（石油与天然气工程专业论文）中原油田特高含水期油气处理系统适应性分析.pdf

l i i i l i iii i l ll ll le i i i l y 1 8 7 6 8 2 6 i n v e s t i g a t i o no nt h es u i t a b i l i t i e sa b o u to i l g a st r e a t i n gs y s t e ma t e x t r a h i g hw a t e rc u ts t a g eo fz h o n g y u a no i lf i e l d at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e s ix i u l i s u p e r v i s o r w a n gh a i q i n a s s o c i a t ep r o f e s s o r l if e n g c h u n s e n i o re n g i n e e r c o l l e g eo fp i p e l i n ea n d c i v i le n g i n e e r i n g c h i n a u n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m e a s t c h i n a 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己在论文中作了明确的说明并表示 了谢意 签名 沙7 7 年毕月矽日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留 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 学生签名 虱盘硷 导师签名 磁缒 弘 年 弘月巧日 押j7 年 4 其 b 摘要 油气集输系统是油田生产中的重要环节 它的能量消耗对于整个油田的运行成本有 着重要的作用 而联合站油气处理系统是油气集输系统的主要组成部分 其运行状况都 直接影响着油气集输系统的能耗和效率 进而影响油田原油生产的成本 特别是当油田 进入特高含水开发期后 这种影响更加的明显 因此 对油气处理系统的各个工艺环节 以及整个联合站的用能情况进行详细的研究和分析 可以明确系统优化调整方向 实现 节能降耗 从而降低油田生产成本 本文以中原油田胡状联合站为研究对象 采用热力学分析方法 对联合站油气处理 系统各工艺环节进行了能效研究 采用热力学分析方法辅以 三环节法 分析了整个联 合站系统的用能状况 找出了用能的薄弱环节 为油气处理系统的优化调整指明了方向 研究表明 分离器的能量传递率均处于能量利用的高效区 因此不需要进行改动 电脱 水器的能量传递率较高 但是污水带走的能量较多 能量浪费较高 建议可将电脱水器 前加热炉的加热温度降低一些 原油稳定塔的散热量比较高 这是由于原油稳定塔未加 保温层 因此建议对稳定塔进行保温 加热炉的热效率较低 这是由于过量空气系数偏 大 排烟温度过高 净化油罐的能量传递率低是因为油罐的散热量大 保温需要改进 从联合站整体能量分析以及 三环节 法可以看出 联合站的站效为5 3 6 热力学完 善度为5 2 6 用能效率偏低 有较大的改造空间 关键词 油气处理系统 特高含水期 能效分析 节能降耗 i n v e s t i g a t i o no nt h es u i t a b i l i t i e sa b o u to i l g a st r e a t i n g s y s t e ma te x t r a h i g hw a t e r c u ts t a g eo fz h o n g y u a no i lf i e l d s ix i u l i o i l g a ss t o r a g ea n d t r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f w a n gh a i q i na n ds e n i o re n g i n e e rl if e n g c h u n a b s t r a c t o i la n dg a sg a t h e r i n ga n dt r a n s p o r t a t i o ns y s t e mi st h ei n t e g r a lp a r to fo i l f i e l dp r o d u c t i o n w h o s e e n e r g y c o n s u m p t i o np l a n sa ni m p o r t a n tp a r ti nt h eo p e r a t i o nc o s to ft h ew h o l eo i l f i e l d t h eo i l g a st r e a t i n gs y s t e mw i t hc h a r a c t e r i s t i c so fm a n ye q u i p m e n t sa n dc o