杜祥忠，杨连殿

中国石化石油工程设计有限公司，山东东营 257000

0 引言

石油石化行业作为重要的能源供给行业，在生产化石能源的同时，复杂的生产工艺具有大量的用能需求，不可避免地产生了大量温室气体［1-3］。油田联合站是原油集输处理系统的重要核心，站内设备繁多，运行流程复杂［4-6］。在联合站运行过程中，需要对采出原油进行集中处理和输送，各种泵及其他相关设备需要消耗大量的电能；此外，为确保原油在集输过程具有较好的流动性，必须维持一定的温度，通常由加热炉燃烧化石燃料对原油进行加热［7-8］。由于各种能源的消耗，导致原油在实际生产运行过程中产生了大量的碳排放［9-12］。

目前，大部分国家基于联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布的《2006 年IPCC 清单编制指南》开展相关的温室气体排放量计算［13-14］。所编制的排放量计算方法能够满足行业整体的需求［15-16］，但针对不同的分析对象，需要进一步结合行业能耗及碳排放特点构建具体的碳排放分析模型［17-19］。因此，部分学者在此指南的基础上，进一步建立了燃煤电厂［20］、污水厂［21］、铅冶炼企业［22］等的碳排放分析模型。

胜利油田作为中国重要的石油工业基地，年产原油规模达到3.1×108t，生产过程所消耗的电量和天然气分别达40×108kW·h 和5.4×108m3［23］，同时产生了大量的碳排放。为了加强油田的环境保护和可持续发展，优化联合站用能结构并减少原油生产过程中的碳排放是当前的重要任务。因此，分析油田联合站的能耗及碳排放构成，对于推动油田生产行业的节能减排具有重要意义［24-26］。

本文根据联合站实际运行情况，确定了各环节碳排放源，并结合《石油天然气开采企业二氧化碳排放计算方法》（SY/T 7297—2016），提出了联合站碳排放计算模型，以简化计算过程并提高计算准确性。通过对联合站碳排放情况的分析，针对性地提出了节能减排措施，有效降低联合站的整体碳排放。为使计算结果统一，将碳排放量统一为CO2排放量。

1 联合站工艺流程

联合站作为油田生产的关键环节，在原油集输、存储及初加工中发挥重要作用。首先，将来自采油井的原油、伴生天然气及其他产品进行集中处理，然后，进行初步加工和油气水的分离，最后，将原油经长输管道输至原油首站、炼化厂、油库等地，并将分离出的天然气送至输气站等。为建立油田内联合站的能耗及碳排放计算模型，以胜利油田某联合站作为研究对象，对该联合站进行了能耗及碳排放特性分析。该联合站具体生产工艺流程主要包括油水气三相分离、原油稳定、原油加热和原油外输等环节。

在该联合站内，从井口、输油站等地的来液进入站内的三相分离器进行油、气、水的分离，分离出的天然气进入天然气分离器，最终进入天然气系统；经三相分离器分离出的原油，进入原油稳定系统，并进行沉降处理；随后经提升泵输送至加热炉进行加热，加热后的原油进入到净化油罐净化处理，得到含水量1%的合格原油，最后通过外输泵外输，整体工艺流程如图1 所示。

图1 联合站工艺流程示意

2 联合站CO2 排放边界及影响因素

2.1 联合站碳排放生命周期评价

在碳排放源的识别方面，“碳足迹”的概念被广泛应用，其主要是指企业、个人的产品或活动在整个生命周期内产生温室气体的集合，以二氧化碳当量（CO2e）作为衡量标准。利用企业的生产或活动的全生命周期碳足迹评估将有助于碳排放的核算。国内外的学者借助生命周期评价（LCA）方法对发电［27］、热工［28-29］、建筑［30-31］等行业进行分析，得到生产过程中的主要的碳排放源，并针对性地提出低碳措施。LCA 作为分析投入、产出的工具，主要被分为4 个阶段，如图2 所示。

图2 LCA 阶段框架

基于LCA 方法，本文通过筛选联合站运营生命周期过程，确定联合站的碳排放边界范围，进而实现联合站碳排放源的识别及监测。在此基础上进一步建立原油处理生命周期碳排放模型，以明晰原油处理过程的“碳足迹”。

2.2 原油处理各环节碳排放分析

在碳排放分析过程中，将原油处理的生命周期分为上游、联合站及下游3 个部分。其中上游包含了原油的开采及输送至联合站过程，联合站部分包含了分离、净化、外输等步骤，下游包含了原油的加工使用和最终的废弃处理环节。原油的开采、装储、加工利用及运输等各个环节会直接或间接造成CO2等温室气体的排放，如图3 所示。

