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油田伴生氣分布式能源技術(shù)應(yīng)用與分析

文檔作者：王立慶文檔來源：北京首都機場節(jié)能技術(shù)服務(wù)有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年06月15日
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石油石化節(jié)能
2018 年第6 期總第429 期
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銷量規(guī)模可達(dá)百萬以上，配套加氫站數(shù)量將在4500 座
以上。預(yù)計，未來10 年我國加氫站的建設(shè)將進(jìn)入快速
發(fā)展期，同時混合加氫站的建設(shè)將成主流。
參考文獻(xiàn)
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國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與展望》的主題報告[N].2017.
站每個站獎勵400萬元，這樣的補貼政策可以繼續(xù)持續(xù)。
（2）不斷更新加氫站標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，制定完善加氫站審
批流程。不斷完善加氫站建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，適應(yīng)時代發(fā)展，保障
燃料電池車的發(fā)展。同時，制定完善加氫站的審批流程，
提高加氫站的建設(shè)速度，為燃料電池車提供能源保障。
（3）同時，政府應(yīng)該加強管理，建立健全的行業(yè)準(zhǔn)
入制度。加氫站的發(fā)展正處于起步階段，同時由于行業(yè)
的特殊性，政府應(yīng)該設(shè)立健全的行業(yè)準(zhǔn)入制度，對企業(yè)
資質(zhì)、從業(yè)人員等建立嚴(yán)格的從業(yè)資格認(rèn)證，確保今后
加氫站的安全運營。
5 我國加氫站建設(shè)的前景展望
雖然我國的加氫站數(shù)量少，同時存在加氫站建設(shè)標(biāo)
準(zhǔn)不完善、審批流程不健全、建設(shè)成本高等諸多問題，
但是隨著我國燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的逐步發(fā)展以及國家對
燃料電池政策方面的傾斜，各個地區(qū)也開始規(guī)劃加氫站
的建設(shè)。據(jù)不完全統(tǒng)計，2017 年我國在建的和規(guī)劃建設(shè)
的加氫站有20 座以上，如張家口、上海、廣東等地都
正在建設(shè)加氫站。根據(jù)中國制造2025 對燃料電池汽車
產(chǎn)業(yè)發(fā)展的規(guī)劃，2025 年的目標(biāo)是實現(xiàn)加氫站等配套基
礎(chǔ)設(shè)施的完善。預(yù)計2025 年后國內(nèi)燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)
將進(jìn)入快速發(fā)展階段，到2030 年國內(nèi)燃料電池汽車年
油田伴生氣分布式能源技術(shù)應(yīng)用與分析
王立慶
（北京首都機場節(jié)能技術(shù)服務(wù)有限公司，北京 100621）
摘 要：利用天然氣分布式能源技術(shù)綜合利用油田伴生氣是某公司在中國石油天然氣股份公司的指導(dǎo)下開
展的有益嘗試。通過詳實的描述某油田聯(lián)合站伴生天然氣分布式能源試點項目設(shè)計、實施、運行過程和項目試
點工作取得的成效，展示了天然氣分布式能源技術(shù)在回收利用油田伴生氣的優(yōu)勢。分析了項目存在的不足，提
出了需要改進(jìn)的具體建議。
關(guān)鍵詞：分布式能源；油田伴生氣；安全；高效節(jié)能
中圖分類號：TE 86 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1004-7948（2018）06-0019-004
doi ：10.3969/j.issn.1004/7948.2018.06.007
作者簡介：王立慶，碩士，高級工程師，研究方向為分布式能源和
項目管理。