m p l e xt e c h n o l o g y p r o c e s s e s i st h ep r i m a r yp a r ta n de n e r g yc o n s u m p t i o nu n i to fo i la n dg a sg a t h e r i n ga n d t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m e s p e c i a l l ya te x t r a h i g hw a t e rc u ts t a g eo fo i lf i e l dd e v e l o p m e n t t h e r e f o r e i t sn e c e s s a r yt or e s e a r c ha n da n a l y z et h ep a r t i a la n dh o l i s t i ce n e r g yc o n s u m p t i o n o ft h eu n i o ns t a t i o na n do p t i m i z et h eo p e r a t i o nt or e d u c et h ec o s ta n de n e r g yc o n s u m p t i o n i nt h i sp a p e r t h ee n e r g ya n a l y s i sw a sm a d eb a s e do nt h es y s t e mo fh uz h u a n gu n i o n s t a t i o ni nz h o n gy u a no i l f i e l d t h ee n e r g ye q u i l i b r i u mm o d e l sa n de x e r g ye q u i l i b r i u mm o d e l s w e r em a d ea n dt h ee n e r g yc o n s u m p t i o no ft h em a i ne q u i p m e n t sa n de n e r g ye f f i c i e n c yo ft h e o i l g a st r e a t i n gs y s t e mw e r ea n a l y z e d a n dt h e t h r e e l i n k w a su s e dt oa n a l y z et h ee n e r g y e q u i l i b r i u ma n de x e r g ye q u i l i b r i u m a c c o r d i n gt ot h er e s u l to fc a l c u l a t e d t h et h e r m a l e f f i c i e n c yo ft h eb o i l e ri sl o wb e c a u s eo fi t sl a r g ee x c e s sa i rc o e f f i c i e n ta n dh i g he x h a u s tg a s t e m p e r a t u r e t h eh e a tl o s so ft h eg o o do i lt a n ki sl a r g eb e c a u s et h ei n s u l a t i o nt h i c k n e s si sf a r f r o mi t so p t i m u mv a l u e t h eh e a tl o s so ft h ev a c u u mt o w e ri sa l s ol a r g eb e c a u s eo fn o i n s u l a t i o na r o u n di t f r o me n e r g ya n a l y s i sa n dt h e t h r e e l i n k a n a l y s i so ft h ew h o l es y s t e m i tc a nb es e e nt h a tt h ee f f i c i e n c yo fh u z h u a n gu n i o ns t a t i o ni s5 3 6 a n dt h es t a t i o ne x e r g y e f f i c i e n c yi s5 2 6 w h i c hs h o w st h a tt h es t a t i o ni sal o we f f i c i e n ts y s t e m t h e r e f o r e t h e r ei s al a r g ep o t e n t i a l i t yf o re n e r g ys a v i n gi m p r o v e m e n t k e yw o r d s o i l g a st r e a t i n gs y s t e m e x t r a h i