能源消耗”和“坚持开发与节约并 重的方针，把节约放在突出位置”的能源方针。节能作为我国长期的能 源政策大大地推动了全国节能工作地开展，2 0 多年来取得了长足的进 步。减缓了我国能源的供需矛盾。 油田是我国重要的能源生产部门，同时也是能源密集型工业。中国 石化集团胜利石油管理局局长、胜利油田有限公司董事长曹耀峰说，“胜 剥油用既是产能大户，又是耗能大户。在加大节能措施的情况下，2 0 0 3 年生产原油2 6 6 5 万吨，实现利润1 4 2 亿元。同时年消耗能源合计4 7 4 万吨标准煤，其中消耗电量5 7 亿千瓦时。不节能不行啊! ” 油气集输是油田生产过程中的一个重要环节，主要任务是把分散的 油井所生产的石油、伴生天然气和其他产品集中起来，经过必要的处理、 初加工，合格的油和天然气分别外输到炼油厂和天然气用户；其主要包 括油气分离、油气计量，原油脱水、天然气净化、原油稳定、轻烃回收 等工艺。整个油气集输系统工艺涉及到一系列耗能环节，从目前各集输 中国f i 油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 单位的能耗统计情况来看现状并不是很理想，主要表现在工艺技术落 后、设备陈旧老化、跑冒滴漏现象严重、能源利用率低等方面，还存在 很大的节能降耗空间，因而有必要对油气集输系统的各耗能环节进行认 真的研究，结合当前的新技术、新工艺、新设备、新材料对油气集输系 统进行节能降耗技术改造将会大有所为 2 - 3 1 3 国内外油气集输系统概况 统计资料显示( 参见下表1 ) ，由于不断努力，国内个别油田在衡量 高效集输与处理系统的指标上，有的已经达到或接近国外先进水平。但 目前国内的平均水平与高效指标相比仍有一定差距，显然对于大多数油 田来说，仍需要经过一定努力才能由目前的实际水平达到高效系统要求 的指初i 。因此，如何实现高效节能的油气集输是我国油气田地面工程技 术领域今后一个时期内的一项非常重要的任务 表l ；国内外油气集输及处理系统指标对比 序指标名称 苴 赢效系国外平均国内先进 国内 号 位 统要求水平水平平均 水平 l油气集输密闭 1 0 0 1 0 0 1 0 0 6 2 1 塞 2 原油稳定率 1 0 01 0 01 0 05 9 8 8 3 天然气处理率 1 0 0 8 5 69 0 5 7 4 4 天然气利_ i j 率 1 0 09 5l o o8 2 4 5 5 原油损耗率 0 1 7 薯 o 50 3 o 50 9 5 0 3 2 6原油集输自耗 一t5 l o4 1 76 3 8 31 7 9 气 7加热炉运行效 7 8 8 08 5 9 0 7 9 7 0 室 8集输系统热能 6 0 7 06 8 75 5 利用率 2 中国 ，油天学 4 0 0 m p a s 。 集油、集气的动力：( 1 ) 自喷井剩余压力通常又叫油管压力。当 自喷井油嘴处的流速超过声速时。则取其油管压力的4 0 5 0 作为输 送油井产物的动力，油嘴处的流速为亚声速对，则油管压力可全部作为 输送油井产物的动力，该压力称为井口回压。( 2 ) 机械采油的剩余压力 抽油泵、潜油泵、水力活塞泵等的扬程将油气水混合液柱举升到地面后 所剩余的压力。全部可用做输送油井产物的动力。( 3 ) 地形自然位差地 形自然位差所形成的管线中的液柱压力羞也可推动井产物流动。 集油、集气的增压：( 1 ) 油气混输泵增压油气混合物在一定压力 条件下分离后，再度均匀成比例地混合，进入油气混输泵增压；适用于 油气混输。( 2 ) 密闭增压油气混合物在一定压力条件下迸入分离缓冲 罐，由其液位控制离心泵的排量，使之连续地与进入分离缓冲罐的液相 瞬间流率相同，增压后进入集油管线；适用于油气分输。 3 、油气水分离：( 1 ) 利用离心力、重力等方法，把油井产物分离 成气、液两相；在出砂的井中还要除掉固体混合物。( 2 ) 在油井有较 高剩余压力时，可采用多级压力分离，获得不同压力等级，并得到不同 组分的天然气。