榆林地区油田伴生气分布式发电相关研究_刘恒.pdf

榆林地区油田伴生气分布式发电相关研究*刘 恒,贾 嵘,梁 岩(西安理工大学电气工程学院,陕西 西安7 1 0 0 5 4)摘 要:通过调研与统计榆林地区油田伴生气的产气能力与气体含量,对小型伴生气燃气发电机进行选型,设计一套针对榆林地区的油田伴生气智能环保分布式发电设计方案,实现自给自足,减少公共电网电能使用量,节约电费开支,并带来部分收益。此外,设计一套集成监控平台方案,构建集成监控“云服务”平台,实现在机房对机组进行管理维护的远距离监控。关键词:伴生气;智能环保;集成监控;管理维护中图分类号:TM 6 1 9 D O I:1 0.1 9 7 6 8/j.c n k i.d g j s.2 0 2 3.0 2.0 0 6R e s e a r c ho nD i s t r i b u t e dG e n e r a t i o no fA s s o c i a t e dG a s i nY u l i nA r e a*L I U H e n g,J I AR o n g,L I AN GY a n(S c h o o l o fE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g,X i a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,X i a n7 1 0 0 5 4,C h i n a)A b s t r a c t:T h r o u g ht h e i n v e s t i g a t i o na n ds t a t i s t i c so n t h eg a sp r o d u c t i o nc a p a c i t ya n dg a s c o n t e n t o f o i l f i e l da s s o c i a t e dg a si nY u l i na r e a,t h e s m a l l a s s o c i a t e dg a s g e n e r a t o r i s s e l e c t i o n.T h ed e s i g ns c h e m e o f i n t e l l i g e n t a n de n v i r o n m e n t a l l y f r i e n d l yd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o no fo i l f i e l da s s o c i a t e dg a s i nY u l i na r e a i sd e s i g n e d,w h i c ha c h i e v e ss e l f-s u f f i c i e n c y,r e d u c e s t h eu s eo f e l e c t r i c e n e r g y i n t h ep u b l i c p o w e r g r i d,s a v e s e l e c t r i c i t y c o s t s,a n db r i n g s s o m eb e n e f i t s.I na d d i t i o n,a s e t o f i n t e g r a t e dm o n i t o r i n gp l a t f o r ms c h e m e i sd e s i g n e d,a n da n i n t e g r a t e dm o n i t o r i n g c l o u ds e r v i c e p l a t f o r mi sb u i l t t o r e a l i