节能技术在油气能源利用方面的应用.pdf

节能技术在油气能源利用方面的应用 * 冯建国1王树立1李辉2李平3王甘雨4蒋伟1赵煜1 1． 江苏省油气储运技术重点实验室， 江苏 常州 213016; 2. 苏州苏净保护气氛有限公司， 江苏 苏州 215122; 3. 中国石化管道储运公司， 江苏 徐州 221008; 4. 常州工程职业技术学院， 江苏 常州 213164 摘要 介绍几种节能、 减排、 降耗的方法， 主要适用炼油厂、 大中型加油站、 输油管线、 输气管线等场所。在高效节能利用 过程中， 油气能源主要采用油气回收和泄漏检测两种方式实现。油气回收常采用分离法， 吸收法， 活性炭吸附法和膜吸 收法; 长输油气管道泄漏检测常用检漏电缆法， 压力点分析法和负压波法。油气回收和泄漏检测技术的应用， 能够提高 油气能源利用效率。在油气资源利用方面， 采用回收和检测技术达到节能减排、 保护环境和资源可持续利用的目的。 关键词 节能; 环保; 节能技术; 油气回收; 泄漏检测 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201402035 THE APPLICATION OF ENEＲGY- SAVING TECHNOLOGIES IN THE USE OF OIL AND GAS ENEＲGY Feng Jianguo1Wang Shuli1Li Hui2Li Ping3Wang Ganyu4Jiang Wei1Zhao Yu1 1. Key Laboratory of Jiangsu Province Oil and Gas Storage and Transportation Technology，Changzhou 213016，China; 2. Suzhou Sujing Protective Atmosphere Co． ，Ltd，Suzhou 215122，China; 3. Sinopec Pipeline Storage ＆ Transportation Company，Xuzhou 221008，China; 4. Changzhou Institute of Engineering Technology，Changzhou 213164，China AbstractEnergy saving，emission reduction and reducing consumption s are presented． The s are mainly applied to the refineries，gas stations，oil pipelines and gas pipelines． In the process of oil and gas energy- efficient use，oil and gas recovery and leak detection technology can be used．Separation ，absorption ，activated carbon adsorption and membrane absorption are often used for oil and gas recovery;Long- distance pipeline leak detection contains leak detection cable，pressure points analysis and pressure wave s． The oil and gas recovery and long- distance pipeline leak detection technology can improve the efficiency of oil and gas energy use．The energy conservation， environmental protection and the sustainable use of resources in the oil and gas resources can be realized by the recovery and detection technologies． Keywordsenergy conservation;environmental protection;energy- saving technologies;oil ＆ gas recovery;leak detection * 江苏省教育厅基金项目 “普通高校研究生科研创新计划 CXZZ12_ 073 ” ; 常州科技局国际合作项目 “燃气管网泄漏在线监测关键技术研 究 CZ20110020 ” 。 