油田加热炉生产碳排放影响因素分析.pdf
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1、第 43卷第 2期(2024-02)油气田地面工程 https:/“双碳”技术油田加热炉生产碳排放影响因素分析张建昌1王立涛1张嘉安1张妮1于丹1赵盼婷1刘鹤皋21中国石油长庆油田分公司第三输油处2东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室摘要:加热炉是油田生产能耗与碳排放的主要设备之一,其生产过程中的碳排放是油田企业碳排放核算不可忽视的部分,直接影响油田的整体经济效益和社会效益。基于物料衡算法及 中国石油天然气生产企业温室气体排放核算方法与报告指南,建立油田加热炉碳排放核算模型;根据油田加热炉生产碳排放监测数据,基于加热炉效率定性及定量分析了负荷率、排烟温度、热效率、过剩空气系数、环表温差、
2、炉膛内压等因素对加热炉生产碳排放的影响;通过分析加热炉生产过程中的生产要求、燃料性质、加热炉效率,发现加热炉效率是影响加热炉生产碳排放的关键可操作因素。对油田加热炉生产碳排放影响因素进行分析,可为油田生产碳核查与碳评价提供参考依据,助力“绿色油田”的建设。关键词:碳排放核算;加热炉效率;相关性分析;双碳Analysis of Factors Affecting Carbon Emissions in Oilfield Heating Furnace ProductionZHANG Jianchang1,WANG Litao1,ZHANG Jiaan1,ZHANG Ni1,YU Dan1,ZHA
3、O Panting1,LIU Hegao21No.3 Oil Transportation Department of Changqing Oilfield Co.,CNPC2Key Laboratory of EOR of the Ministry of Education,Northeast Petroleum UniversityAbstract:A heating furnace is one of the main equipment for energy consumption and carbon emis-sions in oilfield production.The car
4、bon emissions during its production process are an indispensable partof the carbon emission accounting of oilfield enterprises,directly affecting the overall economic and so-cial benefits of the oilfield.A carbon emission accounting model for oilfield heating furnaces is estab-lished based on the ma
5、terial balance algorithm and theAccounting Methods and Reporting Guidelinesfor Greenhouse Gas Emissions of Chinese Petroleum and Natural Gas Production Enterprises.Based onthe monitoring data of carbon emissions from oilfield heating furnace production,the effects of loadrate,exhaust gas temperature
6、,thermal efficiency,excess air coefficient,environment and surfacetemperature difference,and furnace internal pressure on carbon emissions from heating furnace produc-tion are qualitatively and quantitatively analyzed based on heating furnace efficiency.The impacts of pro-duction requirements,fuel p