z e l o n g-d i s-t a n c em o n i t o r i n go f t h em a n a g e m e n t a n dm a i n t e n a n c eo f t h eu n i t i nt h ec o m p u t e r r o o m.K e yw o r d s:a s s o c i a t e dg a s;i n t e l l i g e n t e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n;i n t e g r a t e dm o n i t o r i n g;m a n a g e m e n t a n dm a i n t e n a n c e基金项目:榆林市科技局榆林市2 0 1 9年科技计划项目(编号2 0 1 9-1 4 7)收稿日期:2 0 2 2-0 5-0 70引言油田伴生气是一种蕴含可燃成分的气体,能够当成天然气使用,因此利用天然气分布式能源技术综合利用油田伴生气是一种有益的尝试1。在油田的生产过程中伴有天然气的采出,这些天然气若放空则会白白释放2。考虑到国家战略的要求,油田伴生气不失为一个有效的替代能源,如果能将其大规模利用,不仅可以缓解当地供电压力,而且可以形成自发自用的孤岛油田站运行模式,降低不可再生能源的消耗,节能减排,保护环境。1油田伴生气利用现状及相关调研1.1油田伴生气综合利用现状油田伴生气作为一种高效能源近年来受到广泛关注,各国相继开展伴生气回收工程,向多能源有效利用转型。我国从“十二五”开始鼓励发展天然气分布式能源,包括技术、装备和试点应用项目等1。“十四五”规划以来,因地制宜推广天然气分布式能源成为新的发展趋势。2 0 2 1年,榆林地区生产原煤5.5亿吨、原油1 0 9 4.7万吨、天然气2 1 4.2亿立方米,发电1 4 4 8.1亿千瓦时;转化煤炭1.4亿吨,加工原油4 0 5.8万吨,消耗天然气4 6.2亿立方米;向外供应集输煤炭4.1亿吨、油6 8 8.9万吨、天然气1 6 8亿立方米、电7 2 3亿千瓦时。2 0 2 1年,榆林地区煤制油、甲醇、聚氯乙烯分别为8 0、2 6 8、1 4 2万吨,分别占全国的9%、5%、5%。延长志丹金辉海子塔伴生气站已经实现油田伴生气一站式收集、处理、加工,将伴生气加工成混烃和L N G,部分干气用于发电,实现自发自用,降低能耗,每年可回收伴生气5 0 0万立方米,减少二氧化碳排放9 8 0 0吨。近来,在国家“双碳”目标要求下,陕西地区坚持“节能减排、低碳延长”发展之路,积极推进油田伴生气回收利用。目前,国外的研究已经精细到提升伴生气的回收效率、提高伴生气中各类烷烃的分离回收效率以及降低工艺能耗,这些研究的深入优化值得国内从业人员学习借鉴3。国内的研究稍显迟缓,当前可着眼于从传统伴生气回收技术向数字化转型发展,实现机器替代工作,提高回收利用率和产业经济效益,加快节能减排步伐,向多区域联合调度、多能互补的方向发展。1.2存在的问题(1)伴生气开采需要稳定的气源,榆林区域用户可采71新能源系统与设备 电工技术 取多气源、环路供气方案,利用多源供气系统来提高不同气源对该地区供气的灵活性、效率和可靠性。(2)榆林地区伴生气资源总量很大,但其利用率有待提高,需要对伴生气生产的全过程进行研究和优化,综合考虑生产实际,因地制宜采取各种技术革新措施,争取提高伴生气的回收率4。(3)由于当前油田位置差异,各区域伴生气采集也较为分散,发展水平不高,因此需要统一的部门进行整合管理调度,提高回收利用效率,加快数字化转型,提高榆林地区发电量,缓解供电压力,为“西电东送”工程提供一定的帮助。(4)榆林地区发电机组设备和系统相对老旧,需要采用先进的发电机组来提高效率,减少不良气体的排放。