首级分离器压力要低予饱和压力。( 3 ) 高粘度原油在较 低分离温度条件下易起泡，需加入消泡剂减小原油表面张力。( 4 ) 需控 制分离器压力、液位和界面。 4 、原油脱水：有固体聚结床破乳、热力沉降、化学沉降、电场脱 水等方法 5 、原油稳定；( 1 ) 多级分离能减少石油蒸气的携带损失；( 2 ) 粘 度较高的中质原油宜采用负匿闪蒸法，控制原油饱和蒸气压。( 3 ) 轻质 原油，宣采用提馏法，控制原油的组分，从而控制饱和蒸气压。( 4 ) 重 质原油一般不需进行稳定处理。 6 、原油、天然气及凝液产品的储存：( 1 ) 盛装含水原油、脱水原 油和收发作业频繁的油罐，宜采用钢制拱顶立式油罐。( 2 ) 出矿原油作 为储存用的，宣采用钢制浮顶立式油罐。( 3 ) 高架，临茸寸工程宜采用常 压钢n i i i 式油罐，盛装原油。( 4 ) 大量储存液化石油气宜采用中压钢制 j 0 中国i i 油人学( 华尔) 硕+ 论文第2 章油气集输系统概述 球形铭罐：小量储存时可采用中压钢制卧式油罐。( 5 ) 储存大量饱和 蒸气址小于7 4 k p a 的天然汽油宜采用压力略高于常压的钢制拱顶立式油 罐：小量储存时可采用低压钢制卧式油罐。( 6 ) 储存高压天然气宜采用 钢制球形罐或钢制卧式储罐；储存低压天然气时宜用湿式气柜。 以上油气集输各单元工艺方法的具体选择，应根据油田的特点、基 础资料、优化理论和设计人员的实践经验，做出技术经济比较后确定。 2 4 油气集输系统工艺流程f 7 叫4 l 将油气集输各单元工艺合理组合，即成为油气集输系统工艺流程。 组合的原则是：( 1 ) 油气密闭输送、处理，各接点处的压力、温度、流 量相一致。( 2 ) 井产物是自然流入油气集输系统，流量、压力、温度瞬 间都有变化，流程中必须设有缓冲、调控设施，以保证操作平稳。产品 质量稳定。( 3 ) 各种能量和动力的利用要平衡。 现行的典型油气集输工艺流程有如下些： l 、单井进站、集中计量、油气分输流程 其特点是简化了井场。分井集中周期性计量，油、气分别处理。出 油、集油、集气管线分别采用不同的输送工艺，对不同压力、不同产量 的油爿部能适应。对油田中后期并网的调整比较灵活，操作方便可靠。 且易寸集中控制管理。其缺点是油，气分输、集气系统复杂，需多处分 散进行露点处理，工程量、设备、钢材、投资消耗量大。 2 、单井进站、集中计量、油气混输流程 其除具有分输流程的优点外，还简化了集气系统。但原油稳定及回 收天然气凝液在处理量变化幅度大时操作不适应，经济效益差。采出水 集中处理后，需有处理合格采出水的管网，配给各注水站。 3 、三级伟站油气混输流程 将油气分离、原油脱水与采出水处理和注水集中建站使采出水就 地利用。将脱水原油及天然气输到设有原油稳定、天然气脱水，回收天 然气凝液，产品储存的站场。计量后配送给用户。其避免了建设处理合 格采出水的管网。可建设规模较大的原油稳定和回收天然气凝液的装 营。 中国i i 油人学( 华自、) 硕十论文第2 章油气集输系统概述 4 、三管伴热流程 其井口至站间共有三条管线即油管、热水管和回水管；其中回水 管伴随井口出油管，同油管包在一起，对出油管伴热，而热水管单独包 扎保温层三管伴热流程目前仍被许多低产断块油减所广泛采用，因此 普及对这种传统集输流程特点的认识是十分必要的。 三管伴热流程的特点：( 1 ) 适用于低压低产井：( 2 ) 适用于原油流 动性差的井；( 3 ) 适用于阊歇出油井；( 4 ) 停产作业方痊。不堵塞管线： ( 5 ) 井场设备简单，计量准确，易于实现集中控制：( 6 ) 次投资大。 钢材消耗多。站内流程较复杂，系统传热效率较低。 i 管伴热流程的应用：华j 油田冀中地区的砂岩油田，油井产量低 原油粘度大凝固点高，含蜡量高。这些油田在8 0 年代初期以前。采 用了三管伴热流程另外，华北油田二连地区气候条件恶劣，在二连油 田的部分边远区块。