收稿日期 2013 －04 －22 0引言 据美国能源情报署 EIA 发布 2011 年国际能源展 望 的内容 到2035 年末， 油气能源仍将占世界能源的 38， 世界能源使用量将增长为 2012 年的 1.73 倍。虽 然可再生能源预计在未来25 年将在一次能源中增长最 快， 但油气能源仍将占能源总量的主导地位 ［ 1 ］。 随着中国经济的发展， 石油天然气能源消耗不断 增加， 因此给环境带来的影响日趋严重。在可持续发 展背景下， 中国积极提倡使用节能环保的理念［2- 4 ］。 与此同时， 国家的发展与能源消耗密不可分， 目前中 国的很多大中型城市使用的主要能源是石油和天然 气， 在能源利用过程中存在利用率低、 能源浪费严重 等现象， 给资源和环境带来严重威胁。如在长距离管 道输送中油气的泄漏， 泄漏的油品被排放到大气中。 到目前为止， 国外有 50 的石油企业引进环保措施。 然而在中国 90以上的炼油厂、 大中型加油站、 油罐 841 环境工程 Environmental Engineering 槽车、 储油库等储运场所没有安装油气回收装置， 大 量的油气被排放到空气中， 挥发的气体不仅不能有效 地被利用而且造成环境破坏和能源的浪费［5- 6 ］。不仅 如此， 因石油和天然气输送的管道存在人为破坏、 机 械损伤、 年久失修等原因， 油气管道泄漏事故时有发 生， 泄漏的油气大部分扩散到大气中， 不仅造成环境 污染、 碳排量增多、 还威胁到人民的健康。 因此， 完成油气能源在利用过程中节能减排的任 务要在技术和管理上创新， 早日跨进节能降耗大国的 行列。如何以最低的环境代价、 最少的碳排放量为基 础来确保中国未来油气能源安全、 有效地可持续利 用， 已成为中国在经济发展过程中所面临的重大研究 课题。为实现减排目标， 在中国的油气能源利用方面 主要采用油气回收和泄漏检测技术。 1油气回收技术在节能中的应用 石油天然气从地下开采起， 经过炼制、 销售到终 端用户， 损耗贯穿上、 中、 下游整个过程。油气从原油 开采到石油产品使用整个过程中， 都存在不同程度的 油品损耗［7 ］。根据全世界共同提倡“节约资源， 保卫 地球的口号” 。在可持续发展的战略背景下， 为减少 能源的相对使用量、 提高能源的利用效率、 降低不必 要的能源损耗， 中国在油气能源利用方面制定出节能 降低排放量的具体措施。从提高利用效率、 降低人为 损耗、 提高油气回收效率等方面提高油气的使用效 率。主要从油气分离回收技术， 吸收法回收技术， 吸 附法回收技术， 膜分离法等几方面技术加以介绍 1. 1分离回收技术 油气在储存、 收发、 销售等过程中， 蒸发排放的油 气浓度作为一次污染物不仅对环境产生直接危害， 而 且浪费能源、 增加碳排量、 造成严重的经济损失， 使油 品质量降低、 影响到油品的正常使用。因此， 油气使 用过程中的各环节迫切需要使用油气回收装置［8 ］。 一般情况下油气回收装置的油气进口温度 即 装置运行处理温度 为 4 ～28 ℃， 油气质量回收率不 宜小于 90， 油气进口体积收率为 0 ～ 40， 平均 为 25。油气回收装置的效率主要取决于所处理的 油气浓度和组分， 典型的油气回收效率可高达 95 以上 ［8 ］。油气回收处理原理如图 1 所示。 该原理具有工艺简单、 投入设备成本低、 实用性 强等特点， 适用于大中型油库的油气回收。 1. 2吸收法回收技术 吸收分离法是一种重要的混合物分离方法。混 图 1油气回收处理原理 Fig．1Principles of oil and gas recovery 合油气与适当的液体接触， 混合油气中的一个或几个 成分溶解于该液体内形成溶液， 不能溶解的成分则保 留在气相中， 于是原混合油气的成分得到分离。 中国石化某公司成功投入使用的油气回收工业 试验装置主要是利用吸收法回收铁路装车挥发的油 气。其工艺流程如图 2 所示。 图 2吸收法工艺流程 Fig．