济柴海外销售公司即将交付给尼日尔油田开发项目的国产最大功率燃气发电机组,是利用伴生气发电自发自用的,这是一种新的突破。(5)气价过高,用户基数就会大幅度下降,而气价过低,收益则会减少甚至为负。特别是在当前形势下,各行业都应制定一个合理的天然气价格,以实现买卖双方利益的最大化。1.3油田伴生气的回收伴生气的组成成分繁多,有二氧化碳、硫化物质以及各种烃类物质,若排放进空气,会造成周边空气污染,甚至引起爆炸。这些气体进入高空,会破坏大气层,造成难以弥补的伤害。为此,对开采原油期间产生的大量油田伴生气进行回收至关重要。伴生气回收基本工艺过程均为原油稳定-原料气的预分离-原料气压缩-脱水-冷剂制冷-产品分馏5。某伴生气回收处理装置和处理方法如图1所示。伴生气中含有H2S,回收装置中含有导热油和丙烷等物料,在回收过程中存在火灾、爆 炸 以 及H2S中 毒 的 风 险,因此需要制定相关政策,配备一定的救生设施,以保证伴生气顺利开采。图1伴生气回收处理装置和方法常用的定压式套管气回收装置结构如图2、图3所示6。1.4相关调研结果经调研,当前该地区若能进行大面积回收混烃、分离混烃、稳定轻烃等工作,则会取得可观的经济效益,加快能源转型,但还存在伴生气总量大、利用率低等问题。新 图2普通定压式套管气回收装置结构 图3防冻定压式套管气回收装置结构时期内,国家能源结构调整战略的实施和推进将加快燃气的应用普及速率,再加上其组分呈现规律性,这给油田伴生气更多的利用市场空间,进一步夯实了油田伴生气后期监管责任。2分布式伴生气发电系统方案设计伴生气分布式能源的关键在于正确的设计原则。同时受伴生气产量和用热量的限制,即在冷热负荷为主的情况下,项目需采取“以热定电”的策略,按照站内用热量确定伴生气在发电机组和加热炉的分配比例,未来或可形成自发自用的孤岛分布式运行模式,实现自给自足,多余电力并网运行,提高发电效率。设备的选择需要考虑其负荷率和对燃料的适用性。油田伴生气由于轻烃含量较高,成分复杂,各组分燃烧特性各不相同,因此难以满足内燃机缸内稳定燃烧的要求。为了解决上述问题,应尽量减少不稳定燃烧对发电机的影响,将伴生气进行预处理,分离轻烃,再将处理后的伴生气用于发电机发电,或者选用对复杂成分不敏感的发电设备,保证可靠稳定的伴生气燃烧。2.1设计方法小型燃气发电设备可以有效利用少量伴生气7。针对油田溢出的“压力不稳、成分复杂”的废气进行发电,利用分布式、流动式伴生气发电机组,将油田排空的伴生气变废为宝发电,供给油田使用。项目对环保可以减少大气污染、对油田企业可以降本增效、对当地百姓可以产业扶贫。小型分布式油田伴生气发电机组在燃气动力、燃气安全、并网发电控制等方面进行创新,具有技术成熟、操作方便、设备运行稳定、维护成本低、使用寿命长等特点,具体表现为以下几点。(1)在燃气动力方面,装置具有负压输气功能,免去燃气增压系统,能直接适应油田伴生气源苛刻的输出特性,同时输出功率能跟随井口伴生气源彻底利用产生的功率,简化小型伴生气动力设备的结构。(2)在燃气安全方面,结构简单的装置大幅度简化了燃气安全系统,免去了结构复杂的燃气安全防爆设施,降低了燃气安全成本,燃气安全效果一步到位,保证了燃气81电工技术 新能源系统与设备 绝对不会泄漏。(3)在发电并网方面,装置符合分布式电源接入电网的技术规定,并网系统结构简化,造价成本大幅度降低。(4)在智能远程控制方面,装置利用G P R S技术对柴油发电机组实现远程控制管理,在机房对机组进行管理维护,降低人工运维成本。基于强大的云平台智能发电管理系统,用手机或P C电脑远程监测发电机组的运行数据。2.2相关技术说明机组安装流程为:生产加工油田专用天然气发动机-生产发电机组-组装成小型分布式伴生气转换装置发电机-井场安装-油井伴生气气管进入发动机-发电机组发电-并网柜记录指挥数据-接网电供电。当油区区域电网发电机组出现故障时,电网自动给抽油机动力供电,保证抽油机作业正常,不影响抽油生产;当并网发电机组正常后,并网发电自动取代电网,实现抽油动力源的无缝切换。