周軍 肖瑤 孫建華 梁光川 彭井宏

1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院 2.國家管網(wǎng)集團(tuán)中原儲氣庫有限責(zé)任公司

天然氣地下儲氣庫是天然氣產(chǎn)業(yè)鏈及管道輸送系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，不僅在日常的天然氣供應(yīng)中調(diào)節(jié)供需平衡，實現(xiàn)穩(wěn)定供應(yīng)，在有事故發(fā)生的緊急狀態(tài)下更具有不可替代的作用[1]。隨著天然氣行業(yè)的大力發(fā)展，地下儲氣庫也將得到越來越廣泛的應(yīng)用，并能在多種領(lǐng)域適應(yīng)不同需求以發(fā)揮重要作用[2-5]。

儲氣庫地面工藝系統(tǒng)作為儲氣庫的核心部分，由于受注采氣的雙重影響，運(yùn)行工況波動較大。當(dāng)?shù)孛婀に囅到y(tǒng)與實際運(yùn)行工況不適應(yīng)時，儲氣庫地面系統(tǒng)往往會出現(xiàn)低能效、高能耗的情況[6]。如何降低地下儲氣庫地面系統(tǒng)能耗，提高其能效水平，已經(jīng)成為儲氣庫生產(chǎn)運(yùn)營的關(guān)注重點。對用能系統(tǒng)進(jìn)行能效評價研究是挖掘系統(tǒng)節(jié)能潛力點，實現(xiàn)節(jié)能降耗、節(jié)約能源的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[7]。曹瑩等[8]通過分析油氣田企業(yè)的能效評價現(xiàn)狀及重點用能系統(tǒng)能耗組成情況，結(jié)合相應(yīng)國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，建立了一套涵蓋3層級15指標(biāo)油氣田企業(yè)重點用能系統(tǒng)能效指標(biāo)體系。張威等[9]采用層次分析法(AHP)，建立了天然氣管網(wǎng)運(yùn)行能效評價體系，并對天然氣管網(wǎng)能效進(jìn)行了定量評價，為天然氣管網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度提供了參考及依據(jù)。梁金國等[10]采用模糊綜合評價法對某高含硫氣田集輸系統(tǒng)能耗進(jìn)行了評價。劉武等[11]將“三環(huán)節(jié)”分析法與“三箱”分析法相結(jié)合，建立了天然氣礦場集輸系統(tǒng)用能模糊評價模型。

目前，對于集輸系統(tǒng)能效評價的研究多集中于油氣田集輸系統(tǒng)及管網(wǎng)系統(tǒng)，針對儲氣庫地面工藝系統(tǒng)能效評價的研究較少，且沒有一套涵蓋對整個儲氣庫地面系統(tǒng)起決定性作用的能效評價指標(biāo)體系及界限清晰、科學(xué)完善、能敏感地反映出用能系統(tǒng)所存在的問題的評價方法。因此，建立了涵蓋3層次15指標(biāo)的儲氣庫地面系統(tǒng)能效評價指標(biāo)體系，并提出一套基于AHP與模糊隸屬度函數(shù)法相結(jié)合的儲氣庫地面工藝系統(tǒng)正、異常工況下的能效評價方法。

1 儲氣庫地面工藝系統(tǒng)概況

1.1 儲氣庫地面工藝

某枯竭氣藏型地下儲氣庫地面工藝主要包含采氣工藝及注氣工藝，采取周期運(yùn)行方式，每年夏季為注氣期、冬季為采氣期，注氣期200天，采氣期150天，檢測、維修平衡期15天。

注氣期：天然氣進(jìn)入儲氣庫注采站內(nèi)，經(jīng)過交接計量、分離過濾除塵、壓縮機(jī)組加壓后，再通過注采氣干線輸送至叢式井場，由叢式井場內(nèi)的注采氣閥組合理分配至各注采井后，注入地下儲氣庫。注氣流程如圖1所示。

采氣期：天然氣從地下儲氣庫采出，經(jīng)過井口節(jié)流閥節(jié)流、超聲波流量計計量后，從注采氣干線進(jìn)入注采站，在站內(nèi)經(jīng)過分離過濾、脫水處理、計量交接后輸送至輸氣管道進(jìn)入天然氣目標(biāo)市場。采輸氣流程如圖2所示。

