CN110057165B - 油田制氮注氮设备节能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了油田制氮注氮设备节能系统。油田制氮注氮设备节能系统，包括依次连通的空压机、PSA制氮设备、增压机、注水泵，所述空压机、PSA制氮设备、增压机依次串联，所述增压机与注水泵并联，实现气水混注；所述空压机进口处分别加装空气干燥装置和/或空气预热装置；将所述空压机的压缩级数1级优化至2级；在所述空压机的电机上安装变频器；对所述注水泵增加闭环调节，使注水量随着井口压力的变化适时调节；在所述增压机的空冷位置加装余热回收装置，收集气体压缩释放的热能。本发明对各节能方案的节能量进行对比，提出最佳节能方案，即采用变频调节技术、优化压缩级数与提高功率因数等方法，预测节约成本约20万元。

Description

油田制氮注氮设备节能系统
技术领域
本发明涉及油田设备领域，尤其涉及油田制氮注氮设备节能系统。
背景技术
塔里木盆地缝洞型油藏注氮气采油技术取得显著增油效果，在低油价环境下，注氮气技术推广过程中，降本尤为重要。通过技术攻关，稳步推进注气设备由柴油驱动向电驱动方式的改造优化，注气设备组合优化提高氮气纯度至99.7％，国内首次开展50MPa压力级别压缩机注入现场试验，形成了撬装式、高纯、高压制氮注氮设备，实现了大幅降本，保障了氮气采油技术的大规模应用。
但如何进一步降低油田制氮注氮设备的注气成本，提高注气工艺技术在低油价条件下的经济性和适应性，现有技术中仍然是空白。
发明内容
为了弥补现有技术中对于油田制氮注氮设备节能的不足，本发明为进一步降低注气成本，基于节点分析法，利用能量平衡开展系统用能分析，挖掘节能潜力，提高注气工艺技术在低油价条件下的经济性和适应性。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供了一种油田制氮注氮设备节能系统。
本发明所提供的油田制氮注氮设备节能系统，包括依次连通的空压机、PSA制氮设备、增压机、注水泵，所述空压机、PSA制氮设备、增压机依次串联，所述增压机与注水泵并联，实现气水混注，所述空压机进口处分别加装空气干燥装置和/或空气预热装置；将所述空压机的压缩级数1级优化至2级；在所述空压机的电机上安装变频器；对所述注水泵增加闭环调节，使注水量随着井口压力的变化适时调节；在所述增压机的空冷位置加装余热回收装置。余热回收装置安装在增压机空冷位置，主要收集气体压缩释放的热能。
所述空气干燥装置与所述空气预热装置依次串联连通，设置在所述空压机的进口处。
所述增压机的入口前端连通两台并联的PSA制氮设备；每一台PSA制氮设备的入口前端连通两台并联的空压机。
所述两台并联的空压机均为2级压缩，每一台2级压缩的空压机入口前端分别连通有空气预热装置。
所述空气预热装置为两台，两台空气预热装置并联连接；所述两台空气预热装置的入口前端接通有空气干燥装置。
选择匹配的所述空压机的电机、所述增压机的电机、所述注水泵的电机和变压器，提高功率因数至0.95。
变压器是指110KV大电转换为380V工业用电的变压器。
所述加装空气干燥装置，控制空气湿度小于50％。
所述加装空气预热装置，控制空气温度大于30℃
所述增压机和注水泵的气水比控制在100:1-700:1的范围内。
所述增压机和注水泵的进口的注气压力控制在25-30MPa。
本发明以注气系统能耗测试为依据，建立能耗和
Figure BDA0002031721330000021
分析模型，采用能量平衡分析法和
Figure BDA0002031721330000022
平衡分析法分析设备的能流方向以及
Figure BDA0002031721330000023
流方向，明确能量损失主控因素，制定节能方案。能耗分析表明，PSA设备是主要的
Figure BDA0002031721330000024
损设备，其次是空压机，再次是增压机，注水泵的
Figure BDA0002031721330000025
损最小。由于PSA为成型工艺，无法进行改造，因此，主要的节能潜力为空压机、注水泵和增压机。
针对能耗分析，明确了空压机能耗的影响因素，提出了空压机节能降耗方法、注水泵和增压机辅助降耗方法及增加功率因数提高电网能量利用率的节能降耗方法，其中，空压机采用变频调节技术的节能效果最为明显，其次为优化压缩级数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明采用能量平衡分析法和