在安全问题上,需要预留消防通道;对厂房进行降噪处理,保障附近居民生活;为控制燃料含硫量,在原伴生气处理工艺后增加脱硫和脱水流程,如图4所示1。图4伴生气脱硫和脱水流程2.3轻烃回收轻烃回收作为化工产品的经济价值要远高于作为燃料。为处理油田下游汇集的具有一定规模的伴生气,通常若干区块范围内会共建一座轻烃回收厂,以分离出具有较高经济价值的C3+重组分。从油田伴生气中回收轻烃的方法有多种,效果较好的如吸收法(冷油吸收)、低温(冷凝)法、吸附法等8。2.4分布式伴生气发电项目意义分布式发电的设计解决了油田环保和节能问题,减少了采油厂对应电费的投入,实现了产业增收,形成油田新生态循环。从市场角度构建和谐油田开发秩序,助力油田企业节能减排、降本增效、化解油地矛盾,推动伴生气等废气开发研究行业进一步发展,争取社会和经济效益最大化。3油田伴生气数字化转型根据“十四五”数字化规划,伴生气需要数字化转型,促进能源优化改革,满足多元用能需求。数字化服务政府和行业治理需要数字班组的精益运维和务实的模式变革。3.1“空地”协同综合检测采用远程智能巡视,机器代替人工,运营人员再对其复核的方式。设置空中鹰眼来消除巡视盲区,同时兼顾室内与室外,增加巡检保障,实现综合在线监测与辅助预警决策一体化。加快智慧运维转型升级,打造以远程智能巡视机器人、无人机,在线监测装置等系统为主体的智慧运检体系。配置数台能够自主完成规划航线任务的无人机负责对高空设备巡视。对各类设备开展专项巡视,解决高空设备巡视存在盲区的问题。安排几位取证的兼职飞手,负责相应业务工作和无人机的日常管理。挂轨式智能巡检机器人与远程智能巡视系统、自主巡检无人机共同构建伴生气“空-天-地”立体、室内外协同自动巡视体系,降低运维人员巡视工作量,加快推动数字化班组的建设,实现数字化转型。某室内机器人协同巡视监控系统案例如图5所示,运维人员在室内即可进行实时监控、操作,大幅度降低现地工作量。图5室内机器人协同巡视3.2数字转型在实现数字化转型的同时,还要注重数字技术为生产现场带来的时效性,通过实时采集、存储、分析设备运行数据信息,进一步提高设备缺陷研判速度与精度,提升运维工作质效,服务精益运维,例如可采用图6的图像识别技术进行设备缺陷识别。图6图像识别技术自主识别设备缺陷需加强与高新技术企业、设计院等单位的密切沟通,主导数字化项目实施和落地应用,总结、提炼、归纳,从中汲取经验。着力打造高素质人才队伍,成立核心科创团队,吸收人才,统筹规划,也可积极组织、参加创新性比赛,争取通过有关部门的验收。3.3模式变革当前,榆林地区油田伴生气的各类巡检系统尚不足以支撑“空地一体、室内外协同”的立体智能巡视体系,巡视智能化程度有待提高,识别准确率有待提升,维护工作量有待降低;现有的在线监测系统多为建站早期投运的老系统,数据可靠性有待提升,监测覆盖面有待扩充,系统91新能源系统与设备 电工技术 融合性有待加强。数字化转型工作还面临诸多挑战。综上所述,为积极争取上级支持,需加快数字化提档升级项目实施。首先,加快建设远程智能巡检系统,引入人工智能算法平台,提升运行可靠性和图像识别准确率,并增设前端设备,实现例行巡视机器替代;优化无人机航线规划,新建智能化无人机巢;积极探索应用绕组类设备声纹监测识别、套管红外故障诊断等先进技术手段。其次,新建综合在线监测系统,整合现有在线监测数据,采用更先进的技术手段,提升系统监测数据精度、可靠性和智能化水平,纳入更多可供在线监测的设备运行数据,全面掌握特高压重点设备的健康状况,辅助运维人员提高设备缺陷故障的预警决策能力。开展班组环境调整、通道常巡无人化、精确巡检立体化、应急处理网格化,促进质效提升。在技术上,实现日常运维业务流程和巡检数据的线上流转;在业务上,大幅度节约人工成本;在管理上,提高质效的同时推动班组人力资源和运维资源的优化配置。