1.2 儲氣庫地面系統(tǒng)用能特點

儲氣庫地面用能系統(tǒng)主要包括地面脫水系統(tǒng)及地面增壓系統(tǒng)，其中采氣工藝的核心為地面脫水系統(tǒng)，注氣工藝的核心為地面增壓系統(tǒng)[12]。目前，儲氣庫地面脫水系統(tǒng)通常采用三甘醇脫水工藝，主要耗能裝置為三甘醇脫水裝置，儲氣庫地面增壓系統(tǒng)采用往復(fù)式壓縮機(jī)組增壓，主要耗能設(shè)備為壓縮機(jī)組。通過對儲氣庫現(xiàn)場用能裝置能耗的統(tǒng)計分析，主要能耗為重沸器熱負(fù)荷、汽提氣加熱負(fù)荷、三甘醇循環(huán)泵負(fù)荷及壓縮機(jī)驅(qū)動電機(jī)的電耗。儲氣庫地面系統(tǒng)由于受到注氣與采氣的雙重影響，運(yùn)行具有不穩(wěn)定及“強(qiáng)采強(qiáng)注”等特點。

2 儲氣庫地面工藝系統(tǒng)能效評價方法

儲氣庫地面系統(tǒng)能效評價是需同時考慮效率及能耗的多因素評價過程，引入綜合評價的思路，對儲氣庫地面系統(tǒng)進(jìn)行多指標(biāo)、全方位的定性與定量分析研究[13]。因此，在準(zhǔn)確把握儲氣庫地面工藝系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，將AHP與模糊綜合函數(shù)評價法相結(jié)合，提出了一種儲氣庫地面工藝系統(tǒng)正、異常工況下的能效評價方法。

2.1 評價指標(biāo)體系建立

基于建立簡明科學(xué)、系統(tǒng)性的評價指標(biāo)體系，本研究采用德爾菲法綜合了影響儲氣庫地面工藝系統(tǒng)能效各方面的因素，選取了對整個地面系統(tǒng)起決定性作用的影響因素作為評價指標(biāo)。建立了3層次(目標(biāo)層、準(zhǔn)則層及指標(biāo)層)15指標(biāo)的儲氣庫地面系統(tǒng)能效評價指標(biāo)體系。包括儲氣庫地面脫水系統(tǒng)能效及儲氣庫地面增壓系統(tǒng)能效2個一級指標(biāo)(目標(biāo)層)，系統(tǒng)效率、系統(tǒng)能耗、工藝指標(biāo)等5個二級指標(biāo)(準(zhǔn)則層)，以及按照效率、能耗及工藝指標(biāo)分類的15個三級指標(biāo)(指標(biāo)層)。通過逐層分析各個影響因素，建立了地下儲氣庫地面脫水系統(tǒng)及增壓系統(tǒng)正異常工況下的能效評價指標(biāo)體系(見圖3、圖4)，儲氣庫地面系統(tǒng)正、異常工況下能效評價指標(biāo)體系(見表1)。

表1 儲氣庫地面系統(tǒng)能效評價指標(biāo)體系目標(biāo)層準(zhǔn)則層指標(biāo)層儲氣庫地面系統(tǒng)能效A地面脫水系統(tǒng)能效B1重沸器熱效率C11循環(huán)泵電機(jī)負(fù)載率C12循環(huán)泵效率C13重沸器單位氣耗C14系統(tǒng)單位電耗C15三甘醇單位損耗量C16重沸器過剩空氣系數(shù)C17三甘醇貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)C18工藝及設(shè)備穩(wěn)定性C19地面增壓系統(tǒng)能效B2壓縮機(jī)電動機(jī)功率因素C21壓縮機(jī)電動機(jī)負(fù)載率C22壓縮機(jī)組效率C23系統(tǒng)單位電耗C24潤滑油單位用量C25天然氣泄漏量C26

2.2 評價指標(biāo)權(quán)重計算

在建立儲氣庫地面工藝系統(tǒng)能效評價指標(biāo)體系之后，需要根據(jù)各能效評價指標(biāo)在該評價體系中的作用、地位及重要性來賦予指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)。對于相同的指標(biāo)體系，評價結(jié)果會隨著權(quán)重系數(shù)的不同而改變。因此，選取科學(xué)的評價指標(biāo)權(quán)重計算方法，合理地表征評價指標(biāo)在體系中的重要性就尤為重要。

本研究采用AHP法計算儲氣庫地面系統(tǒng)能效評價指標(biāo)權(quán)重系數(shù)。具體流程如圖5所示。

根據(jù)層次分析法指標(biāo)權(quán)重計算流程，對儲氣庫地面系統(tǒng)能效評價指標(biāo)體系中各指標(biāo)構(gòu)造判斷矩陣及權(quán)重計算(見表2、表3)。

表2 地面脫水系統(tǒng)指標(biāo)層判斷矩陣與權(quán)重計算B1C11C12C13C14C15C16C17C18C19權(quán)重ω1jC11156221/25430.204 490 74 C121/511/31/81/51/311/31/20.029 333 96 C131/6311/71/21/241/21/30.050 317 62 C141/2871548650.305 739 16 C151/2521/5138320.143 003 60 C162321/41/315320.120 130 56 C171/511/41/81/81/51320.037 938 60 C181/4321/61/31/31/311/20.045 304 90 C191/3231/51/21/21/2210.063 740 85