也采用了三管伴热流程。 注意：对于菜一新歼发的油田或断块，至底应采用那神流程，要根 据原油物性及开发特点具体分析对比后确定。如有可能，要优先选用单 管不加热输送，以使节省钢材，降低造价。提高经济效益。同时应根据 各类站场输油输气的方向来确定总体布局，尽力避免流向迂回，节约铯 量。 中国f i 油大学( 华东) 硕士论文第3 章集输生产环节及相关生产设备 第3 章集输生产环节及相关生产设备 3 1 原油脱水技术【2 2 啪l 油田原油脱水的必要性分析：( 1 ) 采出水重复利用在油田生产过 程中，油层的天然压力逐渐降低，为了维持油层压力。要通过注水井向 地层内注水，增加油层压力，提高采收率。由于注水井的用水量很大， 原油中脱出的水处理后可重复使用，回注地层。这不仅解决了注水水源 问题，而且解决了污水的去向。( 2 ) 节省生产成本在原油的运输过程 中。脱水后原油减少了介质输量，从而节省燃料和动力，即节省了生产 成本。( 3 ) 轻对管线和设备的腐蚀原油中的水往往含盐量很高，对管 线和设备腐蚀性较强。含水原油脱水后。还可以脱去溶解在水中的盐， 减轻对管线和设备的腐蚀，延长管线和设备的寿命。( 4 ) 减少破乳剂用 量原油乳状液运输时间越长，乳化原油越易老化，脱水越困难，因此， 在油罔就地脱水较为适宜。一方面，能获得较好的脱水效果；另一方面， 能减少破乳剂用量，提高经济效益【2 2 2 5 1 综上所述，含水原油在油田进行就地脱水，达到出矿原油质量标准 后外运，具有重要的意义。为使出矿原油达到商品原油所规定的水含量 指标，目前往往同时采用重力沉降分离、热化学破乳和强电场脱水等手 段。 3 1 1 原油热化学脱水 原油热化学脱水是将含水原油加热到一定的温度，并加入适量的原 油破乳剂，降低油水界面薄膜的表面张力，破坏乳状液的稳定性，使水 积聚脱除，达到油水分离的目的。 原油热化学脱水是最常用的脱水方式，它能使原油中绝大部分的水 脱除。认识原油热化学脱水过程，需从了解乳状液的形成开始。 l 、原油乳状液的形成 原油乳状液形成于油层开采和原油矿场集输整个过程之中。当油、 气、水三相混合物由井底沿井筒油管举升到井口，经过油嘴的节流，以 及集油管线，阀件、离心式油泵等的强烈搅拌，使水滴充分破碎成极小 的颗粒，并被原油中自身存在的环烷酸、胶质、沥青质、石蜡等乳化剂 中国f i 油大学( 华尔) 硕士论文第3 章集输生产环节及相关生产设备 所稳定，均匀地分散在原油中。形成稳定的“油包水”( 即“w 0 ”) 型乳状液。此时，水是内相或分散相，油是外相或分散介质( 外相液体 是相互连接的，故又称连续相) 。乳化剂聚结在内相颗粒界面形成了比 较牢固的界面保护膜，也称乳化膜。稳定的原油乳状液中大多数的水滴 直径小于5 0 “m 。 2 、原油热化学脱水理论 原油热化学脱水是通过破坏乳状液体系而实现的，乳状液破坏过程 有三种情况。 ( 1 分层：由于水滴在原油中的下沉速度很小，通常处于层流状 态，常以斯托克斯公式表示水滴在原油中的匀速沉降速度： w ：生：丛二2 1 8 u o 式中：w 水滴均匀沉降速度，m s ： d 水滴直径，m ： 心原油粘度，p a s ： g 重力加速度，m s 2 ； 以水的密度，k g 0 ； 成油的密度，k g i n 3 。 一般认为水滴沉降速度即为分层速度。严格地说，分层并未真正将 乳状液破坏，但分层往往是破坏乳状液的第一步。 ( 2 ) 反相：原油和水构成的乳状液主要有两种类型：w o ( 油包 水) 型和o w ( 水包油) 型乳状液。反相是指将w o 型乳状液转相 为0 w 型乳状液。在转相过程中，界面膜破裂，油水分层。 ( 3 ) 破乳：破, le t p 破坏乳状液，是指液珠逐渐增大，乳状液界面 膜破坏、水滴合并，通过絮凝和聚结作用，继而使油水两相分离。 