4结语油田伴生气的高效回收利用不仅能减少污染物的排放,提高能源利用效率,而且可以解决伴生气随意排放的安全性问题。通过有效地利用资源增强效益,稳步推进全产业链效率提升,加大产业布局,建设更具竞争力的伴生气资源综合利用平台。此外,应更多地遵循伴生气资源的梯级利用原则,避免造成优质能源的低级利用,进一步提高干气发电、供热燃烧等方式的能源利用效率8。随着数字化转型的开展,伴生气回收及发电逐渐向基于人工智能的集中监测发展,构建监控“云服务”平台,在后端即可完成多协议数据采集、处理和存储,实现远程实时控制管理的目标。参考文献1 王立庆.油田伴生气分布式能源技术应用与分析J.节能,2 0 1 8,3 7(6):1 9-2 2.2 杜津兴.应用天然气发电机组合理利用油田伴生气J.中国科技纵横,2 0 1 7(1 0):1 7 2.3 牟桂娟,吕军,徐洪义.油田伴生气综合利用现状及发展趋势J.石化技术,2 0 1 9,2 6(4):2 4 0.4 张伟娜,徐二华,张兵.边远地区油田伴生气利用现状及发展趋势J.内蒙古石油化工,2 0 1 1,3 7(1 9):3-4.5 陈璐,曹翔.油田伴生气回收工艺过程危险性分析及对策研究J.石化技术,2 0 2 0,2 7(1):9 0.6 曲虎.油田伴生气回收利用技术研究J.现代化工,2 0 1 5,3 5(8):1 4 7-1 5 0,1 5 2.7 张龙,张海滨,张海旭.小型燃气发电设备在海上油田伴生气回收利用中 的应 用 与 经 济 性 分 析 J.中 外 能 源,2 0 1 6,2 1(1 0):8 8-9 3.8 崔翔宇,刘亚峰,代静,等.我国油田伴生气回收与利用技术状况分析J.石油石化节能与减排,2 0 1 3,3(5):3 1-3 5.(上接第1 6页)入状态,确保车辆能够满足充电需求,使车辆处于网格选取范围内,便于对最优求解过程进行划分。接着,需要对初始矩阵进行构建,使电动汽车充电负荷处于稳定状态,做好初始种群的划分工作,提高初始状态控制的有效性,确保在初始状态下实现求解。最后,需要注重遗传算法的运用,采用交叉变异的求解形式,合理对交叉概率机进行设置,使矩阵交叉元素能够得到有效交换,确保网格的总数能够保持不变,保障求解过程能够顺利进行,保证最优求解能够有序实现,提高充电负荷的有序控制效果。2.5有序控制仿真通过有序控制仿真,可以对控制算法进行检验,判断有序控制的实现效果,提高充电安排的合理性。有序控制过程中应用到了遗传算法,能够实现最优解的求解,使求解过程能够顺利实现,同时得到适合的充电控制方案,确保充电控制过程的有序展开。充电控制具有一定的难度,在有序控制仿真的作用下,能够降低求解的难度,动态对求解结果进行验证,从而采用稳定性较高的充电结果控制方案,保证充电任务能够顺利完成。有序控制仿真过程中,需要对充电时间进行设定,确保充电过程能够在准确的时刻完成,使充电控制策略具有可行性,保证充电过程能够平稳度过,提高充电控制过程的精准性,使有序仿真结果能够充分发挥作用。3结语综上所述,电动汽车需要做好充电负荷预测工作,采用规范化的预测形式,提高预测方法的合理性,保障电动汽车能够正常工作。采用有序控制方式,使电动汽车具有良好的工作状态和完善的优化模型,保证其控制算法能够得到精进,从而提高控制方法的有效性。参考文献1 李扬.电动汽车充电需求预测及优化控制策略研究D.北京:华北电力大学,2 0 2 1.2 李景丽,杨旭晨,张琳娟,等.规模化电动汽车有序充电分层控制策略研究J.电测与仪表,2 0 2 1,5 8(5):1 6 8-1 7 5.3 王睿.电动汽车充电负荷预测方法及有序充电策略研究D.北京:北京邮电大学,2 0 2 0.4 陈星.电动汽车充电负荷预测及有序充电控制策略研究D.郑州:郑州大学,2 0 2 0.5 何正.基于负荷预测的光伏电动汽车充电站功率分配控制策略D.大连:大连理工大学,2 0 2 0.02电工技术 新能源系统与设备