g hw a t e rc u ts t a g e e n e r g ye f f i c i e n c ya n a l y s i s e n e r g ys a v i n g 目录 摘要 a b s t r a c t 第一章前言 1 1 选题的目的和意义 一 1 2 本选题研究领域历史 现状和发展趋势的分析 1 3 本文研究的主要内容 1 3 1 油气处理系统丁艺能耗研究 1 3 2 特高含水期油气处理系统效率研究 第二章能量分析基础 2 1 能量平衡分析 2 1 1 能量平衡方程 2 1 2 各种能量的计算 2 1 3 能量平衡评价准则 2 1 4 能量平衡计算基准 2 2 炯分析 2 2 1 焖平衡方程 1 0 2 2 2 各种 阙值的计算 1 0 2 2 3 系统佣分析评定准则 1 2 2 3 三环节 分析法 1 3 2 3 1 三环节 能量划分 1 3 2 3 2 三环节 能量评定指标 1 3 2 3 3 三环节 佣评定指标 1 4 第三章油气水物性分析 一1 5 3 1 脱气原油物性 15 3 1 1 原油密度 1 5 3 1 2 原油粘度 1 6 3 1 3 原油的比热容 1 8 3 1 4 原油的导热系数 2 0 3 2 天然气的物性计算 2 1 3 2 1 天然气压缩因子 2 1 3 2 2 天然气动力粘度 2 l 3 2 3 天然气密度 2 2 3 3 污水密度 2 2 3 4 油水混合液物性分析 2 3 3 4 1 油水混合液密度特性 2 3 3 4 2 油水混合液比热容特性 2 4 第四章特高含水油气处理工艺能耗研究 2 6 4 1 三相分离器能量分析 2 6 4 1 1 三相分离器基本数据 2 6 4 1 2 三相分离器能量平衡分析 2 7 4 1 3 三相分离器能量计算结果 2 9 4 1 4 三相分离器 媚分析 3 0 4 1 5 三相分离器 媚分析计算 3l 4 2 电脱水器能量分析 3 2 4 2 1 电脱水器基本数据 3 2 4 2 2 电脱水器能量平衡分析 3 3 4 2 3 电脱水器能量平衡计算结果 3 5 4 2 4 电脱水器娴分析 3 6 4 3 4 电脱水器 堋分析计算结果 3 8 4 3 原油稳定系统能量分析 3 9 4 3 1 原油稳定系统摹本数据 3 9 4 3 2 原油稳定系统能量平衡分析 4 0 4 3 3 原油稳定系统能量平衡计算结果 4 3 4 3 4 原油稳定系统 媚分析 4 4 4 3 5 原油稳定系统 媚分析计算结果 4 7 4 4 泵能量分析 4 8 4 4 1 泵基本数据 4 8 4 4 2 泵能量平衡分析 4 9 4 4 3 泵能量平衡计算结果 5 0 4 4 3 泵 期分析 5 0 4 4 4 泵 期分析计算结果 一5 l 4 5 加热炉能量分析 5 2 4 5 1 加热炉基本数据 5 2 4 5 1 加热炉能量平衡分析 一5 3 4 5 2 加热炉能量平衡计算结果 5 4 4 5 3 加热炉炯分析 5 5 4 5 4 加热炉 媚分析计算结果 5 9 4 6 净化油罐能量分析 6 0 4 6 1 净化油罐基本数据 6 0 4 6 2 净化油罐能量平衡分析 6 0 4 6 3 净化油罐能量平衡计算结果 6 2 4 6 3 净化油罐炯分析 一6 3 4 6 4 净化油罐 堋分析计算结果 6 4 第五章油气处理系统效率研究 6 5 5 1 联合站基本数据 6 5 5 2 联合站能量平衡分析 6 6 5 3 联合站能量平衡计算结果 6 8 5 4 联合站烟分析 6 9 5 5 联合站分析计算结果 7 1 5 5 联合站 三环节 能量分析 7 2 5 6 联合站 三环节 媚分析 7 3 5 7 胡状联合站计算分析 7 4 结论 7 5 参考文献 7 7 致访 7 9 中国石油大学 华东 硕士学位论文 1 1 选题的目的和意义 第一章前言 一般来讲 油田地面工程由五大系统组成 集输系统 机采系统 注水系统 供暖 系统及配电系统 其中油气集输工程是主体工程 油井产物将在这个环节得到汇集和计 量 然后经过进一步的加工成为合格的原油和天然气等产品 最后与用户经过过程计量 和交换计量后提供给用户 其投资一般占整个油田地面工程的6 0 7 0 占整个油田 工程的4 0 左右 油气集输系统其主要能耗是用于井排来液加热的燃料消耗与输送动力 消耗 油田开发进入高含水期后 油田原油含水率大幅度上升 采出液及污水处理量急 剧增加 集输及处理系统的原有工艺设备已不能满足高效 低耗生产的要求 原油集输 处理过程中被加热原油含水和液量增大 导致生产能耗也大幅度增加 l 高含水期油田 能量主要消耗在 水 上 因此 控水 是降低吨油能耗的关键 研究提高集输系统效率不 仅要研究提高输油系统效率 还要研究集输及处理的工艺技术和工艺设备等 其工艺 设备水平对运行成本起着重要的作用 中原油田具有油藏类型多 层系多 埋藏深 断块复杂 渗透率低 高温 高盐等 特点 而且多为8 0 年代初 中期建成投产 经过多年的高速开采 现已进入高含水开 发时期 据统计 2 0 1 0 年油田综合含水已达8 9 5 个别区块的含水率已经超过9 0 1 2 1 目前 中原油田联合站油气处理工艺均采用三相分离器 电脱水器两段脱水 负压 原油稳定密闭处理工艺 无脱水泵 原油不迸罐 