图3 原油生命周期碳排放示意

通过对原油处理生命周期的上游、联合站及下游3 部分进行碳排放源头排查与筛选分析，确定了各环节的主要碳排放源，并以此作为建立原油生命周期碳排放量计算模型的主要参考，如表1 所示。

表1 各部分主要碳排放源

2.3 联合站CO2 排放边界及影响因素

本次研究主要针对联合站生产环节产生的碳排放开展，在进行碳排放计算时，暂不考虑上游及下游的排放。在进行碳排放计算分析时，将联合站生产过程中燃烧产生的直接CO2排放、用电产生的间接CO2排放和原油的逸散排放均纳入到油田联合站CO2排放边界内。

联合站环节产生的碳排放主要包括燃料燃烧产生的直接碳排放，外购电力产生的间接碳排放以及原油生产过程中因原油分离、设备泄漏、气体逸散等造成的碳排放。在进行碳排放计算分析时，影响油田联合站碳排放的因素主要包括能耗类型和设备效能等。例如，不同种类的燃烧燃烧，其碳排放能力不同且生产过程中各设备的能效情况同样会对联合站整体的碳排放造成一定影响。对此，需要结合油田联合站的实际生产过程，对各生产环节的碳排放情况开展进一步分析。

3 联合站碳排放计算

3.1 联合站碳排放源分析

为明确联合站碳排放特性，提高碳减排方法的可靠性，根据原油碳排放的LCA，获得了联合站环节内碳排放源，结果如表2 所示。

表2 联合站碳排放源分析

为此，可列出联合站的碳排放计算模型：

式中：Es——联合站原油生产全过程碳排放量，tCO2e；Ers——加热炉燃料燃烧产生的碳排放量，tCO2e；Epe——联合站用电产生的碳排放量，tCO2e；Eloss——联合站生产过程各类损失产生的碳排放量，tCO2e。

3.2 直接碳排放计算

为保证原油的正常分离、净化，联合站内原油需要通过加热、加压等步骤。在该联合站内，热能的获取主要通过天然气的直接燃烧。天然气直接燃烧所导致的碳排放量采用物料平衡算法进行计算：

式中：i——燃料品种；FiQ——燃烧燃料品种i的用量，t；CiR——燃料品种i的碳转化率，%；——燃烧品种i的含碳量，%。

3.3 间接碳排放计算

在联合站内，除了燃料燃烧产生的直接碳排放外，购入电力和热能均会间接产生碳排放。本联合站热能通过加热炉燃烧天然气为联合站提供热能需求，因此本次计算不考虑外购热能产生的间接碳排放。该站内无自备电厂，提升泵、外输泵等电机运行所需的电能均通过电网购买获得，在外购电力的同时，间接造成了碳排放。目前，国内电网分为6个区域电网。随着各区域电网间的互联程度不断加深，对于单个终端用户来说，无法保证使用电力仅来源于本地或本省的电厂。为此，在计算碳排放量时，采用全国统一的电网平均碳排放因子。故外购电所造成的碳排放量计算公式如下：

式中：AD——企业净购入的电力消费，MW·h；EF——电力供应的碳排放因子，tCO2/（MW·h）。

3.4 原油损失碳排放计算

在联合站运行过程中，除用能消耗引起的碳排放外，油气的分离、逸散和设备泄漏等均会造成碳排放。因此，在进行联合站碳排放分析计算时，需要综合考虑各方面的碳排放因素。现阶段，由于实际生产环节中气体的分离、逸散、挥发等难以实现实时的数据监测，同时气体中组分也会随时发生变化，导致碳排放分析难度较大，并且各环节损耗量也会造成计算误差的增加，降低碳排放计算的准确性。基于此，考虑到分离、逸散过程产生的温室气体主要为CH4，本文在计算过程中将损耗量近似为CH4排放，并根据IPCC 第五次评价报告中提出的100 年内CH4的全球变暖潜势（GWP）是CO2的28倍，将产生的CH4折算为CO2进行计算分析，最终计算得到相对应的二氧化碳排放量。

式中：Moil——联合站原油输入量，t；β——联合站原油平均损耗，%。

3.5 联合站碳排放计算

在该联合站内，为保证原油的温度和保障冬季的生活供热，联合站内采用燃气炉作为热力来源。据统计，该站年消耗天然气为129.72×104m³，根据公式（2），可以计算联合站内外输环节燃气炉的年碳排放量为2 776.74 tCO2e。

在联合站内的净化、外输环节，为保证原油压力，采用提升泵给原油外输增压，年耗电782.27×104kW·h。根据公式（3），排放因子采用最新全国电网平均排放因子0.570 3 tCO2/（MW·h），则可计算加压环节提升泵的碳排放量为4 461.29 tCO2e。