表3 地面增壓系統(tǒng)指標(biāo)層判斷矩陣與權(quán)重計算B2C21C22C23C24C25C26權(quán)重ω2jC21131/31/3350.173 116C221/311/51/31/240.078 791C233511/2350.290 871C243321430.324 278C251/321/31/4110.081 777C261/51/41/51/3110.051 167

鑒于脫水、增壓系統(tǒng)運(yùn)行獨(dú)立、互不影響及對整個地面系統(tǒng)完整運(yùn)行的影響程度相同，將脫水、增壓系統(tǒng)的權(quán)重按照等比例原則確定，儲氣庫地面系統(tǒng)能效評價體系指標(biāo)權(quán)重如表4所列。

表4 儲氣庫地面系統(tǒng)能效評價指標(biāo)權(quán)重值目標(biāo)層準(zhǔn)則層權(quán)重指標(biāo)層權(quán)重儲氣庫地面系統(tǒng)能效A地面脫水系統(tǒng)能效B10.5重沸器熱效率C110.204 490循環(huán)泵電機(jī)負(fù)載率C120.029 334循環(huán)泵效率C130.050 318重沸器單位氣耗C140.305 738系統(tǒng)單位電耗C150.143 004三甘醇單位損耗量C160.120 131重沸器過?？諝庀禂?shù)C170.037 939三甘醇貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)C180.045 305工藝及設(shè)備穩(wěn)定性C190.063 741地面增壓系統(tǒng)能效B20.5壓縮機(jī)電動機(jī)功率因素C210.173 116壓縮機(jī)電動機(jī)負(fù)載率C220.078 791壓縮機(jī)組效率C230.290 871系統(tǒng)單位電耗C240.324 278潤滑油單位用量C250.081 777天然氣泄漏量C260.051 167

2.3 評價指標(biāo)模糊隸屬度計算

在進(jìn)行儲氣庫地面工藝系統(tǒng)能效評價計算時，需對評價指標(biāo)進(jìn)行無量綱化處理，使指標(biāo)具有可比性?；诒狙芯克ǖ脑u價體系復(fù)雜且指標(biāo)較多，指標(biāo)彼此間的“優(yōu)”與“劣”也沒有明確的數(shù)量界限，因此采用模糊隸屬度函數(shù)法對評價指標(biāo)進(jìn)行無量綱化處理。具體操作步驟如下。

2.3.1確定各個評價指標(biāo)的“優(yōu)”“劣”上下限值

確定各評價指標(biāo)的上限值xmax和下限值xmin。對于正向指標(biāo)，最優(yōu)取值為上限值xmax；對于逆向指標(biāo)，最優(yōu)取值為下限值xmin。

2.3.2確定各評價指標(biāo)的模糊隸屬度函數(shù)類型

模糊隸屬度函數(shù)描述了從隸屬到不隸屬這一過程。常用的模糊隸屬度函數(shù)類型主要有梯形和嶺形模糊隸屬度函數(shù)。根據(jù)評價指標(biāo)的特點，選用嶺形模糊隸屬度函數(shù)對指標(biāo)進(jìn)行無量綱化處理。嶺形模糊隸屬度函數(shù)分為升嶺形分布模糊隸屬度函數(shù)及降嶺形分布模糊隸屬度函數(shù)兩類。

選用升嶺形分布模糊隸屬度函數(shù)對正向指標(biāo)進(jìn)行無量綱化處理,如式(1)所示：

(1)

式中：x為指標(biāo)運(yùn)行值；a為指標(biāo)下限值；b為指標(biāo)上限值。

選用降嶺形分布模糊隸屬度函數(shù)對逆向指標(biāo)進(jìn)行無量綱化處理,如式(2)所示：

(2)

2.3.3進(jìn)行模糊變換

將各評價指標(biāo)實際運(yùn)行參數(shù)值xi代入相應(yīng)的模糊隸屬度函數(shù)，計算結(jié)果為指標(biāo)的隸屬度值f(xi)。f(xi)是在0～1之間的實數(shù)，消除了指標(biāo)量綱的影響。

2.3.4計算標(biāo)準(zhǔn)量化值

將各個指標(biāo)的模糊隸屬度值f(xi)乘以100，為該項指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)量化值，如式(3)所示：

F(xi)=f(xi)×100

(3)

根據(jù)回歸分析法及相關(guān)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，確定出各個指標(biāo)的上、下限值及模糊隸屬度函數(shù)類型，如表5所列。