一次升温 连续外输 端点站加破乳 剂 管道破乳 防腐剂 但联合站大部分设备 设施均己严重老化 且由于原油产量 的大幅度下降 呈现出 大马拉小车 现象 部分设备运行效率低下 能耗 运行成本 居高不下 自2 0 0 0 年以来 先后进行部分更新改造 在部分区块取得了很大的技术进 步 但从整个油气集输系统优化调整角度来看 仍然具有一定的局限性 特别是油气处 理系统 负荷普遍下降 系统效率降低 生产运行参数不合理 运行能耗较高等问题仍 然突出 优化集输系统处理工艺及运行参数 除了通过技术改造实现节能降耗外 参数 调整也应引起足够的重视 因此 结合中原油田的实际情况 本研究充分利用现有资源 开展对中原油田地面 油气处理系统运行优化调整模式的研究 解决油田进入特高含水期后的油气处理系统高 能耗问题 有着十分重要的现实意义 第一章前占 1 2 本选题研究领域历史 现状和发展趋势的分析 由于我国油田开发采取的是先期注水强化采油模式 因此油田含水上升速度快 我 国东部如大庆 胜利 辽河 中原等油田已进入了高含水采油期 一些油田含水已达9 0 以上 随之而带来的问题是 一是油田产水量不断上升 导致油气处理系统普遍存在 着脱水能力不足 二是由于油田产油量的递减 原油集输与处理系统运行效率和设备效 率下降的问题愈发突出 在 八五 九五 期间 各油田地面工艺技术的发展主要围绕着高含水期产液量不 断增加的课题 开展了对油水分离工艺 含油污水处理和油田管道 容器的防腐等技术 的研究 以及如何提高油气综合利用率 节能降耗 降低工程投资等课题的技术攻关 各油田根据本油田的特点 采取了各种措施发展地面技术和完善地面工艺设备 取得了 一定的成效 l 大庆油田 大庆油田从 九五 期间就开始探索老油田系统优化调整的措施 制定并执行了一系 列调整改造方案 十五 期间 优化调整总体规划方案在部分系统和区块的实施取得了 显著的效果 其中针对油气集输地面系统调整改造的对策主要有 1 加强对水驱地面系统的调整 可以主要从系统处理油气的能力 设备的老化 程度以及油田运行的效率等几方面入手 合并或者分解一些效率低的分转油站和脱水 站 淘汰掉一些不合理的老站 油气处理系统主要抓住原油稳定装置和气处理系统两个 方面进行调整和改造 注水系统可以通过联网供水的方法对系统进行改造 停掉一些不 必要的老站 3 卅 2 加强对新技术和新工艺的开发研究 为油田的优化调整提供坚实的科学基础 a 研究特高含水原油的沉降分离特性和管输特性 为充分利用已建设施的能力 简 化工艺 提高原油集输处理系统运行效率 降低调整改造投资和运行能耗提供可靠依据 b 充分利用已建设施的剩余能力和原油特高含水的有利热力 水力条件 研究确定 适于特高含水开发期原油集输处理的新的技术界限 c 建立以较精确的实验室数据和生产现场管道运行数据为基础的多相混输管道数 据库 d 进一步开展对国内外多相混输泵和多相流量计的优选试验 为逐步在油气集输和 长距离管道输送领域中应用多相混输工艺 降低工程投资提供可靠的技术支持 2 利油田对高含水的多个采油厂的油气处理系统进行了工艺技术改造 第一章前言 图l 2 预分水 沉降罐密闭处理工艺示意图 f i g l 2t h ec h a r to fs e g r e g a t ea n dd e p o s i t eb a n kt e c h n o l o g i c a lp r o c e s s 调整的具体措施有 1 改造脱水转油站为沉降放水站 如胜坨油田产液量的不断增加使脱水负荷加大 产油量的不断递减使原电脱水设备 和外输系统利用率降低 1 1 15 1 九五 期间对胜坨区块从总体上进行了调整 将原有八座 脱水转油站中的七座改为沉降放水站 其中坨二站和坨四站的电脱水装置停运 实施了 站内沉降脱水 将含水1 0 2 0 的原油输往1 0 2 站进行集中电脱水 这样既节省了电耗 满足了外输的热力条件 减少了管理环节 又节省了建设投资和管理成本 2 大力推广高效三相分离器 胜利油田老站挖潜改造的主要措施是对接转站 将分离缓冲罐改为三相分离器 实 现了油气分离和游离水的预脱除 对脱水转油站则新建三相分离器 扩大脱水能力 在 对原为开式流程的脱水转油站的改建中 新建了三相分离器 部分站采用了大罐抽气装 置 使开式流程的站实现了密闭 3 对集中处理站流程进行了改造 在集中处理站流程中进站阀组至一段加热炉之间增加了三相分离器 先将原油中的 部分游离水脱掉后 再进行加热 节省了能耗 国内外油田集输系统在高效节能设备和配套工艺技术研究方面取得重要进展 但在 集输系统整体优化方面进展不大 以集输系统为整体 通过应用高效化学药剂 优化集 输系统处理工艺及运行参数 提高预分水器的效率 大幅度降低原油含水 仍然存在较 大的节能空间 而所付出的仅仅是调整部分运行参数 不需要额外的附加投资 其经济 效益显著 1 6 2 1 1 对于日益重视开发效益的油田来说 除了通过技术改造实现节能降耗外 参数调整也应引起足够的重视 4 中国石油大学 华东 硕士学位论文 1 3 本文研究的主要内容 在对中原油田油气处理系统进行深入调研和系统分析基础上 运用热力学原理 研 究油气处理工艺的能耗 确定能量利用的薄弱环节 油气处理系统采用的工艺流程模式为 站外来液 油气水三相分离 原油电脱 水 加热 