Figure BDA0002031721330000026
平衡分析法分析设备的能流方向以及
Figure BDA0002031721330000027
流方向，明确能量损失主控因素。
2、本发明提出节能方案，空压机进口加装空气预热装置、空气干燥装置，优化压缩机技术，变频调节技术，降低气水比，提高电网功率因数等，对各节能方案的节能量进行对比，提出最佳节能方案，即采用变频调节技术、优化压缩级数与提高功率因数等方法，预测节约成本约20万元。
附图说明
图1为注气地面流程图。
图2为能流图及5井能量分配比例。
图3为
Figure BDA0002031721330000028
流图及5井
Figure BDA0002031721330000029
流分配比例。
图4为系统节能后的注气地面流程图。
图5为等容量干湿空气P-V图。
图6为空气湿度对能耗影响曲线。
图7为进口温度对空压机能耗影响。
图8为增压机能耗与注气压力关系曲线(98％、99％为氮气纯度)。
图9为增压机/注水泵能耗与气水比关系曲线。
具体实施方式
为了更加清楚地理解本发明，现对本发明的具体实施方案进行详细的阐述，但本发明所保护范围不仅限于此。
实施例1、油田制氮注氮设备能耗测试
1、注氮机组基本流程为：空气压缩(空压机)→空气处理(处理撬)→制氮提纯(PSA)→氮气增压(增压机)→注入井下(单注或与水混注+注水泵)(图1)。一套流程需要测试内容：注水泵(1台)、空压机(3-4台)、干冷机(2台)、增压机(1台)、冷风机(4台)。
现场测试并计算了10口井的系统效率，注氮机组运行效率为7-13％，具体结果如下表1所示：
表1系统效率测试评价结果
Figure BDA0002031721330000031
2、为了明确注气设备的能量分配情况，对注气地面设备的能流方向(见图2)进行分析，能量分析计算结果见表2，从表2中可以看出，在输入能量中，电能占输入能量的绝大部分。而电能输入中以空压机耗能最大，以注水泵耗能最小。在能量损失方面，PSA由于排气损失，散热损失等原因，能量损失占比较大；其次是空压机、增压机，注水泵能量损失最小。
表2能量分析计算结果
Figure BDA0002031721330000032
Figure BDA0002031721330000041
3、采用
Figure BDA0002031721330000043
平衡分析法，从能质的观点出发，对用能过程进行分析和评价的，结果如表3和图3所示。结果表明PSA设备是主要的
Figure BDA0002031721330000044
损设备，其次是空压机，再次是增压机，注水泵的
Figure BDA0002031721330000045
损最小。
表3
Figure BDA0002031721330000046
分析计算结果
Figure BDA0002031721330000042
在整个系统中PSA因产气和之后放空造成的能量损失最大，
Figure BDA0002031721330000047
损也最大。但针对PSA为成型工艺，在现有的条件下无法进行改造。空压机能耗以及
Figure BDA0002031721330000048
损次高，节能改造的重点是空压机。
实施例2、油田制氮注氮设备节能系统及节能方法
一、油田制氮注氮设备节能系统
本发明所提供的油田制氮注氮设备节能系统，如图4所示，包括依次连通的空压机、PSA制氮设备、增压机、注水泵，所述空压机、PSA制氮设备、增压机依次串联，所述增压机与注水泵并联，实现气水混注，所述空压机进口处分别加装空气干燥装置和/或空气预热装置；将所述空压机的压缩级数1级优化至2级；在所述空压机的电机上安装变频器；对所述注水泵增加闭环调节，使注水量随着井口压力的变化适时调节；在所述增压机的空冷位置加装余热回收装置。余热回收装置安装在增压机空冷位置，主要收集气体压缩释放的热能。
所述空气干燥装置与所述空气预热装置依次串联连通，设置在所述空压机的进口处。
所述增压机的入口前端连通两台并联的PSA制氮设备；每一台PSA制氮设备的入口前端连通两台并联的空压机。
所述两台并联的空压机均为2级压缩，每一台2级压缩的空压机入口前端分别连通有空气预热装置。
所述空气预热装置为两台，两台空气预热装置并联连接；所述两台空气预热装置的入口前端接通有空气干燥装置。