2Process flow diagram of the absorption 吸收工艺原理 油罐车 2 密闭装车过程中空气的 混合气体和挥发出的油气经集气管收集后进入吸收 塔 3， 主要部分油气被从塔顶喷淋下的吸收剂所吸 收， 含少量油气的尾气从塔顶排放到大气中。吸收油 气的富吸收剂将进入真空解吸罐 5 解吸， 再生后的贫 吸收剂用泵 4 送到塔顶循环使用。解吸罐 5 中的油 气被真空泵 7 送至油气回收塔 9 中， 被塔顶喷淋下的 贫油气吸收， 未被吸收的少量油气由塔顶再进入溶剂 吸收塔被循环吸收。吸收油气的富油气从塔底经泵 10 直接装车。 该套回收设备优点是油气回收效率高， 设备可靠 性强， 缺点为工艺复杂， 设备维护不方便。该设备适 用大型炼油厂、 油田、 油库等便于铁路装卸作业的运 输场所。使用此套新型吸收油气回收装置对油气装 卸作业， 设备可以回收 90 以上的油气， 降低油气外 溢使油气口周围环境中大气净化率为 95 以上， 很 941 清洁生产与节能减排 Cleaner Production，Energy- Saving ＆ Emission Ｒeduction 好改善装卸作业环境， 节约能源保护环境。 1. 3活性炭吸附法 因加油站和油库的回收与油气排放比较特殊， 具 体表现为 第一、 油气罐装排放的随机性大， 冬夏季浓 度变化范围大; 第二、 对安全环保要求高。因此， 在此 地方采用活性炭吸附法较为普遍。活性炭吸附 法 ［9- 10 ］回收装置流程如图 3 所示。 图 3活性炭吸附法油气回收装置流程 Fig．3The flow chart of gas and oil recovery device by activated carbon adsorption 该新型油气回收装置在北京某石油分公司的油 库使用一年。使用油气回收装置后， 大大减低油库发 油平台周围的油气浓度， 提高经济效益， 改善工作环 境。节约油气资源保护了大气环境。 1. 4膜分离法 膜分离的原理是利用混合气体中各组分在压力 的推动下透过膜的传递速率各不相同， 从而达到分离 目的 ［11 ］。对不同材料的膜， 气体通过膜的传递扩散 方式不同， 而分离机理各异。目前使用技术比较成熟 的分离膜绝大多数是固体膜。 综上所述， 在节能降耗的背景下， 中石油、 中石 化、 中海油三大石油公司都在积极研究油气回收率 高、 稳定性强、 科技含量高的油气回收装置应对未来 的市场需要。 2泄漏检测技术在节能中的应用 由于输送石油天然气管道不可避免的老化、 腐蚀 及人为损坏等原因， 管道泄漏频频发生， 所产生的经 济损失和环境污染也十分严重， 在可持续发展的背景 下， 国家积极提出节能低碳环保的运营模式， 管道泄 漏检测技术对节能减排的意义十分重大。 目前， 国内常采用油气管道泄漏在线检测为间接 检测法。间接检测方法指根据管道泄漏引起的各种 参数如管道流量、 压力及声光电信号的变化进行检 测 ［12 ］。主要分为检漏电缆法［13 ］、 压力点分析 PPA 检测法 ［14 ］、 负压波法等［15- 16 ］。 2. 1检漏电缆法 城市燃气检漏是将具有渗透性强、 油溶性大的特 殊电缆沿着燃气管道平行铺设， 一旦燃气管道发生泄 漏， 泄漏气体将渗入到电缆里， 导致电缆的属性发生 微弱的改变。通过检测电缆传输的变化完成对城市 燃气管网泄漏检测工作。此检测法定位灵敏度及定 位精确度极高， 但成本较高， 电缆一旦覆盖较多的泄 漏物就必须更换［17- 18 ］。 另一种检漏电缆方法是依据材料能透油气但不 能透水的属性制成同轴电缆， 沿管线平行铺设， 从电 缆一端发射脉冲信号， 当信号遇到被油浸透电缆处时 会反射脉冲信号， 通过接收反射脉冲信号， 结合系统 算法确定油气管道泄漏点准确位置。此方法优点不 需要在管道沿线配设地面检漏仪器， 配备经验丰富的 巡查人员， 就能准确而快速地检测到管道的微小泄漏 并确定泄漏点位置。此种检测方法缺点为投入成本 高， 定位精度差。 2. 2压力点分析 PPA 检测法 压力点分析法是通过压力波原理产生一种新的 泄漏检测方法， 与其他方法相比有很多优点 ［19 ］。 PPA 法是在大量研究油气管道发生泄漏前后动量和 能量平衡特性的基础上提出。压力点分析法通常是 在干线或站场某个位置安装一个压力传感器， 当有泄 漏发生时泄漏点产生的压力波形向检测点方向传播， 引起此点流量或压力变化， 经过比较检测点数值与正 常情况数据可发现泄漏。