7、roperties,and furnace efficiency on carbon emissions during the produc-tion process of heating furnaces are analyzed.Among them,heating furnace efficiency is a key opera-tional factor that affects carbon emissions in heating furnace production.The analysis of factors affectingcarbon emissions from o
8、ilfield heating furnace production provides a reference basis for carbon verifica-tion and evaluation in oilfield production,and assists in the construction of green oilfields.Keywords:carbon emissions verification;heating furnace efficiency;correlation analysis;double car-bon2020 年,我国提出“将提高国家自主贡献力度
9、,采取更加有利的政策与措施,二氧化碳排放力争于 2030 年前达到峰值,努力争取 2060 年前实现碳中和”。面对经济结构的挑战,有计划、分步骤实现“双碳”目标,须重点控制化石能源生产与消费。DOI:10.3969/j.issn.1006-6896.2024.02.00633“双碳”技术张建昌等:油田加热炉生产碳排放影响因素分析油气田地面工程 https:/加热炉是油田生产中的主要耗能设备之一,其能耗占比高达 70%,高能耗导致了高碳排放量。在加热炉生产效率方面,国内外学者进行了大量研究,2018年 MENG D、SHAO C 提出一种改进 TOP-SIS 能源效率评价方法,量化了裂解炉能源效
10、率与运行条件和生产负荷之间的关系1;2020 年史士峰建立了加热炉能效影响因素分析模型并实验验证了模型的可行性,助力了油田生产加热炉选型与改造2;2021 年王荣欢分析了加热炉的能效影响因素并建立了多指标能效评价体系,为油田节能降耗提供理论依据3。随着“双碳”目标的提出,越来越多的学者投入到碳排放的核算与研究中。2020 年刘业业对 20002017 年石油炼制行业碳排放特征及影响因素进行了定性及定量分析,揭示了石化行业碳减排存在的问题4;2022 年成庆林等建立了三甘醇脱水系统的能耗优化模型,并进行了碳排放核算,该系统优化后碳排放降低约 3.6%,降低了单位经营生产成本5。但在加热炉生产碳排
11、放方面,仍缺少具体研究。本文以油田加热炉为研究对象,基于物料衡算法及 中国石油天然气生产企业温室气体排放核算方法与报告指南 建立油田加热炉碳排放核算模型;根据油田加热炉生产碳排放监测数据,分析加热炉生产碳排放影响因素,以期助力“双碳”目标的实现。1模型建立1.1物料衡算法物料衡算法是指运用各种能源、燃料的投入量乘以各自的碳排放系数再进行加和获得二氧化碳排量的方法6。物料衡算法作为国际认可的方法,具有数据易于收集的优势,常用于国家和区域的二氧化碳排放测算7。物料衡算法的基本原理是质量守恒定律。对于任何一个生产过程,原料的消耗量等于物料损失量与产品量之和。物料衡算法对生产活动整个过程或者是某一个阶
12、段都适用。加热炉是油田生产系统中提供热能的重要生产设备,它可将燃料在炉膛内燃烧时产生的高温火焰与烟气作为热源直接或者间接传递给原油、水等介质8,是重要的能量转换装置。基于物料衡算法9,加热介质进炉前的内能Em1为带入能,加热介质出炉后的内能Em2为带出能,加热炉内部与外部内能损失El为损失能,燃料燃烧提供能Ef为供给能,油田加热炉生产示意图见图 1。图 1油田加热炉生产示意图Fig.1 Production diagram of oilfield heating furnace基于物料衡算法,加热介质带出能与带入能的差值即为有效利用能(实际负荷),有效利用能与燃料燃烧供给能的比值为正平衡法加热
13、炉效率,公式为z=Em2-Em1Ef(1)式中:z为正平衡热效率,%;Em1为加热介质进炉前带入能,kJ;Em2为加热介质出炉后带出能,kJ;Ef为燃料燃烧供给能,kJ。1.2数学模型根据 ISO14064-1、GHG Protocol将温室气体排放源划分为三个“范围”:直接温室气体排放、间接温室气体排放、其他间接温室气体排放。而 中国石油天然气生产企业温室气体排放核算方法与报告指南 将温室气体排放源分为燃料燃烧源排放、火炬燃烧源排放、工艺放空源排放、逃逸源排放、净购入电力和净购入热力隐含源二氧化碳排放、回收利用量。加热炉的生产热能消耗主要用于提高外输介质温度、降低介质输送黏度,加热炉中燃料燃