选择匹配的所述空压机的电机、所述增压机的电机、所述注水泵的电机和变压器，提高功率因数至0.95。
变压器是指110KV大电转换为380V工业用电的变压器。
所述加装空气干燥装置，控制空气湿度小于50％。
所述加装空气预热装置，控制空气温度大于30℃。
所述增压机和注水泵的气水比控制在100:1-700:1的范围内。
所述增压机和注水泵的进口的注气压力控制在25-30MPa。
二、油田制氮注氮设备节能系统节能分析
1、空压机节能方案
1)空压机进口处加装空气干燥装置。空气绝热压缩过程的压力-体积关系如图5所示，当初始温度、压力相同时，湿空气气体常数较干空气大，因此湿空气的比热容较干空气小，在等质量和压缩比条件下对干、湿气进行压缩，图5中阴影部分面积即为湿空气较干空气多耗的功。
表4和图6数据是根据绝热过程方程计算出干、湿空气对空压机能耗影响，随着空气湿度增大，能耗增大，因此降低空压机进口湿度有利于空压机的高效运行。
表4干、湿空气对空压机能耗影响
Figure BDA0002031721330000051
Figure BDA0002031721330000061
从图6可以看出，在相对湿度10％～50％之间，能耗随相对湿度增大几乎呈线性关系，增长速率较为均匀。在相对湿度50％～60％之间，能耗随相对湿度的增大骤然增大。在相对湿度大于60％时随着相对湿度的增大，能耗变化趋势有所变缓。推荐加装空气干燥装置后，控制空气湿度小于50％。
2)空压机进口处加装空气预热装置。如表5和图7所示，当空压机的出口温度不变以及压缩比不变的情况下，空压机的能耗随进口温度的增加急剧减小，几乎呈线性状态，提高空压机进口温度有利于空压机的节能运行。可根据制氮设备温度承受能力，选择对空气进行加热。推荐加装空气预热装置后，控制空气温度大于30℃。
表5不同进口温度对空压机的能耗影响
Figure BDA0002031721330000062
3)增加空压机的压缩级数。如表6所示，压缩级数增加，压缩比降低，当一级压缩增加到二级压缩时，在运行效率不变的情况下，能耗减少13.8％，节能效果明显。优化空压机的压缩级数提高空压机效率主要有两个原因：其一是每一级的压缩比降低，可提高了容积效率，降低每一级的内外泄露；二是在油气混合物以及排气进入二级吸气之前，可充分混合，起到级间冷却的作用。这一油气混合物进入压缩机的第二级进行压缩，也使得第二级压缩过程更为接近等温过程，提高了压缩机的能效。
表6一级压缩和二级压缩运行效率不变情况下所需功率表
Figure BDA0002031721330000063
4)采用变频调速技术。变频调速技术是一种以改变电动机频率和改变电压来达到电动机调速目的的技术，即在交流电动机和电网之间装一个频率可变化的装置——变频器。通过变频器频率变化来实现空压机转速的变化进而调节空压机的能量，能够在一定范围内连续进行能量调节，满足空压机轻载时的运行需要，使排气量与实际用气量相匹配(表7)。
表7变频调节后节能表
Figure BDA0002031721330000071
以功率为160kW，转速为1480r/min，额定电流294A，功率因数为0.89空压机为例。采用传统的加、卸载供气控制方式，正常生产时，压力需维持在0.60～0.72MPa范围内，空压机进气阀门开关都呈现一定的规律性，即阀门打开加载时间约为125s，关闭卸载时间约为90s(即加载时间占总时间的58％，卸载时间约占42％)；加载时电机电流大约为256A，关闭阀门电机电流约为102A。采用变频恒压控制以后，正常生产时，管网压力保持在0.60±0.02MPa这样一个相对稳定的值，变频器显示36Hz，电机电流维持在193A左右，上下波动很小。如此，年节约电能约为278.9×103kWh。按照目前平均工业电价0.615元/kWh计算，每年可节省生产成本约17.2万元。
2、注水泵、增压机节能方案
1)现场的注水泵流量根据井口注气压力进行人工调节，不具备及时性。因此，建议对注水泵增加闭环调节，使注水量随着井口压力的变化适时调节，既减少工人工作量又降低成本费用。
2)现场能耗测试数据可知，增压机和注水泵的能耗随着注气压力的升高而增加(图8)，因此，在满足注气方案设计的前提下，可通过降低气水比来降低井口注气压力，将气水比降低至100:1-700:1，以降低注水泵和增压机能耗(图9)，进而减少整套系统的能耗。现场注气压力控制范围25-30MPa，气水比根据压力控制要求可调。