根据压力波到达检测点时 间及压力波传播速度确定漏点定位［20 ］。由于 PPA 分析法是伴随泄漏必然出现的物理特性， 因此 PPA 法具有很好的实用性。 2. 3负压波检漏技术 负压波检漏技术是目前各国优先发展的实用性 检漏技术 ［21 ］。该技术依靠检测负压波为依据。当管 道某处有泄漏情况发生， 在泄漏点处会有物质损失并 且造成泄漏点局部密度减小使压力值降低。由于油 气管道中流体不可瞬间发生流速变化， 会在泄漏点与 其任一端流体处产生压力差。该压差数值会使液流 自上而下流至泄漏点附近的低压区域。该流体会挤 占因泄漏而引起压力及密度减小的区域， 在上下游之 间及附件泄漏区域将会产生新的压差现象。同时， 产 051 环境工程 Environmental Engineering 生的新压差使流体向泄漏点流动。此种泄漏的结果 是使低压波离去泄漏点沿管道方向上下传播， 该低压 波称为 “负压力波” ［22- 23 ］。在现役油气管线中负压波 法应用最广。 综上可知， 在油气能源利用方面， 油气管道泄漏 检测技术的广泛应用， 将能够为中国实现节能、 降耗、 减排的目标服务。 3结语 油气能源在利用过程中损耗浪费问题长期存在。 近年来， 世界各国对环境污染问题越来越关注， 中国 为保护环境节约油气资源制定出可持续发展战略。 针对油品挥发、 蒸发、 泄漏等问题存在， 中国采取开发 新技术、 使用新设备和引进高技术人才等具体措施为 节能减排服务。中国正处于经济发展黄金时期， 能源 消耗量大， 降低排放任务艰巨。在发展和减排之间存 在矛盾， 为解决矛盾， 中国在油气资源利用方面推进 技术研发进度。为更好节约能源、 资源和保护环境， 新型油气回收和管道泄漏检测技术应运而生。 参考文献 ［1］中国石油和石化工程研究会． 未来 25 年化石燃料仍占能源总 量的主导地位［ N］ ． 中国石化报， 2011 －11 －11 15 ． ［2］孙粤文． 建设低碳城市路径研究基于常州建设低碳城市的分 析［J］． 常州大学学报， 2011， 12 2 59- 64． ［3］国家发展改革委． 国家发展改革委关于在广东省、 广西自治区 开展天然气价格形成机制改革试点的通知［J］ ． 化学工业， 2012， 30 1/2 61- 64． ［4］李劢． 低碳经济可持续发展战略探究［J］ ． 应用科学， 2010 20 110- 112． ［5］刘勇峰， 吴明， 吕露． 油气回收技术发展现状及趋势［J］． 现代 化工， 2011， 31 3 21- 26． ［6］孟振振， 吴锋棒， 张卫华． 加油站油气回收在线监测系统［J］． 化工自动化及仪表， 2011 11 1511- 1516． ［7］黄维秋， 王丹莉， 李峰， 等． 油气回收技术的研究进展与研究重 点［J］． 油气储运， 2011， 31 9 641- 647． ［8］黄维秋． 油气回收基础理论及其应用［ M］ ． 北京 中国石化出 版社， 2011 125- 279． ［9］黄维秋， 沈泳涛， 吕艳丽， 等． 基于泡沫金属的活性炭吸附油气 实验［J］． 石油学报， 2011， 26 6 973- 979． ［ 10］黄维秋， 白娟， 沈泳涛， 等． 活性炭一疏水硅胶复合吸附剂吸附 油气［J］． 石油学报， 2011， 39 4 39- 46． ［ 11］黄维秋， 吕艳丽， 饶原刚． 油气回收吸附剂的再生方法［J］． 石 油学报， 2010， 26 3 486- 492． ［ 12］Ｒeddy H Prashanth． Chaudhry M Hanif，Mohapatra Pranab K． Modelling of periodic flows in pipelines by transfer function ［J］． Journal of Hydraulic Ｒesearch， 2010， 48 2 255- 259． ［ 13］Blasi Martn Di，Muravchik Carlos． Leak detection in a pipeline using modified line volume balanceand sequential probability tests ［J］． Journal of Pressure Vessel Technology， 2009，131 2 217011- 217015． ［ 14］Ferrante Marco， Brunone Bruno，Meniconi Silvia． Leak detection in branched pipe systems coupling wavelet analysis and a Lagrangian model［ J］ ． Journal of Water Supply， 2009， 58 2 95- 106． ［ 15］Shiekh T M．