引言高含水重质原油乳化程度较高，脱水难度大，低温下脱水难以达标。为了合理利用能源和资源、降低成本，多采用两段脱水工艺，加热预分水后的低含水原油，同时利用破乳剂进行化学破乳[1]。许多学者在集输系统节能潜力和节能措施方面已经开展了很多研究[2-3]。提高预分水效果是重要的节能措施之一[1]。郭长会[4]等研究发现，存在最优预分水设备规格（停留时间），预分水设备容积增大、停留时间延长则分出原油含水降低，但是设备散热量增加。学者们在原油脱水方面也开展了大量的节能研究。影响原油脱水能耗的因素主要包括来液特性、脱水工艺、脱水设备、脱水药剂和工艺参数等[5-6]。郭长会[7-8]等分析了温度、药剂和时间对原油沉降脱水的作用。相关研究初步建立了原油热化学脱水工艺参数优化数学模型[9-11]。换热是重要的热能回收利用措施。换热器在油气储运中的应用越来越多[12-14]。研究人员对原油、采出水换热结垢等现象对换热的影响和清洗处理方法开展了大量研究，已经形成了比较成熟的技术措施[15-17]。目前还缺少进行原油热化学两段脱水能耗分析的数学模型，未能对利用换热器进行高温原油、高温采出水热能回收的节能降耗作用进行准确、系统地分析。文中建立原油热化学两段脱水能耗数学模型和计算方法，对脱水能耗展开系统分析。1热化学两段脱水能耗数学模型随着能源回收技术的发展，换热技术应用越来越广泛[12-17]，利用换热器可以回收高温原油和采出水的热能，优化后的原油热化学两段脱水工艺流程如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.008.F001图1优化后的原油热化学两段脱水工艺流程利用原油换热器，脱水后的高温原油将热能换热给低温原油，温度降至外输需要温度；利用采出水换热器，原油脱水工艺脱除的高温采出水换热给低温原油，降温后进入采出水处理系统。脱水工艺运行成本主要是加热器的热能消耗和药剂消耗。换热节能前，脱水加热需要热量N为：N=(Co+Cwωt100-ωt)Qo(Tt-Ti+∆T) (1)式中：N——原油脱水加热负荷，kW；Co——原油的比热容，kJ/(kg·℃)；Cw——水的比热容，kJ/(kg·℃)；ωt——油气水分离后原油含水率，%；Qo——原油产量，kg/s；Tt——脱水温度，℃；Ti——来液温度，℃；∆T——油气水分离中含水原油温度降低，℃。不考虑脱水设备散热损失情况下，采出水换热回收热量Nw为：Nw=Cw(ωt100-ωt-ωs100-ωs)Qo(Tt-Ti+∆T-∆t) (2)式中：Nw——采出水换热回收的热量，kW；ωs——外输原油含水率，%；∆t——换热后采出水温度与油气水分离后含水原油温度的差值(Ti-∆T)，℃。不考虑脱水设备散热损失情况下，原油换热回收热量No为：No=(Co+Cwωs100-ωs)Qo(Tt-Ts) (3)式中：No——脱水原油换热回收的热量，kW；Ts——原油外输温度，℃。脱水设备散热损失Ns为：Ns=kS(Tt-Th) (4)式中：Ns——脱水工艺流程散热量，kW；k——脱水工艺设备外表面传热系数，kW/(m2·℃)；S——脱水工艺设备散热面积，m2；Th——环境温度，℃。换热节能后，脱水加热所需热量N'为：N'=(Co+Cwωs100-ωs)Qo(Ts-Ti)+(Co+Cwωs100-ωs)Qo∆T+Cw(ωt100-ωt-ωs100-ωsQo)∆t+kS(Tt-Th) (5)式(5)第一项为原油外输需要的有效热负荷；第二项为油气水分离散热量的一部分，使油气水分离设备分出含水原油由于散热产生的温度降低，体现在外输原油的散热损失；第三项是采出水换热损失，受到采出水换热设备效率[14]和油气水分离效率（分出水量）影响；第四项为脱水工艺散热量。