3)增压机加装余热回收装置。即通过余热回收实现级间冷却的目的，使压缩过程尽可能的趋于等温压缩，进而降低能耗。
3、提高电网能量利用率
功率因数是电力系统的一个重要的技术数据，是衡量电气设备效率高低的一个系数。在实际用电过程中，提高负载的功率因数是最有效的提高电力资源利用率的方式。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大，从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。将功率因数分别增加到0.95，可以看出无论是线路损耗还是功率损耗都大幅降低(表8)。
表8增大功因数与线损和功率损失计算表
Figure BDA0002031721330000072
Figure BDA0002031721330000081
根据上述节能措施的分析，现将不同的节能措施的节能率汇总如表9所示，可以看出通过变频调节技术的节能效果最为明显，其次为优化压缩级数。结合现场实际、测试数据及历史数据分析可知，每表方气需要0.23kW·h，每千瓦时按0.5元算，当注气量为50万方时，不同节能措施可节约成本如下表9所示。
表9不同节能措施的节能率
Figure BDA0002031721330000082
4、系统节能方法与效果
能耗测试与分析表明，在整个系统中PSA制氮设备因产气和之后放空造成的能量损失最大，
Figure BDA0002031721330000084
损也最大，空压机能耗以及
Figure BDA0002031721330000085
损次高，但由于PSA为成型工艺，无法进行改造，因此，现场节能改造的重点是空压机、增压机和注水泵。
现场对5井注气设备进行了节能改造，节能措施综合了空压机进口处加装空气干燥装置、预热装置、压缩级数1级优化至2级，以及降低气水比，注气压力由38MPa降至33MPa。现场测试表明，空气湿度由57％降低值40％，节约能耗1.2kW，空压机进口温度由10℃提高至30℃，节约能耗12kW，二级压缩式空压机运行功率较以及压缩式空压机运行功率降低30kW，系统整体效率由10.42％提高至13.15％(表10)。
表10 5井注气系统节能效果对比数据表
Figure BDA0002031721330000083

Claims (9)

1.油田制氮注氮设备节能系统，包括依次连通的空压机、PSA制氮设备、增压机、注水泵，所述空压机、PSA制氮设备、增压机依次串联，所述增压机与注水泵并联，实现气水混注，
其特征在于：
所述空压机进口处分别加装有空气预热装置，或串联的空气干燥装置和空气预热装置；
所述空压机的压缩级数被配置为从1级优化至2级；
所述空压机的电机上安装有变频器；
所述注水泵具有闭环调节功能，用于使注水量随着井口压力的变化适时调节；
在所述增压机的空冷位置加装有余热回收装置，用于收集气体压缩释放的热能；
在所述增压机的入口前端连通PSA制氮设备；所述PSA制氮设备的入口前端连通空压机。
2.根据权利要求1所述的油田制氮注氮设备节能系统，其特征在于：所述增压机的入口前端连通两台并联的PSA制氮设备；每一台PSA制氮设备的入口前端连通两台并联的空压机。
3.根据权利要求2所述的油田制氮注氮设备节能系统，其特征在于：所述两台并联的空压机均为2级压缩，每一台2级压缩的空压机入口前端分别连通有空气预热装置。
4.根据权利要求3所述的油田制氮注氮设备节能系统，其特征在于：所述空气预热装置为两台，两台空气预热装置并联连接；所述两台空气预热装置的入口前端接通有空气干燥装置。
5.根据权利要求1-4中任一所述的油田制氮注氮设备节能系统，其特征在于：选择匹配的所述空压机的电机、所述增压机的电机、所述注水泵的电机和变压器，提高功率因数至0.95。
6.根据权利要求1所述的油田制氮注氮设备节能系统，其特征在于：所述加装空气干燥装置，控制空气湿度小于50％。
7.根据权利要求1所述的油田制氮注氮设备节能系统，其特征在于：所述加装空气预热装置，控制空气温度大于30℃。
8.根据权利要求1所述的油田制氮注氮设备节能系统，其特征在于：所述增压机和注水泵的气水比控制在100:1～700:1的范围内。
9.根据权利要求1所述的油田制氮注氮设备节能系统，其特征在于：所述增压机和注水泵的进口的注气压力控制在25MPa～30MPa。
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