收稿日期：2018-01-20
1 項目提出的背景
天然氣分布式能源作為能源梯級高效利用的重要
能源利用形式，越來越受到各國政府的關(guān)注。我國從
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石油石化節(jié)能
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“十二五”開始鼓勵發(fā)展天然氣分布式能源，包括技術(shù)、
裝備和試點應(yīng)用項目等。截止2015 年底，共完成天然
氣分布式能源示范工程100 多個。2013 年中國石油天然
氣股份有限公司簽發(fā)《關(guān)于開展分布式能源技術(shù)應(yīng)用試
點工作的通知》，建議勘探與生產(chǎn)分公司牽頭篩選試點
項目。
油田稀油區(qū)塊集輸系統(tǒng)中都會產(chǎn)生伴生天然氣，伴
生天然氣一般在采出液處理工藝中產(chǎn)生，產(chǎn)氣量小且不
穩(wěn)定。對于日產(chǎn)量小于1 萬m3 的處理站，一般只做簡單
處理后作為加熱爐燃料，剩余部分通過火炬焚燒。對于
產(chǎn)量較大的處理站，需要對伴生天然氣進(jìn)行處理后外輸。
由于處理裝置和輸送條件的限制，只對產(chǎn)量相對穩(wěn)定的
處理站采取處理外輸。其余大部分還是采取火炬焚燒來
處理。由于伴生天然氣含有大量雜質(zhì)和H2S，火炬焚燒
不僅浪費了大量資源還污染了環(huán)境。
2 項目概述
某油田聯(lián)合站主要是將油田開采出來的原油和天然
氣進(jìn)行收集、儲存、輸送和初步處理加工，負(fù)責(zé)將油井采
出的石油氣、液混合物經(jīng)過管道輸入油氣處理站進(jìn)行氣液
分離和脫水處理或深加工等一系列復(fù)雜的工藝過程。聯(lián)合
站工藝流程示意圖如圖1 所示。
圖1 聯(lián)合站工藝系統(tǒng)示意圖
某油田聯(lián)合站主要用電設(shè)備包括注水泵2×110kW，
熱水循環(huán)泵2×132kW（1 用1 備），注水處理設(shè)備和鍋
爐房用電100kW，抽油井用電50kW，其余用電設(shè)備用
電功率較小。
聯(lián)合站用熱主要包括采暖及工藝用熱，站內(nèi)有
3MW 燃?xì)忮仩t2 臺，1 用1 備，鍋爐長期處于低負(fù)荷運行。
加熱爐主要為管線伴熱、冬季采暖、站內(nèi)維溫及三相
分離器提供熱量，聯(lián)合站用熱系統(tǒng)圖如圖2 所示。加熱
爐供熱溫度冬季90℃，夏季70℃，回水溫度冬季80℃，
夏季60℃。
圖2 聯(lián)合站用熱系統(tǒng)圖
聯(lián)合站夏季伴生氣產(chǎn)量3500m3/d，加熱爐用氣
量1200m3/d， 排空量2300m3/d。冬季天然氣產(chǎn)量
2500m3/d，加熱爐用氣量1680m3/d，排空量820m3/d。
伴生氣組分分析數(shù)據(jù)如表1 所示。
表1 伴生氣組分分析表
3 負(fù)荷分析
某聯(lián)合站的電負(fù)荷小于300kW，天然氣分布式能源
系統(tǒng)發(fā)電無法在站內(nèi)全部消耗。
夏季加熱爐消耗伴生氣1200m3/d，伴生氣熱值55MJ/
m3，加熱爐效率90%。由此可計算出加熱爐熱負(fù)荷：
Q 夏=(1200÷24)×55×90%÷3.6=690kW。
冬季加熱爐消耗伴生氣1680m3/d， 伴生氣熱值
55MJ/m3，加熱爐效率80%。由此可計算出加熱爐熱
負(fù)荷：
Q 冬=(1680÷24)×55×90%÷3.6=960kW。
伴生氣全部用于發(fā)電，夏季3500m3/d，冬季2500m3/d，
發(fā)電熱耗按照11MJ/kWh，余熱效率40%。發(fā)電功率和可
用余熱分別為：
組成單位數(shù)值
N2 % 1.96
C1 % 58.32
C2 % 7.77
CO2 % 5.15
C3 % 13.81
iC4 % 2.56
nC4 % 5.83
iC5 % 1.62
nC5 % 1.41
C6-1 % 0.28
C6-2 % 0.45
C6-3 % 0.31
C7+ % 0.46
相對密度1
平均分子量28.98
H2S V/V，×10-6 790
單井來液一級分離器
污水
伴熱
伴生氣
二級分離器
油泵外輸
加熱爐火炬
加熱器
水處理
除油器
注水泵
除水器
油罐
注水 水罐
供熱母管
加熱爐
水泵
回水罐
回水母管
供熱
供熱
集水器分水器
伴熱
伴熱
維溫
維溫
三分相
三分相
離器
離器