负压稳定 外输泵外输 每一个工艺环节的能耗都影响着整个油气处 理系统的工作效率 1 3 1 油气处理系统工艺能耗研究 1 脱水系统的耗能评价 a 进行油气水三相分离器工作效率分析 b 对原油净化设备电脱水器进行用能分析 2 原油稳定系统用能研究 给出整套原油稳定装置的能量转换率和热力学的能耗率 根据用能的薄弱环节进行 相应的改进 3 加热系统用能研究 加热炉将燃料的化学能转化为原油的热能 能量损失有排烟热损失 气体不完全燃 烧热损失及散热损失 对其进行的能量分析主要是研究加热炉的热平衡及熘效率 考察 其排烟热损失及化学不完全燃烧热损失 从而寻找提高加热炉热效率的途径和方法 4 输油系统用能研究 对输油泵进行能效分析时 主要研究电机效率 泵效率 对输油泵进行烟分析 确 定输油系统炯损失及其分布 1 3 2 特高含水期油气处理系统效率研究 把联合站作为一个系统 通过热力学分析以及 三环节 分析 研究其整体能量利 用情况 能量分布情况 热效率和煳效率 确定其能量传递效率 站效 系统能量利 用率 热能有效利用率 并根据煳平衡分析 确定联合站系统炯效率和热力学完善度 找出损失或损耗的原因以及能量利用上的薄弱环节 为节能降耗以及系统优化提供依 据 第二章能量分析基础 第二章能量分析基础 能量分析是采用符合热力学定律的研究方法 采用能量转换和传递理论来分析能量 利用过程的有效性和合理性 能量利用过程的有效性指能量被有效利用的程度 能量利 用过程的合理性指用能方式是否符合科学原理 本文采用能量平衡分析 焖分析和 三 环节 三种方法对系统的能量进行分析 l 孓1 9 能量平衡分析的方法是从热力学第一定律 出发 在数量上描述能量转换工程的平衡关系 阳分析的方法是从热力学第二定律出发 表达了能量转化和传递中能量的可用性 还包含了能量在数量和质量上的相关信息 三 环节 能量法是从能量的转换 利用和回收三个环节入手 结合联合站工艺流程和工艺 节点参数 通过计算不同环节的评价指标找出用能的薄弱环节 2 1 能量平衡分析 能量平衡主要以进入和离开系统的能量为研究对象 分析它们在数量上是否平衡 由热力学第一定律可以得出 出入一个系统的能量在数量上应该是相等的 利用能量平 衡法分析 可以得出这样的结论 改进设备或者工艺的用能状况可以从用能系统中的能 量损失率最大的薄弱环节和部位入手 2 2 1 2 1 1 能量平衡方程 能量平衡的体系 其内部储存的能量在数量上不会发生变化 因此根据能量平衡的 理论可以得出输入和输出系统的能量是相等的 如图2 1 所示 能量平衡的对象可以是 一个设备 也可以是若干个设备组成的体系 能量平衡方程式为 图2 1 系统能量平衡图 f i 9 2 1e n e r g ye q u i l i b r i u mm o d e 6 中国石油大学 华东 硕士学位论文 统 绒 q s 叩 纰 婊 2 1 2 2 统 q 盯 纰 鲰 纰 2 3 式中 q i 纰分别为系统收入和支出的全部能量 k w 为外界供给系统的能量 如燃料 电等供入的能量 k w 鲰为排出系统的能量 如排烟 散热等 k w 绋 鲰分别为由工质或物流带入 带出系统的能量 k w 进行能量平衡计算得任何对象 只要能量平衡系统确定后 都可以列能量平衡方程 式 简单 明了 便于计算和分析 2 1 2 各种能量的计算 1 燃料供入的能量 q b q 0 b c f i 瓦 2 4 式中 q r 为燃料供入的能量 k w b 为燃料的消耗量 k g sn m 3 s 鳊为燃料的 低位发热量 k j k g k j n m 3 c f 为燃料定压比热 k j k g c k j n m 3 oc i 为 燃料进入炉子的温度 c r o 为环境温度 c 2 物流带入或带出系统的能量 线 g q 丁一t o 2 5 式中 瓯为物流带入或带出系统的能量 k w g 为物流流入或流出系统的质量流量 k g s c 砌为物流从温度r o 到温度丁的平均定压比热 k j k g c t 为物流的温度 c r o 为环境温度 c 3 电的等价能量 q 绥比 2 6 式中 q 为电的等价能量量 k w 饩为电与热的折算系数 取饩 3 1 6 w e 为系统所 消耗的电量 k w h s 4 排烟损失的能量 7 第二章能量分析基础 一t o 1 0 3 q q 2 2 7 式中 为排烟损失的能量 k w 为排烟的体积流量 n m 3 s 勺为烟气平均定 容比热 k j n m 3 c 毛为排烟温度 c q 2 为排烟热损失率 5 散热能量损失 q k f t c p t o 1 0 3 2 8 式中 q 为系统的散热能量损失 k w k 为系统内工质到环境的传热系数 w m 2 c f 为总的散热面积 m 2 乙为系统内物流的平均温度 c 瓦为环境温度 c 2 1 3 能量平衡评价准则 为了分析 评价设备或系统用能过程的合理性和有效性 可以采用一些能量评定准 则 对系统的能量平衡进行分析 为了计算方便 通常采用如下形式的能量方程 绋 蜴 2 9 式中 q m p 为由外界供给的能量 k w g 为有效利用的能量 绋 瓯一纵 k w q 为排放到外界未被利用的能量 k w 1 设备能量利用率q t 仇 q ax 1 0 0 1 一疑m 毗 亿 