毛青霞

中國石化中原油田分公司技術(shù)監(jiān)測中心 （河南 濮陽 457001）

氣田用天然氣壓縮機(jī)節(jié)能監(jiān)測評價方法的研究與應(yīng)用

毛青霞

中國石化中原油田分公司技術(shù)監(jiān)測中心 （河南 濮陽 457001）

隨著氣田生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，其能耗問題和節(jié)能管理備受關(guān)注。壓縮機(jī)作為氣田生產(chǎn)系統(tǒng)的主要用能設(shè)備之一，因缺少相應(yīng)的節(jié)能監(jiān)測評價標(biāo)準(zhǔn)而制約了壓縮機(jī)節(jié)能潛力的挖掘和節(jié)能工作的開展。《氣田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》運用能量平衡原理，采用黑匣子方法，研究氣田壓縮機(jī)的耗能方式及其影響因素，分析不同因素對能耗的影響規(guī)律，總結(jié)出科學(xué)合理的評價方法，制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。通過驗證，該標(biāo)準(zhǔn)中提出的氣田壓縮機(jī)測試評價方法，能夠滿足不同類型氣田壓縮機(jī)能耗測試與評價的需求。

氣田壓縮機(jī)；節(jié)能監(jiān)測；評價方法

壓縮機(jī)是氣田生產(chǎn)系統(tǒng)的主要用能設(shè)備之一，隨著我國氣田生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，其能耗問題和節(jié)能管理備受關(guān)注。因此通過節(jié)能監(jiān)測，對其能耗狀況進(jìn)行分析評價，依據(jù)分析評價結(jié)果采取相應(yīng)的節(jié)能技術(shù)措施，有利于氣田生產(chǎn)過程節(jié)能降耗和節(jié)能管理水平的提高。

1 評價方法研究技術(shù)思路

運用能量平衡原理，采用黑匣子方法，分析穩(wěn)定運行的能耗設(shè)備，得到能量進(jìn)出平衡關(guān)系，確定有用能與損耗。研究設(shè)備的耗能方式及其影響因素，確定對應(yīng)評價項目，分析不同因素對設(shè)備能耗的影響規(guī)律，評估對評價項目的影響程度，總結(jié)出科學(xué)合理的評價方法，為用能改造提供方向和依據(jù)。

2 氣田壓縮機(jī)節(jié)能監(jiān)測評價方法

2.1 評價項目的確定

壓縮機(jī)組效率是反映壓縮機(jī)能耗和運行狀態(tài)的一項重要指標(biāo)，體現(xiàn)了壓縮機(jī)組能源利用綜合水平，因此評價項目確定為機(jī)組效率。

評價項目的確定原則：①能反映設(shè)備正常生產(chǎn)運行時的綜合能源利用狀況；②參照現(xiàn)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)評價項目，包括設(shè)備產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中與用能有關(guān)的性能參數(shù)，能效標(biāo)準(zhǔn)、相關(guān)節(jié)能與經(jīng)濟(jì)運行標(biāo)準(zhǔn)中的評價項目；③評價項目易于測試或計算。

2.2 氣田壓縮機(jī)機(jī)組效率的理論分析

按驅(qū)動機(jī)分類，氣田壓縮機(jī)分為燃?xì)怛?qū)動壓縮機(jī)和電驅(qū)壓縮機(jī)。由于電動機(jī)驅(qū)動的壓縮機(jī)數(shù)量較少，因此以燃?xì)怛?qū)動的氣田壓縮機(jī)組作為主要分析對象[1-5]。

壓縮機(jī)機(jī)組效率定義為有效功率與輸入功率的比值。計算公式如下：壓縮機(jī)機(jī)組效率：

式中：η為機(jī)組效率，%；Hp為壓縮機(jī)有效功率，kW；Qr為供給能量，kJ/h。

電動機(jī)驅(qū)動時：

式中：Pr為電動機(jī)輸入功率，kW。

燃?xì)廨啓C(jī)或燃?xì)獍l(fā)動機(jī)驅(qū)動時：

式中：Qnet.v.ar為低位標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下發(fā)熱量，kJ/m3；B為燃?xì)饬?，m3/h。