3 、原油破乳剂【2 1 j 各种原油破乳剂的破乳机理归纳有以下四点：( i 表面活性作用： 1 4 中国 泣大学( 华尔) 硕士论文第3 章集输生产环裕及相关生产设备 ( 2 ) 反相作用；( 3 ) “润湿”和“渗透”作用；( 4 ) 反离子作用。 破乳剂分为离子型和非离子型两大类：( 1 ) 离子型破乳剂又分为阴 离子型、阳离子型和两往离子型等类别：( 2 ) 非离子型破乳剂是以环氧 乙烷，环氧丙烷等基本有机合成原料为基础，在具有活泼氢的起始剂的 引发下，有催化剂存在时按照一定反应程序聚合而成的。 非离子型破乳剂其按其溶解性可分为水溶性、浊溶性和部分溶于水 部分溶于油的混合溶性三类。与离子型相比，非离子型化学破乳剂有如 下优点：( 1 ) 用量少，每吨原油用量约2 0 5 0 9 ：( 2 ) 不会产生沉淀， 一般不会因与油水混合物中的盐类和酸类起化学反应而在设备和管路 产生沉淀；( 3 ) 脱出的水中含油少，非离子型化学破乳剂仅破坏w o 型乳状液，破乳剂一般不生成0 w 型乳状液，脱出水较清，水中含油 少；( 4 ) 脱水成本低，虽然非离子型破乳剂的单价高，但其用量仅为离 子型破乳剂的几十分之一，使原油脱水成本降低，所以非离子型破乳剂 被广泛用于油田脱水上。 原油热化学脱水工艺对原油破乳剂有下列要求：( 1 由有较强的表面 活性；( 2 ) 有良好的澜湿能力；( 3 ) 有足够的絮凝能力；( 4 ) 有很高的 聚结能力；( 5 ) 在较低温度下破乳效果好；( 6 ) 生产成本低，用量少： ( 7 ) 对管线和设备不产生强烈的腐蚀、不结垢，对人体无害，不易燃、 不易爆；( 8 ) 有一定的通用性，适用于较多类型的原油乳状液破乳。 一种原油破乳荆要完全满足上述要求往往是困难的。为取长补短， 可将两种或两种以上的破乳荆以一定比例混合构成一种新的破乳剂，其 脱水效果可能高于任何一种单独作用时的效果。这种现象称为破乳荆的 协同效应或复配效应。 总之，给某种原油乳状液选择破乳剂时，应借助于试验，根据脱水 率、脱出水含油率、油水界面状态、用量等主要指标具体进行优选。 4 、药剂用量计算 在原油脱水工艺设计中和油田脱水生产过程中，需要计算加药量。 加药垦与原油产量和原油中的加药浓度有关。药刺用量按下式计算： g 。= 1 0 “p b q 1 5 中国4 i 油大学( 华东) 硕士论文第3 章集输生产环节及相关生产设备 式中：g 0 药剂用量，l 【g s ：岛原油中的加药浓度，指药剂质 量与原油体积的比，m g l ；q 原浊的体积流量，m 3 s 。 药液用量按下式计算( 适用于水溶性药剂) ： 瓯= 怠 式中：g 药液用量，k g s ：药剂稀释后的质量百分比浓度： q 意义同前。 加药浓度应通过试验确定，一般不大于1 0 0m g l ，药剂稀释后的 质量百分比浓度一般为1 1 0 ，由此可确加药设备的规格型号。 5 、热化学脱水的加药部位选择 破乳剂加入部位既要注意充分发挥药剂效能，又要考虑管理方便。 加入部位可在井口、计量站、集中处理站等各个环节。在油井井口加入 效果最佳，这样可以从根本上抑制油包水型乳化液的生成，但管理不便。 在计量站或接转站加药可起破乳降秸作用，而在脱水站加入只能起破乳 作用。从管理角度出发，在脱水站和接转站加入较方便。在哪个环节加 入破乳剂应根据原油性质和工艺流程的需要确定，但必须保证破乳剂与 含水原油在进入脱水设备之前充分混合。1 6 、破乳剂的加入方式 以往曾采用天然气压送，但实践表明天然气压送不易控制排量，加 入量波动大，浪费严重，且影响脱水效果，不宜采用。目前一般采用计 量泵加药，加入量的控制比较准确。配制破乳剂溶液应采用密闭的药剂 罐，不宜采用敝口破乳剂药箱。目前有些脱水站破乳剂溶液配制罐已被 取消，采用微型杠塞泵直接打原液，效果也很好。 7 、热化学脱水工艺流程 热化学脱水工艺简单。成本低廉，效果显著，近十几年来，在国内 外得到广泛应用，有开式和闭式两种流程 若想单纯用热化学脱水方法处理含水原油至合格标准，须耗费大量 热能和药剂，且对设备要求很高，经济效益差，并不符合我国大部分油 中国i 油大学( 华彖) 硕士论文第3 章集输生产环节及相关生产墁器 田的生产实际。