换热节能后，与油气水分离相关的能量损失Nq为：Nq=(Co+Cwωs100-ωs)Qo∆T+Cw(ωt100-ωt-ωs100-ωsQo)∆t (6)式中：Nq——油气水分离设备能量损失，kW。与采用换热工艺前相比，油气水分离设备散热对能耗的影响减小，散热量是设备散热量的一部分；分出采出水含量对能耗的影响也与脱水温升成比例关系，变成与高温采出水换热设备效率有关。但是，油气水设备规格尺寸增加，散热量增加，但是分出采出水量增加，换热损失减小，存在能量损失最小的最优设备规格尺寸。原油脱水散热面积受到设备规格尺寸的影响，脱水温度可以根据脱水时间、脱水温度、脱水药剂浓度的等效关系计算[7]。Tt=(a-t)/b (7)式中：t——原油达到含水指标的脱水时间，h；a——与油品性质有关的系数，h；b——与脱水药剂浓度有关的系数，h/℃。含水原油体积流量Qw为：Qw=ωQo(100-ω)ρw+Qoρo (8)式中：Qw——含水原油体积流量，m3/s；ρo——原油密度，kg/m3；ρw——采出水密度，kg/m3。含水原油停留时间t对应的油相容积V为：V=t+∫03 600tdt (9)式中：V——含水原油占用的设备容积，m3。为了简化计算，将沉降曲线近似为直线，利用进出设备的携水量平均值代替积分计算原油中的水量，这时容积为：V=3 600Qoρot+(ωt100-ωt+ωs100-ωs)3 600Qo2ρwt (10)计算体积流量Q为：Q=Qo3 600ρo+(ωt100-ωt+ωs100-ωs)Qo7 200ρw (11)式中：Q——计算体积流量，m3/h。那么，脱水时间t为：t=V/Q (12)立式沉降罐[18]容积V为：V=π4D2H (13)式中：D——脱水设备直径，m；H——脱水设备高度，m。根据设备的规格尺寸，可以计算用于散热量计算的外表面积。立式沉降罐散热面积为[19]：S=πDH+14πD2+1.0484πD2 (14)立式沉降罐脱水工艺散热量Ns为：Ns=-1.048Kr+KdbHQV2-2KbπHbQV32+1.048Kr+Kda-bThbHV+2Kba-bThπHbV12 (15)式中：Kr——沉降罐顶传热系数，kW/(m2·℃)；Kd——沉降罐底传热系数，kW/(m2·℃)；Kb——沉降罐壁传热系数，kW/(m2·℃)。脱水散热主要受原油脱水特性（脱水时间、脱水温度、脱水药剂浓度的等效关系）、液量和脱水设备容积的影响。不考虑沉降罐高度等的影响，立式沉降罐散热是容积的一元多次函数，最高次数为2，具有一元二次函数的部分特点，存在能量损失最大的容积，高温快速脱水或降低脱水温度、增加脱水设备容积（延长脱水时间）均能够降低脱水散热损失。此外，油气水分离后原油所含采出水是脱水工艺液量的一部分，对脱水散热存在一定的影响。2研究方法与内容2.1研究方法油水分离特性采用室内瓶试进行试验。取100 mL含水原油置于比色管中，放入恒温水浴中，恒温静置，记录不同时间出水量，分析其含水变化情况获得原油沉降曲线[4]。脱水温度与时间的关系采用室内瓶试进行试验分析。取100 mL含水原油倒入100 mL具塞比色管中，加入破乳剂，在试验温度下恒温15 min后，左右手各摇100次，置于恒温水浴中，恒温静置，记录不同时间的出水量。分析脱水温度与脱水时间的等效关系[7-8]。2.2研究内容以某油田油品性质和分离特性为依据，进行油气水分离（预分水）工艺优化和热能损失计算。利用脱水温度与时间的等效关系和脱水工艺散热量计算方法，进行脱水工艺优化及散热损失计算。通过利用换热器前后热负荷计算，分析换热器在原油热化学两段脱水工艺中的节能效果。3工艺优化与节能效果分析3.1油品特性与工艺条件某油田原油相对密度0.96、黏度1 215 mPa·s，50 ℃的原油沉降曲线如图2所示。不同加药量下原油脱水时间-温度等效关系如表1所示[7]。