设备能量利用率是用来表示外界供给设备的能量被有效利用的程度 2 系统能源利用率仉 仉 弪x 1 0 0 1 一疑 嗍 式中 为系统有效利用的能量的总和 k w 为外界供给系统的能量的总 和 k w q 为系统损失的能量的总和 k w 3 能量传递效率仇 8 各部分能流和物流的煳值 通过炯平衡分析来确定炯损失和炯损的分布 这样便可以找 9 第二章能量分析基础 出能量利用的薄弱环节 2 3 2 2 1 焖平衡方程 炯平衡原理是输入系统的煳恒等于有效炯和系统的各种煳损之和 煳平衡图如图 2 2 所示 图2 2 系统删平衡图 f i 9 2 2e x e r g ye q u i l i b r i u mm o d e 媚平衡方程式一般形式为 e 二 e 二m e 0 巨c f e 孟 民 呲 2 1 6 巨疵 t c f 一巨b r 2 1 7 式中 k 为输入系统的炯 e 姗为供给煳 由炯源或具有媚源作用的物质供给体系的 炯 如燃料炯 电烟等 疋h 为流体带入的煳 为有效炯 即被系统有效利用或由 系统输出地可被有效利用的媚 e 疵为有效消耗煳 即生产设备将原料加工为产品过程 中理论上必须耗费的炯 k 为内部焖损 即系统内部由于存在不可逆因素而造成的焖 损 乓梳为外部媚损 即系统向外排出的中未被有效利用或不可利用的炯 2 2 2 各种炯值的计算 1 燃料炯 燃料物理显热炯 c r i 一兀 一瓦l n 冬 2 1 8 o 燃料化学炯 1 0 中国石油大学 华东 硕上学位论文 气体 液体 固体 燃料炯 e c a 0 9 5 q y 0 9 7 5 q y e r h r w 7 巳3 气 2 1 9 2 2 0 2 2 1 2 2 2 式中 c 为燃料的比热 k j k g c i 为燃料的温度 c 乃为环境的温度 c 鳓为燃料的高位发热量 k j k g w 为燃料中水的百分含量 2 功源焖 电能和机械能的炯与它的总能量相等 3 热源焖 对于恒温热源 以环境温度为基准的煳值为 e x q q 1 争 协2 3 式中 为热源炯 k w 4 质源 佣 物质都具有一定的能量 与之相对应的烟通称为质源焖 对于一个稳定的系统 它 的动能 佣与位能 媚相对于焓值很小 可忽略不计 它的煳值为 e 日一 4 0 一r o s 一氐 g c 品 r t o 一瓦l n 2 2 4 上0 式中 e 为质源烟 k w h 为物质在温度丁下的焓值 凰为物质在温度t o 下的焓值 s 为物质在温度丁下的熵 s o 为物质在温度瓦下的熵 5 压能 佣 号c h 哮 协2 5 第二章能量分析基础 式中 k 为压能焖 k w p o 为环境压力 状态1 和状态2 的压损烟 峨 罢 h 乏 协2 6 式中 瓦为石 乏的平均温度 k 风为瓦下的密度 k g m 3 2 2 3 系统焖分析评定准则 为了评定系统或设备用能的合理性 常采用的技术指标有炯效率 热力学完善度和 炯损系数等 1 炯效率 弦 苦枷 划一蛩m 毗 亿2 7 式中 e a j 为各种炯损之和 2 热力学完善度s s 瓦ze x o u t i 叫一蕊z e x l i n i 毗 c 2 璐 式中 e 嘶为输出的总烟 乓i n i 为个用能过程的内部烟损之和 j 为输入 的总 翱 s 越大 说明热力学完善性越好 不可逆程度越小 反之 说明热力学完善性越差 不可逆程度越大 3 炯损系数五 五 乏 2 9 磙 i 五 2 3 0 式中 战j 为各用能过程的炯损失 弦为正平衡煳效率 破为反平衡烟效率 以为 设备或系统中个用能过程的媚损系数之和 4 炯损率 1 2 中国石油大学 华东 硕上学位论文 2 3 三环节 分析法 铲盎一x l i厶 2 3 1 2 3 1 三环节 能量划分 三环节 法是用来分析流程比较复杂的系统的能量流的方法 该方法主要从三个方 面入手 即能量的转换环节 利用环节和回收环节 1 2 4 通过系统流程的特征 对系统 的不同环节进行计算 找出系统用能的薄弱环节 1 能量转换环节 将外界的能量通过转换或传输 按照有效供入能所需要的形式 数量 品位提供给 系统或工艺物流的设备和工段 都属于这个环节的任务 如 将燃料化学能转化为热能 电能转化为生产需要的动能或压力能等 2 能量利用环节 能量利用即为系统内每个设备或单元的有效利用的能量 3 能量回收环节 能量回收环节通常由大量换热过程构成 如各种换热器 蒸汽发生器 冷却器等 2 3 2 三环节 能量评定指标 1 能量转换与传输环节 旷 1 一薏k 1 0 毗 2 3 2 式中 吼为能量转换效率 e w 为转换环节直接损失的能量 k w 耳为转换环节 外界的总供入能 k w 统为井排来液供入能 k w 2 能量利用环节 珊 1 一半 1 0 0 2 3 3 乜n 式中 珊为能量利用率 为利用环节损失的能量 k w 风为利用环节工艺总 用能 k w 3 能量回收环节 2 烟利用环节 州卜每 x 1 0 0 2 3 6 式中 r r 为煳利用率 e 为利用环节损失的煳 k w 为利用环节工艺总用 厢 k w 3 烟回收环节 姓 1 0 0 2 3 7 碾2 专 竺 l x o 式中 r r 为 厢回收效率 为回收循环 佣 k w 为输出的 佣 k w 最 为 待回收的炯 k w 1 4 中国石油大学 华东 硕士学位论文 第三章油气水物性分析 