目前油田上大多采用热化学脱水( 一段脱水) 及电一化 学脱水( 二段脱水) 来达到原油净化的目的。 热化学脱水是解决高含水原油脱水的最佳方法。一般原油含水超过 3 0 时。电脱水器很难维持正常生产。一般先通过一段脱水将原油含水 降至3 0 以下，然后进电脱水器脱水。在确定原油脱水工艺流程时，尽 量采用二段污水回掺技术措施，热化学沉降脱水应尽量与管道破乳相结 合。 3 1 2 原油电脱水1 3 0 矧 原油电脱水方法只适宜处理油包水型乳状液，其原理就是将原油乳 状液詈于高压直流或交流电场中，由于电场对水滴的作用，使水滴发生 形变和产生静电力。水滴变形可削弱乳化膜的机械强度，静电力可使水 滴的运动速度增大、动能增加、促进水滴互相碰撞，而碰撞时其动能和 静电力位能便能够克服乳化膜的障碍而彼此聚结成粒径较大的水滴在 原油中沉降分离出来。水滴在电场中聚结主要有三种方式，即电泳聚结、 偶极聚结和振荡聚结。 原油乳状液在交流电场中，水滴以偶极聚结和振荡聚结为主：在直 流电场中，水滴以电泳聚结为主，偶极聚结为辅。 值得提出的是过高的电场强度，还会使水滴发生电分散作用，即由 于水滴偶极矩的增大，其变形加剧，椭球形水滴两端受电场拉力过大而 导致分裂。当电场强度大于4 8 k v c r n 时。将有电分散发生。电分散时 的电场强度值与油水自j 的界面张力有关，因此任何使油水界面张力降低 的因素，如脱水温度的增高，化学破乳剂的使用，均导致电场对水滴的 相对作用增强，使产生电分散时的电场强度值降低。 原油乳状液采用电破乳方法脱水时，应充分利用化学破乳剂的作 用，提高脱水效果。 原油电脱水要求达到的质量指标：( 1 ) 对轻质原油、中质原油而言， 其脱水原油含水应o 5 ( 质量) ；对重质原油的脱水原油而言，其脱 水原油含水应2 o 。( 2 ) 电脱排出污水含油一般0 5 ；经站内隔油 措簏或除油系统后的外输污水，其油含量应1 0 0 0 m g l 。 设计技术参数的确定：( 1 ) 原油电脱水工艺适宜于处理含水小于 1 7 中国4 i 油大学( 华东) 硕士论文第3 章集输生产环节及相关生产设备 3 0 的原油。( 2 ) 电脱水操作温度应根据原油的粘温特性确定，宜在原 油的运动粘度低于5 0 r a m 2 s 的条件下进行脱水。( 3 ) 电脱水操作压力 应比操作温度下的原油饱和蒸汽压高o 1 5 m p a 。( 4 ) 电脱水器的处理能 力，应根据原油乳状液处理的难易程度确定其在电脱水器内的停留时 间，停留时间一般为4 0 m i n ，稠油一般不超过6 0 m i n 。 3 1 3 油水界面检测与控制l 加蚓 在原油的脱水过程中，油水界面的检测与控制直接关系到最后的脱 水效果。只有对油水界面进行准确的检测后才能对其实施良好的控制， 可见油水界面检测和界面控制的关键是对油水界面的检测。目前检测方 法较多，实践中应根据油水的性质来选用。 l 、庖阻法电阻法是利用原油和水的导电性不同，将金属电极插 人油水界面附近。当原油和电极接触时，原油电阻高不导电；电极与水 接触时，水电阻低导电。通过电阻大小变化来操纵排水阀的开度，控制 油水界面相对恒定。优点：可以准确地获得水位变化，外来干扰少；缺 点：由于原油所含污水矿化度高，致使电极腐蚀、结垢，电极挂油后， 易造成阀误动作。 2 、电容法。将外包绝缘材料的金属电极插入三相分离器油水界面 处，电极与水面构成电容，当界面升降时，电容发生变化，显示水面高 低，操作出水阀的开度。电容法的优缺点和电阻法一样。 3 、微差压法。微差压法就是利用差压计，接受油水界面变化所引 起原油和水静水压差的变化来操纵出水阀的开度，实现油水界面的控 制。优点：克服了电极接触油水介质造成的腐蚀、结垢的影响。无论油 水界面是否明显，都能够正常地工作；缺点：油水的相对密度差要求大 于0 。1 ，否则微差压计不能正常工作。 