壓縮機(jī)有效功率Hp：

式中：Hpi為第i級壓縮機(jī)有效功率，kW。

第i級壓縮機(jī)有效功率Hpi：

式中：ρk為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣的密度，kg/m3，取1.293；SG為天然氣相對密度；QV為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下壓縮機(jī)排出口天然氣流量，m3/h；Hdi為第i級壓縮機(jī)多變能量頭，kJ/kg。

2.3 評價分類因子的確定

依據(jù)理論分析可以確定影響氣田壓縮機(jī)的因素有：驅(qū)動類型、輸入功率、壓力比、實際壓縮介質(zhì)流量、額定排量、壓縮因子、多變指數(shù)、壓縮比。

根據(jù)測試實踐，影響氣田壓縮機(jī)組運行指標(biāo)的客觀因素主要有：驅(qū)動類型 （燃?xì)怛?qū)動、電動機(jī)驅(qū)動）、機(jī)型大?。?qū)動機(jī)額定排量）、壓縮級數(shù)、壓縮比等，采用簡單統(tǒng)計分析的方法對各因素進(jìn)行分析。

2.3.1 驅(qū)動類型與機(jī)組效率

從理論分析，電動機(jī)的運行效率一般在90%以上，而燃?xì)鈾C(jī)的運行效率一般遠(yuǎn)低于電動機(jī)，因此機(jī)組的效率也應(yīng)存在顯著的差異。

通過對48臺壓縮機(jī)機(jī)組的測試效率統(tǒng)計，5臺電動機(jī)驅(qū)動壓縮機(jī)機(jī)組效率平均為61.7%，最小49.1%，最大69.7%；43臺燃?xì)怛?qū)動壓縮機(jī)機(jī)組效率平均為19.9%，最小8.8%，最大32.5%。顯然，電動機(jī)驅(qū)動的壓縮機(jī)與燃?xì)怛?qū)動的壓縮機(jī)的機(jī)組效率存在明顯的差異。因此評價時應(yīng)將驅(qū)動類型作為分類因子。

2.3.2 額定排量與機(jī)組效率

對31臺測試的一級壓縮機(jī)組按不同額定排量統(tǒng)計機(jī)組效率，數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1。

表1 額定排量與機(jī)組效率數(shù)據(jù)統(tǒng)計表（一級壓縮）

對9臺測試的二級壓縮機(jī)組按不同額定排量統(tǒng)計機(jī)組效率，數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表2。

表2 額定排量與機(jī)組效率數(shù)據(jù)統(tǒng)計表（二級壓縮）

通過不同壓縮級別的壓縮機(jī)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，可得出以下結(jié)論：壓縮機(jī)組效率與驅(qū)動機(jī)額定排量存在顯著的相關(guān)性。因此評價時應(yīng)將額定排量作為分類因子。

2.3.3 壓縮級數(shù)與機(jī)組效率

考慮到分析的對象數(shù)量較少，無法統(tǒng)計到相同功率、相同壓縮比的壓縮機(jī)組測試數(shù)據(jù)，因此采用粗略對比法，將31臺一級壓縮和10臺二級壓縮的壓縮機(jī)機(jī)組效率與額定功率的關(guān)系數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表3。

表3 壓縮比與機(jī)組效率數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

從表3可以看出，壓縮機(jī)機(jī)組效率與壓縮級數(shù)的關(guān)系并不顯著。因此評價時不需要將壓縮級數(shù)作為分類因子。

從統(tǒng)計分析的結(jié)果可以看出，影響壓縮機(jī)組效率的主要因素為驅(qū)動類型和壓縮機(jī)額定排量。

2.4 評價指標(biāo)的確定

根據(jù)上述分析，影響壓縮機(jī)機(jī)組效率的主要客觀因素是驅(qū)動機(jī)類型和額定排量。由于壓縮機(jī)數(shù)量較少，采用統(tǒng)計與理論計算結(jié)合的方法確定評價指標(biāo)。