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小，最大機組容量也只有50kW。中低速內(nèi)燃機多應(yīng)用
于重油電站或船用內(nèi)燃機，其缸徑大、活塞行程長，氣
缸排量高，轉(zhuǎn)速一般低于1200r/min。燃料在缸內(nèi)燃燒
做功時間長，有利于燃料充分混合燃燒和能量釋放。主
要用于重油電站和船用內(nèi)燃機，功率一般都較大。綜合
上述分析，中低速內(nèi)燃機由于應(yīng)用廣泛，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較
高，通過技術(shù)改造變?yōu)槿細(xì)鈨?nèi)燃機后比較適合油田伴生
天然氣應(yīng)用。
根據(jù)聯(lián)合站伴生氣產(chǎn)量及系統(tǒng)用熱負(fù)荷確定系統(tǒng)發(fā)
電機組配置，考慮2 臺400kW 發(fā)電機組，夏季運行2 臺，
冬季運行1 臺。發(fā)電機組參數(shù)見表2。
表2 發(fā)電機運行參數(shù)表
本項目主要解決伴生氣排空安全隱患，回收高效利
用伴生天然氣。增加發(fā)電機組不會影響站內(nèi)工藝系統(tǒng)，
伴生天然氣分布式能源系統(tǒng)不考慮備用機組。發(fā)電機組
采用并網(wǎng)方式運行，滿足站內(nèi)全部用電負(fù)荷，其余部分
通過變壓器升壓并入6kV 油田電網(wǎng)。余熱利用設(shè)備主要
是缸套水換熱器和煙氣余熱鍋爐。
伴生天然氣分布式能源系統(tǒng)利用伴生天然氣發(fā)電，
余熱滿足廠區(qū)采暖及工藝用熱，系統(tǒng)流程如圖3 所示。
圖3 系統(tǒng)流程圖
夏季發(fā)電余熱可滿足站內(nèi)用熱需求，加熱爐可以作
為備用供熱設(shè)備。如果發(fā)生發(fā)電機組故障或檢修停機，
加熱爐可以提供不足熱量或全部熱量需求。冬季由于伴
生天然氣量較小，首先考慮滿足站內(nèi)用熱需求，余氣發(fā)
電。可以通過熱平衡計算確定發(fā)電和供熱用氣量。
冬季發(fā)電負(fù)荷360kW，消耗天然氣72m3/h，提供余熱
功率440kW。剩余天然氣用于加熱爐燃料，加熱爐可以提
供熱功率：Q 冬=(2500÷24-72)×55×90%÷3.6=442kW。
站內(nèi)冬季熱負(fù)荷需求為960kW，系統(tǒng)可提供熱負(fù)荷
為882kW，無法滿足用熱需求。所以，需降低發(fā)電功率，
W 夏=(3500÷24)×55÷11=730kW ；
W 冬=(2500÷24)×55÷11=520kW ；
Q y 夏=(3500÷24)×55×40%÷3.6=890kW ；
Q y 冬=(2500÷24)×55×40%÷3.6=640kW。
由上述計算可得：夏季發(fā)電730kW，可用余熱
890kW，滿足站內(nèi)用熱需求690kW。冬季發(fā)電520kW，
可用余熱640kW，無法滿足站內(nèi)用熱960kW 的需求。
所以，系統(tǒng)設(shè)計需要考慮滿足站內(nèi)用熱的條件下設(shè)計伴
生氣分布式能源系統(tǒng)。
4 方案設(shè)計
確立正確的設(shè)計原則是伴生天然氣分布式能源項目
成敗的關(guān)鍵。同時受伴生氣產(chǎn)量和用熱量的限制，項目
必須采取“以熱定電”原則，按照站內(nèi)用熱量確定伴生
氣用于發(fā)電機組和加熱爐的分配比例。
設(shè)備選擇主要考慮設(shè)備的負(fù)荷率和設(shè)備對燃料的適
用性。油田伴生氣由于輕烴含量較高成分復(fù)雜、各組分
燃燒特性各不相同，難以滿足內(nèi)燃機缸內(nèi)穩(wěn)定燃燒的要
求。為了解決上述問題，盡量減小不穩(wěn)定燃燒對發(fā)電機
造成影響。可考慮2 種方案：一種方案是將伴生天然氣
進(jìn)行預(yù)處理，分離輕烴。處理后的伴生氣進(jìn)入發(fā)電機發(fā)
電。分離出的輕烴可作為加熱爐燃料；一種方案是選用
對復(fù)雜成份不敏感的發(fā)電設(shè)備。第一種方案，需要配套
完備的伴生氣處理設(shè)備，投資大，設(shè)備維護(hù)繁瑣。處理
過的天然氣熱值低，相應(yīng)的發(fā)電能力降低。第二種方案，
可選的發(fā)電設(shè)備較少，發(fā)電效率低。某油田聯(lián)合站伴生
氣產(chǎn)量和可用于發(fā)電的量均較小，第一種方案過于復(fù)雜
不適合小規(guī)模應(yīng)用。第二種方案可選的設(shè)備包括微型燃