Leak detection s in transmission pipelines ［J］． Energy Sources， 2010， 32 8 715- 726． ［ 16］Li Yuxing，Wang Wuchang，Fu Juntao． Experimental study on leak detection and location for gas pipeline based on acoustic ［J］． Journal of Loss Prevention in the Process Industries， 2012， 25 1 96- 102． ［ 17］白云川． 燃气管道泄漏检测与定位技术［J］． 城市建设理论研 究， 2012 12 4- 8． ［ 18］王秀芳， 王岩， 岳茂兴， 等． 天然气管道泄漏检测中的知识发现 ［J］． 计算机技术与发展， 2012， 22 4 138- 145． ［ 19］Wang Shuli，Lian Mingming，Zhou Shidong，et al． Ｒesearch and outlook on leak detection technology of natural gas pipeline ［C］． ICPTT 2012， 2012 1 557- 567． ［ 20］张艳珊． 基于模型法的气体管道泄漏检测及定位技术研究 ［D］． 北京 北京化工大学， 2009． ［ 21］张智． 负压波检漏技术在输气管线中的应用［J］． 石油化工自 动化， 2012， 48 2 70- 73． ［ 22］Lian Mingming， WangShuli， ZhouShidong， etal．The semipermeable technology on natural gas pipeline leak detection ［C］． ICPTT 2012， 2012 1 625- 633． ［ 23］Zhang Laibin． A wave change analysis WCA for pipeline leak detection using Gaussian mixture model ［J］． Journal of Loss Prevention in the Process Industries， 2012， 25 1 60- 69． 第一作者 冯建国 1986 － ， 男， 硕士， 主要从事天然气水合物、 管道泄 漏检测工作。fengjianguo2012126． com 通讯作者 王树立 1957 － ， 男， 教授， 主要从事天然气水合物、 管道泄 漏检测工作。 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 wsl cczu． edu． cn 上接第 138 页 ［ 11］肖杨， 毛显强， 马根慧， 等． 基于 ADMS 和线性规划的区域大气 环境容量测算［ J］ ． 环境科学研究， 2008， 21 3 13- 16． ［ 12］王栋成， 王勃， 王磊， 等． 复杂地形大气扩散模式在环境影响评 价中的应用［J］ ． 环境工程， 2010， 28 6 89- 93． ［ 13］伯鑫， 丁峰， 徐鹤， 等． 大气扩散 CALPUFF 模型技术综述［J］． 环境监测管理与技术， 2009 3 9- 13． 第一作者、 通讯作者 张海娟 1980 － ， 女， 硕士， 主要从事环境咨询相 关工作。zhanghj31126． com 151 清洁生产与节能减排 Cleaner Production，Energy- Saving ＆ Emission Ｒeduction