油 气 水的物性参数是进行油气处理系统能效研究的基础数据 本文以胡状联 合站为研究对象 因此 油 水的物性均是采自该联合站的油样 水样经实验测定获得 气的物性是根据油田技术检测中心的检测数据依据相关公式计算获得 3 1 脱气原油物性 在工艺计算的过程中 通常要确定脱气原油的各个物性参数 最接近实际原油物性 的公式都是通过实验测定的 但如果没有实验的条件 通常都是用一些经验的公式计算 出原油的各个参数 3 1 1 原油密度 1 原油密度的实验分析 图3 1 是实验测定的胡状联合站脱气原油的密度特性 图3 l 胡状联合站原油密度特性 f i 9 3 1t h ed e n s i t yo fh uz h u a n gc r u do i l 胡状联脱气原油密度的拟合计算公式 p 0 9 7 1 2 1 0 0 0 5 2 9 t 7 6 2 9 8 7 1 0 5 t2 4 1 4 1 4 1 1 0 7 t 3 3 1 2 原油密度的经验关系式 若已知2 0 c 时的原油密度 原油密度也可采用经验关系式来进行计算 在0 5 0 c 范围内其它温度下的密度可按下式计算 p t 9 2 0 0 2 0 3 2 1 5 第三章油水物性分析 g 1 8 2 5 0 0 0 1 3 1 6 p 2 0 3 3 式中 p 为温度为 c 时的原油密度 k e g m 3 仍 为温度为2 0 c 时的原油密度 k g m 3 f 为温度系数 蚝 m 3 c 在2 0 c 1 2 0 c 范围内 原油的密度也可采用下式来计算 麒2 硐p 2 0 3 4 其中 7 8 0 p 2 8 6 0 时 口 3 0 8 3 2 6 3 8 1 0 一 0 2 1 0 8 6 0 p 2 9 6 0 时 口 2 5 1 3 1 9 7 5 1 0 一 0 2 l o 3 1 2 原油粘度 l 原油全粘温特性实验分析 采用a n t o np a a r 旋转流变仪作为测量工具 流变仪同轴圆筒的温度由水浴进行控制 使油样加热或冷却到规定的温度 实验前将油样加热后分别分装至小烧瓶内 在6 0 c 的水浴中热处理三个小时 然 后在室温下静止待用 每个温度点测定之前恒温时间为l o m i n 每个温度点测定时每两 个剪切速率档之间稳定l m i n 图3 2 是实验测得的胡状联脱气原油的全粘温曲线 图3 2 胡状联原油的全粘温曲线 f i 9 3 2t h ev i s c o s i t y t e m p e r a t u r ec u r v eo fh uz h u a n gc r u d eo i l 分析实验数据可知 胡状联原油的反常点约为4 3 c 当温度高于反常点温度时 1 6 中国石油大学 华东 硕士学位论文 原油表现为牛顿流体特性 温度低于反常点温度时 原油表现为非牛顿流体特性 随着 温度降低 表观粘度增大 剪切稀释性增强 表3 1 是胡状联原油全粘温特性的实验结果 表中给出了不同剪切速率下不同温度 段粘温关系的拟合关系式 表3 1胡状联原油的全粘温特性实验结果 t a b l e 3 1t h ev i s c o s i t y t e m p e r a t u r ee x p e r i m e n tr e s u l t so fh uz h u a n gc r u d eo i l 丁 5 5 1 4 3 24 3 2 3 4 33 4 3 2 4 3 o s t m p a s 1 0 l g u 1 0 11 9 0 1 9 9 tl g u 6 9 8 2 0 1 0 9 t 2 0 l g 1 8 9 5 3 o 1 7 2 tl g u 6 5 6 4 0 1 0 4 t 5 0 l g t 7 7 5 5 0 1 4 5 tl g t 6 1 2 3 o 1 0 3 t l g a 2 6 7 6 0 0 2 6 t l o o l g 6 9 2 4 0 1 2 5 tl g t 6 0 5 5 0 0 9 6 t 2 0 0 l g t 6 11 5 0 1 0 6 tl g f l 5 4 1 6 0 0 9 2 t 4 0 0 l g u 5 2 6 5 0 0 8 6 tl g t 5 3 3 0 0 0 8 3 t 2 原油粘温关系的经验公式 关于原油和成品油的粘温特性 国内外已经做了大量的实验和研究 认为原油和成 品油不同的化学组成将决定它们具有不同的粘度 因此理论性的粘温关系公式的应用具 有很大的局限性 在大多数的情况下粘温关系式都是根据实验室测定的数据进行拟合得 出来 所以到现在一直没有一个通用的粘温关系式 2 5 0 1 在牛顿流型的温度范围内 国外曾推荐多种粘温关系经验公式 常见的有 美国材 料试验协会 a s t m 推荐的方程 粘温指数关系式 两个常数的关系式和三个常数的 关系式 常用的粘温指数关系式为 旦 p n n o y 5 0 3 5 式中 y 为温度为丁时油品的运动粘度 1 1 1 2 s v 5 0 为温度5 0 c 时油品的运动粘度 m 2 s u 为粘温指数 1 c 该式适用于低粘度的成品油及部分重燃料油 不同的油品有不同的u 值 一般情况 下低粘度的油材值小 约在0 0 1 一0 0 3 之间 高粘度的油u 值大 约在0 0 6 