氣輪機、外燃機和中低速內(nèi)燃機。
微型燃?xì)廨啓C的特點是設(shè)備體積小重量輕，發(fā)電效
率較高，排煙溫度低。適應(yīng)多種燃料包括天然氣、沼氣、
石油氣、生物質(zhì)氣等。發(fā)電效率30% 左右，余熱利用效
率高達(dá)40% 以上。煙氣氮化物排放低是內(nèi)燃機的氮化
物排放的10%。其缺點是設(shè)備均需進(jìn)口，運行維護(hù)完全
依賴國外廠商，成本高。外燃機也叫斯特林發(fā)動機，是
一種外燃的閉式循環(huán)往復(fù)活塞式熱力發(fā)動機。由于外燃
機避免了傳統(tǒng)內(nèi)燃機的震爆做功問題，從而實現(xiàn)了高效
律、低噪音、低污染和低運行成本。外燃機可以燃燒各
種可燃?xì)怏w，如：天然氣、沼氣、石油氣、氫氣、煤氣
等，也可燃燒柴油、液化石油氣等液體燃料，還可以燃
燒木材以及利用太陽能等。只要熱腔達(dá)700℃，設(shè)備即
可做功運行，環(huán)境溫度越低，發(fā)電效率越高。發(fā)電效率
為30% 左右。其缺點是目前商業(yè)運行的機組較少，功率
發(fā)電功率
（kW）
運行時間
（h）
耗氣量
（m3/h）
發(fā)電量
（萬kWh）
供熱能力
（kW）
冬季夏季冬季夏季冬季夏季冬季夏季冬季夏季
360 730 3000 5000 72 146 108 365 440 892
發(fā)電機
燃?xì)鈨?nèi)燃機
余熱鍋爐
直燃鍋爐
缸套水余熱用熱負(fù)荷
用電負(fù)荷
用熱負(fù)荷
用熱負(fù)荷
伴生天然氣
聯(lián) 合 站
余電6kV并網(wǎng)
萬方數(shù)據(jù)
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增加加熱爐伴生氣燃料供應(yīng)。通過多輪模擬計算確定冬
季發(fā)電機分配60m3/h 伴生天然氣，剩余44m3/h 伴生天
然氣用于加熱爐可產(chǎn)生可用熱負(fù)荷大于960kW，發(fā)電功
率300kW。
5 工程實施
發(fā)電機房主體建筑需滿足《建筑設(shè)計防火規(guī)范》和
《石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范》的相關(guān)要求，按照有
關(guān)規(guī)定必須采取相應(yīng)的消防措施，建筑外部預(yù)留消防通
道，保障消防車輛的通行。機房建設(shè)在站內(nèi)加熱爐附近
有利于伴生氣管道接入和熱負(fù)荷送出。燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機
最大噪音約107dB，需要對廠房進(jìn)行降噪處理，才能滿
足噪音控制要求。
某油田聯(lián)合站貼近圍墻建有居住區(qū)，噪音控制至關(guān)
重要。按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)此區(qū)域?qū)儆诠I(yè)和居民混雜區(qū)2 類
標(biāo)準(zhǔn)。項目考慮采取降噪措施：第一，發(fā)電機組采用降
噪基礎(chǔ)；第二，發(fā)電機組排煙加雙消聲器；第三，機房
內(nèi)部加裝消音板；第四，窗戶采用雙層隔音玻璃降低噪
音；第五，機房進(jìn)、排分機加裝消音罩。
工程建設(shè)期間，由于無法采購到400kW的中低速燃
氣內(nèi)燃機組，中低速燃?xì)鈨?nèi)燃機組在低負(fù)荷工況效率降低
明顯，一般不建議低于額定功率的80%。所以，只能分期
建設(shè)，一期選用成熟的500kW中速內(nèi)燃機1臺。后期根據(jù)
內(nèi)燃機設(shè)備的成熟程度和伴生天然氣條件選擇1臺400kW
或更小容量中低速燃?xì)鈨?nèi)燃機建設(shè)第二期項目。
伴生天然氣含硫量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過內(nèi)燃機組限值。燃料含
硫高會造成設(shè)備腐蝕和潤滑油失效，嚴(yán)重影響機組運行安
全。為了控制燃料含硫量，在原伴生天然氣處理工藝后增
加脫硫和脫水裝置流程如圖4所示。經(jīng)過處理的伴生氣硫
化氫含量小于150×10-6，完全符合內(nèi)燃機技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
圖4 伴生天然氣流程
6 運行分析