4 、短波吸收法。短波吸收法是将电能以电磁波的形式传到油水介 质中。根据油、水吸收电能的差异来测量两种介质的量，从而控制油水 界面。优点；克服了电极易腐蚀、结垢、挂油等现象，界面控制稳定可 靠；缺点：成本高，需要有专门的仪表维修工进行仪表的维护保养。 由于插入电极易结垢。造成测量误差，现在电阻法和电容法i 哽4 量油 水界面的方法已很少使用。微差压法测量油水界面的方法，对油水密度 i s 中国0 i 油大擘( 华东) 硕士论文 第3 章集输生产环节及相关生产设备 差要求大于o 1 以上，测量仪表压差在低于4 9 0 p a 以下很难制作；加之 来油的油品性质差异很大，密度差也会产生变化，使仪表量程难以选定， 所以微差压法的推广和应用受到了限制，尤其在一些原油密度大于0 9 t m 的油田，根本不能使用。 短波吸收法是近几年来发展起来的新技术，目前在油田采用比较多 的是d b j 油水界面变送器，其能消除低频干扰，适用不同工况下介质的 使用：变送器采用射频信号发生器，产生稳定的多幅射频信号并通过天 线发射，不同导电率的介质对射频的吸收能量不同。由于原油含水量影 响导电率高低，这一能量吸收的差异信号，经检测电路及信号转换线路 进行处理。输出标准直流信号4 2 0 m a ，使之能与电动i i l 型仪表组成控 制系统，调节油水分离装置中的油水界面。在变送器的结构上，为了防 止天线导杆结垢，影响测量精度，设计时可安装切断阀，可在设备工作 状态下带压拆装变送器探头，设备照常运转。目前短波吸收法已在界面 检测中得到了广泛的运用。 通过对油水分离装置中的油水界面实施准确的检测和控制，可以大 大提高油水分离的效率，减少出口原油的含水率和外排污水的含油率， 减少好油老化，减轻后续循环重复处理量和污水处理的工作量，提高系 统能量的利用率。 3 2 原油加热技术【3 7 叫5 1 3 2 1 加热炉 加热炉是将燃料燃烧产生的热量传给被加热介质而使其温度升高 的一种加热设备。它被广泛应用于油气集输系统中，将原油、天然气及 其井产物加热至工艺所要求的温度，以便进行输送、沉降、分离、脱水 和初加工。 油气集输加热炉的特点如下：( 1 ) 单台热负荷小，一般不超过 4 0 0 0 k w ：( 2 ) 被加热介质流量大，要求压力降小；( 3 ) 被加热介质温 升小一般为3 0 左右；( 4 ) 介质在炉内不产生相交：( 5 ) 操作条件不 稳定，热负荷波动较大；( 6 ) 连续运行、操作及检修条件差；( 7 ) 同一 型号加热炉使用数量多；( 8 ) 燃料为原油或天然气。 1 9 中国i 油大学( 华东) 硕士论文第3 章集输生产环节及相关生产设备 加热炉有多种分类方法：按基本结构型式分为管式加热炉( 立式和 卧式) 和火筒式加热炉( 直接式和间接式) ；按燃烧方式分为负压燃烧 加热炉和微正压燃烧加热炉；按加热炉在工艺过程中的作用分为单井计 量用加热炉、热化学沉降用加热炉、电脱水用加热炉、原油外输加热炉 等。 加热炉有如下主要技术参数：热负荷、热效率、流量、压力、压力 降、温度。 热负荷：单位时间炉内介质吸收有效热量的能力叫热负荷。 热效率：加热炉输出有效热量与供给热量之比的百分数叫熟效率。 它是热量被利用的有效程度的一个重要参数。相对于一定体系的仅考虑 加热炉本身的热效率叫加热炉热效率；而包括加热炉辅机( 鼓风机、引 风机；燃烧器等) 在内而求得的效率叫加热炉系统效率。因此系统效率 一般小于加热炉热效率。加热炉热效率应保持一个恰当的数值，热效率 低时燃料耗量大，而热效率太高一般则投资高。所以应予以综合考虑， 使加热炉热效率保持在一个合理数值。 流量：单位时间内通过加热炉内被加热介质的量叫流量。其单位一 般为t h 或m 3 h 。在正常运行条件下，通过加热炉的量叫额定流量。 而加热炉能安全可靠地运行的最小量叫最小流量。对于某一台结构已确 定的加热炉来讲，若流量大于额定流量，则会使压力降增加；如果流量 小于最小流量，则会影响传热效果，或使管式炉炉管内介质偏流，造成 炉管局部结焦或烧坏等现象。