在储存、装卸以及原油处理过程中，油气逸散、原油泄漏等问题均会造成碳排放的增加。在该站内，日均进油约2 800 t，原油损耗率约0.061 5%，根据公式（4），计算可得该联合站因原油损耗所造成的碳排放量为17 598.84 tCO2e。

根据公式（1），计算得到联合站的年度运行总碳排放量为24 836.87 tCO2e。其中，热耗、电耗和原油损耗产生的CO2排放量分别占11.18%、17.96%和70.86%，如图4 所示。

图4 联合站各能源消耗碳排放占比

可以看出，在联合站运行过程中，电能消耗所造成的间接碳排放占比达17.96%。在联合站多年的优化提升中，将电能作为站内的主要能源，这也使得电能消耗所造成的碳排放量较多。此外，在计算联合站实际生产工艺中的碳排放过程时，由原油损失造成的碳排放占比达到70.86%，碳排放量大，如忽视该部分碳排放，计算结果相较实际情况会偏小。

4 联合站碳减排技术探讨

4.1 优化简化处理工艺

在考虑联合站碳减排过程中，针对原油处理流程进行优化，如图5 所示，能够有效减少联合站生产过程的能源消耗。为此，针对联合站内的原油处理工艺系统进行系统能流分析，在确保联合站功能的基础上，寻找流程优化的可行性。

图5 工艺流程优化示意

通过对联合站内的原油处理工艺系统分析，整合该联合站内的分离、沉降过程，选用“快速破乳＋高效分离器”技术，加快前端高效分水。其中：快速破乳技术是通过快速破乳剂，迅速破坏乳状液的稳定性，使油滴迅速聚集，并使其迅速分离为油相和水相，从而提高油水分离效率；采用高效分离器进一步提升对采出原油的脱水能力，降低原油中的含水率。在优化工艺流程的同时，减少了天然气消耗1 344 m3/d，电机功率消耗降低12 kW，全年碳排放量减少1 115.61 tCO2e，占碳排放量的4.49%。

4.2 新能源发电

新能源发电具有清洁、低碳等多种优势，是一种环境友好型的能源利用形式，也是现阶段清洁能源技术的着重发展对象。将新能源发电技术应用于联合站实际生产运行过程中，能够有效减少外购电，明显降低联合站的整体碳排放。

在优化联合站内的工艺流程后，减少了分离器及大罐的数量，空闲区域可布置面积约19 430 m2的分布式光伏电站，共计可安装光伏组件2 160 kW，年发电量283.74×104kW·h，减少年度运行碳排放量1618.17 tCO2e，占碳排放量的6.52%。

4.3 生态碳汇

森林中的植物通过光合作用吸收大气中的CO2并将其转化为有机物，固定在植被或土壤中。作为陆地生态系统的重要组成部分，森林在参与碳循环、维持全球生态平衡、保护生态安全、预防生态危机发生等方面有着举足轻重的作用。目前，森林是陆地上最大的储碳库，根据山东省林业局布数据进行估算，每平方米森林固定CO2量约为15 kg。

联合站建设选址通常选择在远离居民区的位置，周围有大片荒地。为充分利用该建设条件，在联合站周围可利用土地进行植树造林，提升生态碳汇能力，进而间接降低联合站的碳排放。

随着经济发展和环境保护之间矛盾的日益增长，扩大森林覆盖面积是实现节能降耗，减少碳排放的重要措施。相较于其他减排方式，森林碳汇所需要的成本较低。除了栽种树木所需的成本支出外，其他支出费用较低，同时，林产品所得的经济收益，能够进一步减少建设过程中的部分成本。

5 结论

本文以胜利油田某联合站为研究背景，对联合站内不同设备和生产过程的碳排放情况开展研究分析，在原油集中处理过程中定位了燃料燃烧、外购电能以及原油损耗三大碳排放源。针对不同碳排放源，采用碳排放因子法和物料平衡算法，建立了碳排放计算模型，计算了联合站内的碳排放情况。主要结论如下：

1）联合站年度运行过程产生的CO2排放量为24 836.87 tCO2e，其中，因热耗、电耗和原油损耗产生的CO2排放量分别占总排放量的11.18%、17.96%和70.86%。

2）结合实际生产工艺流程提出了针对性优化方法，并集成分布式光伏电站实现了良好的碳减排效果。计算结果表明，优化生产工艺和集成光伏发电分别能够减少4.49% 和6.52% 的碳排放。同时，通过利用生态碳汇的方式，充分利用站外资源与环境，利用树木进行固碳，能够进一步提高联合站良好的碳减排效果，并获得较好的环境与经济效益。