2015 年6月，第一臺機組順利投產(chǎn)。磨合期機組平
均發(fā)電功率400kW，用氣量100m3/h。磨合期后發(fā)電機平
均功率450kW，用氣量100m3/h。機組運行4000h后，平
均發(fā)電功率維持在460kW，用氣量平均92m3/h。
發(fā)電機排煙溫度560℃經(jīng)余熱鍋爐后排煙溫度降到
100℃，余熱鍋爐回收熱量約400kW。余熱鍋爐供水溫
度86℃，回水溫度80℃，流量60m3/h。冬季工藝回水
溫度80℃，缸套水余熱溫度70℃，無法直接利用。只
用于提供站區(qū)辦公用房供熱，面積約2000m2，用熱量
200kW 左右。某油田聯(lián)合站伴生天然氣分布式能源系統(tǒng)
除油器 除水器 脫硫裝置 除水器
伴生氣去加熱爐
去發(fā)電機
總熱效率約76%。
機組運行期間，廠房內(nèi)噪音104dB，廠房外噪音小
于60dB。聯(lián)合站廠界噪音沒有明顯增加，白天維持在
55dB以下。證明項目采取的降噪措施達(dá)到了設(shè)計效果。
項目通過1a 的運行也發(fā)現(xiàn)了一些問題需要后期重
點關(guān)注。一是伴生天然氣品質(zhì)問題。雖然，在設(shè)計中考
慮了伴生天然氣的成分復(fù)雜條件，也采取了相應(yīng)的措施。
在運行中還是發(fā)現(xiàn)低溫?zé)煔鈱煿艿母g非常嚴(yán)重。為
了突出項目的節(jié)能效果，煙氣余熱回收是必要的。根據(jù)
工藝用熱溫度可以將煙氣溫度降低到80~100℃，相應(yīng)
的煙道需采取必要的防腐措施；二是發(fā)電機組和加熱爐
協(xié)調(diào)工作問題。加熱爐是站內(nèi)原有運行方式受原有控制
系統(tǒng)的限制，無法連續(xù)準(zhǔn)確變負(fù)荷運行。新系統(tǒng)建成后，
新舊系統(tǒng)由不同的班組負(fù)責(zé)運行。協(xié)調(diào)主要靠值班電話，
無法實現(xiàn)快速協(xié)調(diào)控制。運行期間經(jīng)常出現(xiàn)兩套系統(tǒng)“爭
氣”的現(xiàn)象，供水溫度偏離正常值，春季曾經(jīng)出現(xiàn)鍋爐
出口溫度大于100℃現(xiàn)象。冬季伴生天然氣產(chǎn)量低，用
氣設(shè)備的不平穩(wěn)運行，會增加工藝系統(tǒng)的擾動，不利于
聯(lián)合站的安全生產(chǎn)控制。提高加熱爐的控制精度，實現(xiàn)
加熱爐和發(fā)電機組統(tǒng)一協(xié)調(diào)運行可以大幅提高系統(tǒng)的穩(wěn)
定性；三是熱網(wǎng)水平衡分配問題。冬季加熱爐和發(fā)電機
并聯(lián)運行，熱負(fù)荷和流量分配偏差造成供水溫度偏離控
制值。需采取措施按照供熱負(fù)荷分配流量。
7 結(jié)語與建議
伴生天然氣分布式能源技術(shù)是實現(xiàn)能源的梯級利用
的節(jié)能技術(shù)，是油氣行業(yè)節(jié)能減排的有效手段。用于油
田技術(shù)環(huán)節(jié)伴生天然氣回收綜合利用，節(jié)能和減排效果
顯著。同時，解除了伴生天然氣排放的安全隱患。
某油田聯(lián)合站伴生天然氣分布式能源一期項目運行
后，年發(fā)電300 萬kWh，供熱年節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤1200t，減
少排放二氧化碳排放3000t，二氧化硫排放75t。
某油田聯(lián)合站伴生天然氣分布式能源項目順利投
產(chǎn)，實現(xiàn)了油田伴生天然氣的直接高效利用。減少了污
染物排放，提高了能源的利用效率，改善了聯(lián)合站的安
全環(huán)境。由于項目投產(chǎn)后產(chǎn)生了大量的電力替代外來電
力供應(yīng)，油田生產(chǎn)能耗顯著降低。隨著項目在油田推廣
應(yīng)用，大量的發(fā)電不僅可以降低整個油田的生產(chǎn)成本還
可以增加就業(yè)，提高油田員工的人工效率。
綜上所述，建議各油田單位把天然氣分布式能源技
術(shù)作為回收利用伴生天然氣的主要方式推廣應(yīng)用。建立、
健全協(xié)調(diào)配合機制，將天然氣分布式能源技術(shù)融入原油
處理工藝系統(tǒng)中去。實現(xiàn)節(jié)能、減排、降本、增效、提
示勞動生產(chǎn)率等多種效益。

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