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.008.F002图250 ℃的原油沉降曲线10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.008.T001表1不同加药量下原油脱水时间-温度等效关系加药量/(mg/L)时间-温度等效关系50t=64.67-0.52T100t=63.97-0.56T200t=63.98-0.59T注：t为脱水时间，h；T为脱水温度，℃。为了进行工艺计算和优化，假设原油产量2 000 t/d，含水90%，来液温度50 ℃，环境平均温度10 ℃，罐壁传热系数3.0 W/(m2·℃)，罐顶传热系数0.5 W/(m2·℃)，罐底传热系数0.1 W/(m2·℃)[20]，采出水换热温差按照2 ℃计算[14]。3.2油气水分离工艺优化采用2~4台内直径4 m的三相分离器（筒体长度不同）进行油气水分离。采出水停留时间按照20 min考虑，根据来液沉降曲线可以计算含水原油的停留时间、分出原油含水和含水原油散热面积。利用散热面积和外输含水可以计算设备散热量，利用含水原油的含水量和外输含水可以计算换热污水量和污水换热损失，如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.008.F003图3热能损失与含水原油停留时间的关系由图3可知，增加设备数量或规格尺寸，含水原油停留时间增加，设备表面积增大，散热量增加；同时，原油含水降低，分出采出水量增加，脱水后换热污水量减少，采出水换热损失降低，存在总热量损失最低停留时间，为2 h，分出原油含水41.7%。3.3脱水工艺优化经三相分离器分离后，原油含水降至41.7%，加热后利用沉降罐进行热化学脱水。在不同沉降罐容积条件下，可以根据时间-温度等效关系计算脱水温度。利用脱水温度和沉降罐表面积等参数计算脱水工艺散热损失，沉降罐容积与脱水温度和散热损失的关系如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.008.F004图4沉降罐容积与脱水温度和散热损失的关系由图4可知，存在散热量最高的沉降罐容积，在这一脱水时间和温度条件下，脱水工艺散热量最多。采用高温快速脱水可以降低散热；增加设备规格尺寸，采用大容积、较低温度脱水也能减少散热损失。当来液含水增加时，含水原油体积增加，最高散热量和对应沉降罐容积均有一定幅度的增加。在来液含水变化不大时，可以忽略其对脱水影响，这样可以将热化学两段脱水工艺优化，简化分成相对独立的油气水分离优化和脱水工艺优化两部分。3.4节能效果分析假设原油外输温度为55 ℃，油气水分离后原油含水41.7%，外输原油含水2%，破乳剂浓度200 mg/L，采用换热工艺前后，不同沉降罐容积的脱水加热负荷如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.008.F005图5不同沉降罐容积的脱水加热负荷由图5可知，如不采用换热工艺，脱水加热负荷随脱水设备容积减小、脱水温度升高而成比例升高；采用换热工艺后，脱水加热负荷存在最大值，并且变化幅度降低。采用换热工艺可以充分利用脱水后高温原油和采出水的热能，降低加热负荷，减少热能消耗，尤其在采用高温快速脱水工艺中节能效果更为显著，高温(95 ℃)脱水节能可达90%，在较低温度(61 ℃)下脱水节能仍然达到57%。4结语原油热化学两段脱水工艺优化可以简化为相对独立的油气水分离优化和脱水工艺优化。采用换热工艺后，油气水分离设备散热损失低于无换热工艺时的散热损失，存在总热量损失最低的规格尺寸。脱水设备存在散热量最高的容积，高温快速脱水或降低脱水温度、增加脱水设备容积均能降低脱水散热损失。换热工艺可以显著降低脱水加热负荷和脱水能耗。