14、烧为介质提供热能,加热炉是主要的燃料燃烧源排放节点。燃料燃烧源碳排放核算方法为:El=ADrl CC OF 4412(2)式中:El为燃料燃烧源碳排放量,tCO2;ADrl为燃料消耗量,t 或 Nm3;CC为燃料的平均碳含量,tCO2/t 或 tCO2/万 Nm3;OF为燃料的碳氧化率,液体燃料的碳氧化率可取缺省值 0.98,气体燃料的碳氧化率可取缺省值 0.99,固体燃料的碳氧化率可根据不同燃料查找取值。燃料的消耗量与燃料的种类决定着加热炉生产的碳排放。一般情况下,加热炉的效率越高,燃料消耗量越小,生产碳排放量也越小10。但是,燃料消耗量、碳排放量和提高加热炉的效率之间并不存在线性关系,故控
15、制加热炉生产使之处于最佳工作点,达到效率最高、燃料消耗量最小、碳排放最小是至关重要的。34第 43卷第 2期(2024-02)油气田地面工程 https:/“双碳”技术假定在加热炉平稳运行时,燃料性质不变。加热炉生产碳排放模型的建立,首先计算加热炉供给能,具体计算公式为:Ql=Ql,rl=QADl(3)式中:Ql为加热炉供给能,kJ;l为加热炉生产效率,%;Ql,r为加热炉生产实际负荷,kJ;Q为燃料基低位发热量,kJ/kg;ADl为加热炉燃料消耗量,kg。其中加热炉生产实际负荷计算公式为:Ql,r=Em2-Em1=DlC()tout-tin(4)式中:Dl为被加热介质的流量,m3;为被加热介
16、质的密度,kg/m3;tout为被加热介质在加热炉出口温度,;tin为被加热介质在加热炉入口 温度,;C为被加热介质比热容,kJ/(kg)。整理可得加热炉生产燃料消耗量:ADl=DlC()tout-tinlQ(5)将加热炉生产燃料消耗量带燃料燃烧源碳排放核算公式整理得到加热炉生产碳排放核算模型:El=44CClOFlDlC(tout-tin)12 000lQ(6)2影响因素分析根据加热炉生产碳排放核算模型可知,加热炉生产碳排放与生产要求、燃料性质、加热炉效率等因素有关。生产要求方面主要包含了所需加热介质流量、加热介质温差;燃料性质方面主要包含了燃料的碳氧化率、含碳量和热值。在工程实际中,加热炉
17、效率的高低往往作为加热炉生产运行情况的评判指标,广义上加热炉的能效高低是由其热效率来体现的,但在狭义上受多种因素影响,包含过剩空气系数、排烟温度、炉膛内压、负荷率、环表温差等。由于生产要求一般不可改变,燃料性质也取决于燃料种类,因此,对于加热炉生产碳排放影响因素分析而言,加热炉效率是重要分析指标。因此,以油田加热炉为研究对象,选取过剩空气系数、排烟温度、炉膛内压、负荷率、环表温差为因素,进行加热炉生产碳排放影响因素探究11。2.1加热炉碳排放监测以油田某燃油加热炉为例,其设计热效率为89%,燃 料 油 热 值 为 44 000 kJ/kg,碳 氧 化 率 为0.98,平均含碳量为 0.846
18、72 tCO2/t。加热介质为原油,原 油 比 热 容 为 2.09 kJ/(kg ),密 度 为840 kg/m3。根据 SY/T 63812016 石油工业用加热炉热工测定 对加热炉生产过程中的实际碳排放进行为期一个月的监测,监测数据见表 1。2.2曲线分析加热炉生产运行过程中,实际供给燃料燃烧的空气量与理论空气量的比值即为过剩空气系数12。过剩空气系数过大表示向炉内供入的空气过多,使炉膛温度降低,对燃烧不利,多余的冷空气被加热,由烟囱排走,从而引起排烟热损失增加;过小则不能保证燃料的完全燃烧,增加燃料为完全燃烧热损失,所以选取合理的过剩空气系数需要同时考虑q2、q4。过剩空气系数变化导致
19、加热炉效率、燃料消耗量、碳排放量变化曲线见图 2。随着过剩空气系数的增加,加热炉的效率先增加后降低,燃料消耗量先降低后增加,加热炉生产碳排放量先降低后增加。根据燃油加热炉节能监测项目与指标中的过剩空气系数限定值要求,过剩空气系数在 1.11.8 区间内时加热炉的热效率最高,达到生产要求的燃料消耗量最小,产生的燃料燃烧碳排放量最少。当过剩空气系数过大时,说明进入加热炉内的空气量高于燃料燃烧所需的空气配比,大量冷空气涌入炉膛使炉膛温度降低,影响燃料燃烧效率,炉膛内能量转化效率降低。同时,过剩的空气从烟囱排出时,必定会带走一定的热量,增加了排烟热损失。当过剩空气系数过小时,涌入的空气不足以使炉膛内燃
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