2.4.1 統(tǒng)計分析方法

將額定排量相近的歸為一類，根據(jù)中國石化氣田應(yīng)用壓縮機(jī)現(xiàn)狀調(diào)研，確定分類區(qū)間為：≤5 000 m3/h、 5 000～10 000 m3/h、 10 000～15 000 m3/h、15 000～20 000 m3/h、＞20 000 m3/h。 統(tǒng)計各區(qū)間的燃?xì)鈮嚎s機(jī)組測試數(shù)據(jù)見表4。其中10 000～15 000 m3/h區(qū)間的測試數(shù)據(jù)只有9個，采用插值法補充。如按70%合格為限定值，30%合格為節(jié)能評價值，并合理取整后確定評價指標(biāo)。

另外，15 000～20 000 m3/h、＞20 000 m3/h 區(qū)間數(shù)據(jù)太少，采用外延法確定評價指標(biāo)，見表5。

表4 燃?xì)鈮嚎s機(jī)機(jī)組效率統(tǒng)計表

表5 統(tǒng)計分析方法下的燃?xì)怛?qū)動壓縮機(jī)機(jī)組效率指標(biāo)

2.4.2 回歸分析方法

以額定排量8 000～12 000 m3/h壓縮機(jī)組為例進(jìn)行回歸分析[6-8]，機(jī)組效率的多元回歸方程為：

式中：y為壓縮機(jī)機(jī)組效率，%；x1為輸入功率，kW；x2為壓縮比；x3為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下實際壓縮介質(zhì)流量，m3/h；x4為額定排量，m3/h；x5為壓縮因子；x6為多變指數(shù)；ε為隨機(jī)誤差。

為了觀察公式擬合的精確度，以壓縮機(jī)機(jī)組效率測試值為X軸，壓縮機(jī)機(jī)組效率公式計算值為Y軸，做散點圖（圖 1）。

由圖1可以看出，擬合的公式相關(guān)性比較顯著，準(zhǔn)確度較高，回歸所得的擬合公式可用。機(jī)組效率回歸公式如下：

圖1 不同額定排量的壓縮機(jī)機(jī)組效率測試值與計算值散點圖

對各影響因素進(jìn)行敏感性分析，結(jié)果見表6。為得到壓縮機(jī)機(jī)組效率的評價值，分別計算壓縮機(jī)除實際排量之外的其他影響因素處值的和，得出在該實際排量區(qū)間各百分比所對應(yīng)的公式。各影響因素不同取值位置時壓縮機(jī)機(jī)組效率與實際排量的公式，并繪制成圖2。

表6 各影響因素的單位變換

由以上分析，可以延伸得出額定排量為5 000～10 000 m3/h、10 000～15 000 m3/h 這兩區(qū)間的壓縮機(jī)的評價值。這兩個區(qū)間氣田壓縮機(jī)合格率從20%到80%所對應(yīng)的機(jī)組效率評價值，見表7。

運用同樣的分析方法對額定排量2 000～4 000 m3/h和額定排量大于15 000 m3/h的壓縮機(jī)進(jìn)行分析，最終回歸分析方法確定評價指標(biāo)，見表8。

2.4.3 評價指標(biāo)的確定結(jié)論

圖2 不同取值位置對應(yīng)的機(jī)組效率與實際排量的關(guān)系式

綜上所述，利用統(tǒng)計方法與回歸分析方法得出的評價值基本一致，差異主要是由于對區(qū)間兩端數(shù)值的經(jīng)驗取值與理論結(jié)果的不同而導(dǎo)致的。因此綜合二者，最終得出燃?xì)怛?qū)動的氣田壓縮機(jī)機(jī)組效率的限定值、節(jié)能評價值，見表9。