所以在选用加热炉时，应使流量值的变化 控制在额定流量和最小流量之间。 压力：管式加热炉只有炉管承受设计内压力，故管式加热炉的压力 一般指管程压力；火筒式直接加热炉仅火筒承受外压力，壳程承受内压 力；而火筒式间接加热炉的壳程、管程均承受工艺设计所需压力。 压力降：压力降是被加热介质通过加热炉所造成的压力损失。压力 降的大小与炉管内径、介质流量、炉管当量长度以及被加热介质粘度有 关。管式加热炉和火筒式间接加热炉允许压力降为o i o 2 5 m p a ，而火 筒式直接加热炉的压力降一般则小于0 0 5 m p a 。 温度：加热炉的温度指标主要有被加热介质进出口温度、炉膛温度 中国 j 油大学( 华彖) 硕士论文第3 章集输生产环节及相关生产设备 和排烟温度。加热原油及井产物时一般由4 0 加热到7 0 左右。加热 炉炉膛温度值一般为7 5 0 8 5 0 ；而排烟温度则为1 6 0 2 5 0 左右。 3 2 2 油田常用加热炉 l 、管式加热炉 管式加热炉在其炉内设置一定数量的炉管，被加热介质在炉内连续 流过，通过炉管管壁将在燃烧室内燃烧的燃料产生的热量传给被加热介 质而使其温度升高的一种炉型。 管式加热炉是一种火焰直接加热的设备，它具有单台热负荷大、升 温速度快、加热温度高、不需中间传热介质、耗钢少等优点。它被广泛 地应用于联合站、油库及长输管道加热站，目前应用较多的为卧式圆筒 形管式加热炉。 计算管式加热炉工艺参数时需要以下一些原始数据：( 1 ) 被加热介 质种类及物性，主要是被加热介质的祜度、相对密度、含水率、油气比 等：( 2 ) 被加热介质的额定流量和最小流量；( 3 ) 被加热介质进炉温度 和出炉温度；( 4 ) 炉管工作压力；( 5 ) 炉管允许压力降。 2 、火筒式加热炉 火简式加热炉是为满足油田特殊需要而设计的一种专用加热设备。 它可分为直接加热( 即一般讲的“火筒炉”) 和间接加热( 即“水套炉”) 两种。火简炉与水套炉在结构上的不同之处是火筒炉没有盘管，被加热 介质直接进入壳体由火筒烟管对其进行直接加热。 水套炉一般由以下一些部分组成：壳体，支座，火筒烟管，盘管， 燃烧器，烟囱，安全附件( 包括压力表、水位计、安全阈、加水阀、放 空阀、排污阀等) ，梯子平台( 供水套炉检修和更换阀件用) ，保温防护 层( 一般由轻质绝热材料组成，其作用是减少炉体的散热损失) 。 水套炉的工作原理：燃料在炉体内下部的火筒烟管内燃烧，热量通 过火筒烟管壁面传给中间传热介质“水”，水再加热在盘管内流动的被 加热介质。水套炉的单台热负荷小，主要用于井口、计量站、接转站的 油气加热，它的主要优点是使用安全、不结焦【4 l 】。水套加热炉一般又分 为微旷压燃烧水套炉和负压燃烧水套加热炉 水套炉的工艺计算主要包括燃烧计算、火筒烟管传热计算、盘管传 2 l 中国年i 油大学( 华东) 硕士论文第3 章集输生产环节及相关生产设备 热计算、水力计算和空气动力计算，工艺计算所需原始数据与管式加热 炉相同。 水套炉所需总热负荷q = q o + q ，式中：q 水套炉总热负荷， k w ；q 盘管内被加热介质所需热负荷，k w ；幺采暖及保温 所需热负荷，k w 。 3 、加热炉的选用 选用原则：( 1 ) 热负荷能满足工艺要求，能将一定量的被加热介质 加热至工艺要求的温度：( 2 ) 高效节能：( 3 ) 安全可靠，使用寿命长， 造价低；( 4 ) 便于操作和维修。此外还要考虑各油田的使用习惯；操作 人员的技术水平，气候条件及各种炉型的供货状况等。 3 2 3 燃烧器 燃烧器是加热炉最重要的部件之一，它的作用是将燃料和空气按比 例混合后喷入加热炉炉膛内进行燃烧。加热炉运行状况如何，主要取决 于燃烧器的性能及其与加热炉的匹配状况。 由于油田加热炉主要采用原油和天然气作燃料，故燃烧器主要采用 天然气燃烧器、油燃烧器和油气联合燃烧器。 