0 1 0 之 1 7 问 但 测粘温 在0 0 2 在 式中 若 式中 3 1 3 原 送 节 1 由 靠的 组份密 相差很 自动绝 中国石油大学 华东 硕士学位论文 表3 2 原油比热温度特性 t a b l e 3 2t h es p e c i f i ch e a ta n dt e m p e r a t u r ec h a r a c t e ro fc r u d eo i l 譬 面 芒 誓 宝 q 图3 3 原油比热温度关系 f i 9 3 3t h er e l a t i o n s h i po fs p e c i f i ch e a ta n dt e m p e r a t u r e 2 原油比热的经验关系式 液态原油和成品油的比热容q 在输送温度范围内的变化趋势相同 比热容随温度的 升高而缓慢上升 可按下式计算 旷赤m 6 8 7 删3 3 盯 3 1 3 式中 c 为油品比热容 k j k g c 以5 为油品在1 5 c 的相对密度 含蜡原油在温度低于它的析蜡温度的时候 因为在蜡晶体析出时放出了结晶潜 热 所以比热容就成了液相的比热和蜡晶体潜热的和 不同品种的原油或者同种原油在 不同的温度下 变化情况也会有所不同 根据含蜡原油比热容随温度变化的趋势 可以按析蜡点温度兔 最大比热容温度 1 9 第三章油水物性分析 咒 将c t 曲线分成三个区 乃兔 勺2 击 1 6 8 7 0 0 0 3 3 9 t 3 1 4 瓦 丁 瓦l 随油温降低 比热容急剧上升 由于这个温度范围内 单位温降 的析蜡率逐渐增大 放出的潜热多 故比热容c l y 随温降而增大 c 丁关系可用下面公式 c l y 4 1 8 6 一a e r 3 1 5 式中 c l y 为含蜡原油在析蜡温度以下的比热容 k j k g c a 为常数 随原油而不同 k j k g c 聆为常数 随原油而不同 1 c o 丁 咒 随油流温的降低 比热容又逐渐减小 这个温度范围内 多数蜡 晶已经析出 故再继续降温时 单位温降的析蜡率逐渐减小 乙为析蜡率最大 即比 热容达最大值的温度 7 0 一般略低于凝点 这个区域的c 丁关系可用下面的拟合公式 c l y 4 1 8 6 一b e 一 r 3 1 6 式中 c l 为含蜡原油在低于瓦 温度的比热容 k j k g c b 为常数 随原油的个同 而个同 k j k g c r n 为常数 随原油的不同而不同 l o c 3 1 4 原油的导热系数 原油的导热系数随温度而变化 可按下式计算 2 y 0 3 1 7 半 式中 以为油品在丁 c 的导热系数 w m c 原油和成品油在管输条件下的导热系数约在o 1 0 1 6 w m o c 之间 大致计算可 取0 1 4 w m c 油品呈半固态时导热系数比液态时要大 石蜡的平均导热系数可取 2 5 w m c 1 2 0 中国石油大学 华东 硕士学位论文 3 2 天然气的物性计算 3 2 1 天然气压缩因子 由于计算机的出现 国外的学者提出了很多种通过计算机直接计算气体压缩因子的 方法 比较精确且常用的方法是罗宾孙法 压缩因子相关式为 z l a a i a i h a a i 1b 2 a a n 5 i 1 a 屏2 1 3 6 a o r 2 e x p a o r 2 3 1 8 式中 肛 0 2 7 p z i a 1 0 3 1 5 0 6 2 3 7 a 2 1 0 4 6 7 0 9 9 0 a 3 一0 5 7 8 3 2 7 2 9 a 4 0 5 3 5 3 0 7 7 1 a 5 一0 6 1 2 3 2 0 3 2 a 6 一o 1 0 4 8 8 8 1 3 a 7 0 6 8 1 5 7 0 0 1 a s 0 6 8 4 4 6 5 4 9 p r 为天然气的对比压力 可由式 3 2 1 计算 i 为天然气的对比 温度 可由式 3 2 计算 缺乏天然气组成资料时 可用天然气的相对密度按式 3 2 0 3 2 1 求天然气的假的 临界压力和假临界温度 p c 5 5 3 1 0 4 9 0 5 1 0 5 3 1 9 正 1 2 2 3 8 a g n 5 3 2 0 式中 p 为气体的临界压力 p a t 为气体的临界温度 k a 为天然气的相对密度 天然气的对比压力p 和对比温度i 由下式计算 3 2 1 3 2 2 3 2 2 天然气动力粘度 已知天然气所处压力 温度条件下的密度 和标准状态下的相对密度 可按下 式求所处条件下的天然气动力粘度 驴m 旷陆y 2 3 2 1 p 一仇 r t i i p 第三章油水物性分析 f 一 9 4 0 0 2 m x l 8 丁 1 5 2 0 9 1 9 m 1 8 t 3 2 3 a x 3 5 堕 o 0 1 m 1 8 丁 m 2 8 9 6 4 a g y 2 4 0 2 x 3 2 3 b 3 2 3 c 3 2 3 d 式中 g 为天然气动力粘度 m p a s t 为天然气温度 k p g 为天然气密度 k g m 3 m 为气体相对分子量 3 2 3 天然气密度 工程标准状况 压力和温度值 下天然气密度 侥 a g p a p 一3 2 4 侥2g ar 任意工况下天然气密度为 以2 去p 矛1 0 0 3 2