表7 壓縮機(jī)組對應(yīng)的機(jī)組效率評價值

表8 回歸分析方法的燃?xì)怛?qū)動壓縮機(jī)機(jī)組效率指標(biāo)

表9 燃?xì)怛?qū)動壓縮機(jī)機(jī)組效率指標(biāo)

3 現(xiàn)場應(yīng)用

氣田壓縮機(jī)節(jié)能監(jiān)測評價方法研究制定以后，先后在中國石化主要氣田現(xiàn)場應(yīng)用壓縮機(jī)39臺次，其中達(dá)到節(jié)能評價值的16臺，占測試總數(shù)的41.0%；達(dá)到限定值的29臺，占測試總數(shù)的74.4%[9]。

1）西北油田分公司雅克拉氣田測試壓縮機(jī)8臺，采用以上評價指標(biāo)評價壓縮機(jī)組效率，達(dá)到節(jié)能評價值的3臺，占測試總數(shù)的37.5%；達(dá)到限定值的6臺，占測試總數(shù)的75%。

2）西南油氣分公司新場氣田測試壓縮機(jī)10臺，采用以上評價指標(biāo)評價壓縮機(jī)組效率，達(dá)到節(jié)能評價值的4臺，占測試總數(shù)的40%；達(dá)到限定值的7臺，占測試總數(shù)的70%。

3）東北油氣分公司松南氣田測試壓縮機(jī)3臺，采用以上評價指標(biāo)評價壓縮機(jī)組效率，達(dá)到節(jié)能評價值的1臺，占測試總數(shù)的33.3%；達(dá)到限定值的3臺，占測試總數(shù)的100%。

4）中原油田分公司普光氣田測試壓縮機(jī)18臺，采用以上評價指標(biāo)評價壓縮機(jī)組效率，達(dá)到節(jié)能評價值的8臺，占測試總數(shù)的44.4%；達(dá)到限定值的13臺，占測試總數(shù)的72.2%。

通過驗證，研究確定的節(jié)能評價方法和評價指標(biāo)能夠滿足不同類型、不同開發(fā)階段氣田壓縮機(jī)的節(jié)能測試評價需要。

4 結(jié)論與認(rèn)識

1）在對氣田主要能耗單元與設(shè)備調(diào)研統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，利用聚類分析、灰色關(guān)聯(lián)分析、回歸分析等統(tǒng)計分析方法，研究提出了氣田壓縮機(jī)的節(jié)能監(jiān)測評價項目和評價指標(biāo)，通過在普光、雅克拉、松南、新場等氣田的應(yīng)用表明，提出的測試評價方法，能夠滿足不同類型氣田能耗測試與評價的需要。

2）研究制定的氣田壓縮機(jī)節(jié)能監(jiān)測評價方法通過現(xiàn)場測試與實驗分析，適合氣田壓縮機(jī)的運行需求，可為氣田壓縮機(jī)節(jié)能潛力的挖掘提供可靠的理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)依據(jù)。

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With the continuous expansion of gas field production scale,energy consumption and energy saving management have attracted much attention.Compressor is one of the main energy consuming equipment in gas field production system,the tapping of the energy saving potential of compressor and the development of energy saving work were limited due to the lack of corresponding energy saving monitoring and evaluation standards.By using the principle of energy balance and the black box method,the mode and influencing factors of gas compressor energy consumption were studied,and the influence laws of different factors on energy consumption were analyzed,the scientific evaluation methods of gas compressor energy consumption were summed up,the corresponding standard"Energy Saving Monitoring Standard for Gas Field Production System"was formulated.

gasfield compressor;energy-saving monitoring;evaluation method

毛青霞（1986-），女，工程師，現(xiàn)主要從事節(jié)能監(jiān)測、能源審計、溫室氣體盤查、節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)編制等方面的工作。

崔 杰

2017-10-30