l 、天然气燃烧器 油田应用较广的天然气燃烧器有扩散式燃烧器和大气式燃烧器。 天然气燃烧器的应用应注意以下几个问题：( 1 ) 天然气燃烧器的调 风器、喷嘴及燃烧道应配套：( 2 ) 燃料气压力应符合所配天然气燃烧器 的设计要求；( 3 ) 燃料气系统中应有分水装置，以避免轻质油和水合物 进入喷嘴而造成燃烧器断火；( 4 ) 炉膛应保持合理的负压值，以供给燃 烧器足够的助燃空气：( 5 ) 天然气燃烧器性能的优劣除本身的因素外， 还取决于它与加热炉的匹配状况，它与加热炉的结构形式、炉膛容积、 供风方式有密切关系，某种燃烧器在这台加热炉上使用性能良好，而在 另一台加热炉上使用时效果就不一定理想，在选用时应特别注意。 2 、燃油燃烧器 目前应用较多的是电动旋杯式燃烧器和颜氏燃烧器。 电动旋杯式燃烧器具有以下特点：( 1 ) 雾化质量好，燃烧完全，可 中国 t 油大学( 华尔) 硕士论文第3 章集输生产环节及相关生产设备 以实现低氧燃烧：( 2 ) 对燃烧器本身耗熵少，一般电机功率为1 1 2 2 k w ；( 3 ) 对燃料油压力、温度要求不苛刻，可以燃用含砂和低含水 原油；( 4 ) 调节比大，一般可达l ：4 ；( 5 ) 燃烧器系列与加热炉熟负荷 系列匹配：( 6 ) 可用于负压燃烧，也可用于微正压燃烧。它的缺点是有 转动部件，噪音大，皮带易损失。 颜氏燃烧器是由湖南长沙颜氏节能技术研究所研制的节能系列燃 烧器。其种类及型号较多，油田常用的主要是z h 型重油燃烧器。使用 时应保证油压、油温及风压、风量，否则会出现燃烧恶化现象。 3 2 4 提高油田加热炉热效率i 3 8 柏州】 目前，采用原油间接加热技术、管道集联电流加热法等，加热效率 可达9 0 以上。针对目前油田加热炉热效率低、燃料浪费大的情况，推 广高效加热炉和应用原油加热新技术，是提高加热炉效率的一条重要措 施。 原油间接加热技术在国外已普遍引起重视，美国的科林加一阿文热 输原油管线已全部采用间接加热技术。1 9 8 8 年胜利输油公司东黄复线 1 2 台c e n a t c 0 热媒炉投入正常运行，其热效率达9 0 左右，系统 效率达8 0 以上。间接加热系统主要由热媒加热炉、换热器、热媒稳定 系统和压缩空气供应系统组成，具有热效率高，安全可靠。原油压降小， 便于预制化、轻型化、露天化，负荷变化适应性好，运行费用和维修费 用低等特点。 对于近期不能更新改造的管式加热炉，可从以下几介方面来提高热 效率。 l 、降低过剩空气系数 加热炉的过剩空气系数应严格控制在1 1 1 3 之间。实践证明，过 剩空气系数每降低0 1 ，加热炉效率可望提高i 以上。降低过剩空气系 数的方法是护墙士苦漏，炉顶做到不透风，尽可能减少空气从缝隙处渗入 炉膛，加强保温，减少炉体热损失。火嘴处一定要安装调风板，及时调 节风量。采用新型火嘴和掺水燃烧，改善燃烧雾化状况。 2 、降低排烟温度 一般在对流部分加装空气预热器，能有效地降低排烟温度，提高热 中国午i 油大学( 华东) 硕士论文第3 章集输生产环节及相关生产设备 效率。据初步测算，风预热后进炉，可提高炉效约3 5 。 3 、提高辐射换热效果 可采用清灰、除焦等措施，提高辐射换热效果，如河南油田某站使 用的方箱式加热炉平均炉效为6 6 ，停炉后发现辐射室炉管积灰2 3 毫米，对流室积灰l 1 2 毫米清灰、清焦后，再点炉湘其炉效为7 4 。 因此，要制定加热炉的定期清灰、清焦制度，以保持加热炉的高效运行。 4 、合理控制燃料油温度和压力 一殷加热炉的燃油温度以控制在9 0 1 1 0 c 为佳，油温高，粘度低， 在炉膛中雾化较好，火焰呈金黄色，可提高炉效2 4 。燃料油压力 般宣控制在0 6 0 8 兆帕( 特殊火嘴除外) ，以保证火焰短而齐( 这样 的火焰热强度大) 。 5 、合理选择加热炉运行方式 要尽量减少点炉台数，控制加热炉在经济负荷的范围内运行。在满 足输油温度要求的条件下，应避免多台护并联低负