表5 能效評價指標(biāo)上下限值及模糊隸屬度函數(shù)類型指標(biāo)下限值a上限值b模糊隸屬度函數(shù)類型重沸器熱效率C11/%6085升嶺形循環(huán)泵電機(jī)負(fù)載率C12/%3090升嶺形循環(huán)泵效率C13/%1030升嶺形重沸器單位氣耗C14/ (m3·(104 m3) -1)4.506.74降嶺形系統(tǒng)單位電耗C15/ (kW·h·(104 m3) -1)4.616.91降嶺形三甘醇單位損耗量C16/ (mg·m-3)816降嶺形重沸器過?？諝庀禂?shù)C171.15降嶺形三甘醇貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)C18/%99100升嶺形工藝及設(shè)備穩(wěn)定性C1901降嶺形壓縮機(jī)電動機(jī)功率因素C210.650.88升嶺形壓縮機(jī)電動機(jī)負(fù)載率C22/%4090升嶺形壓縮機(jī)組效率C23/%3075升嶺形系統(tǒng)單位電耗C24/ (kW·h·(104 m3) -1)322.022609.294降嶺形潤滑油單位用量C25/( kg·(kW·h)-1)0.0030.005降嶺形天然氣泄漏量C26/ (L·min-1)26降嶺形

2.4 評價結(jié)果計算

利用線性加權(quán)法計算儲氣庫地面工藝系統(tǒng)能效綜合評價結(jié)果，線性加權(quán)法就是將評價指標(biāo)的量化值與各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)值相乘以得到各單個指標(biāo)的評價值，再對單個指標(biāo)評價值進(jìn)行求和得到最終總評價值。計算步驟如下。

2.4.1準(zhǔn)則層指標(biāo)評價值計算

準(zhǔn)則層指標(biāo)評價值計算公式如式(4)所示：

(4)

式中：Ui為第i個準(zhǔn)則層指標(biāo)的評價值；Uij為第i個準(zhǔn)則層指標(biāo)中第j個指標(biāo)層指標(biāo)的評價值；ωij為第i個準(zhǔn)則層指標(biāo)中第j個指標(biāo)層指標(biāo)的權(quán)重。

2.4.2目標(biāo)層綜合評價值計算

目標(biāo)層綜合評價值計算公式如式(5)所示：

(5)

式中：U為目標(biāo)層指標(biāo)的綜合評價值；Ui為目標(biāo)層指標(biāo)中第i個一級指標(biāo)的評價值；ωi為目標(biāo)層指標(biāo)中第i個一級指標(biāo)的權(quán)重。

3 實例應(yīng)用

以某枯竭氣藏型地下儲氣庫地面工藝系統(tǒng)為例，采用本研究建立的儲氣庫地面工藝系統(tǒng)能效評價指標(biāo)體系及評價方法，分別對正、異常工況下的儲氣庫地面工藝系統(tǒng)進(jìn)行能效評價，以進(jìn)一步驗證本體系及方法的合理性。

3.1 儲氣庫地面系統(tǒng)正常工況下的能效評價

任意選取儲氣庫地面系統(tǒng)正常運(yùn)行時一組實際運(yùn)行參數(shù)，根據(jù)所建立的能效評價模型，進(jìn)行能效評價計算，計算結(jié)果如表6所列。儲氣庫地面工藝系統(tǒng)在正常工況下運(yùn)行時，能效評價得分較高，表明能效水平及適應(yīng)性情況良好。從各單項指標(biāo)評價得分來看，重沸器是影響脫水系統(tǒng)用能及能效評價的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，壓縮機(jī)組效率及系統(tǒng)單位電耗是影響增壓系統(tǒng)能效水平的關(guān)鍵。

表6 儲氣庫地面系統(tǒng)正常工況下能效評價計算結(jié)果目標(biāo)層評價值準(zhǔn)則層評價值指標(biāo)層運(yùn)行值評價值儲氣庫地面系統(tǒng)能效A74.68地面脫水系統(tǒng)能效B169.18重沸器熱效率C1176.1414.74循環(huán)泵電機(jī)負(fù)載率C1269.412.16循環(huán)泵效率C1321.022.92重沸器單位氣耗C145.5220.34系統(tǒng)單位電耗C155.2311.89三甘醇單位損耗量C1612.624.56重沸器過?？諝庀禂?shù)C171.583.65三甘醇貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)C1899.542.55工藝及設(shè)備穩(wěn)定性C1906.37地面增壓系統(tǒng)能效B280.17壓縮機(jī)電動機(jī)功率因素C210.8012.64壓縮機(jī)電動機(jī)負(fù)載率C2280.4777.19壓縮機(jī)組效率C2366.2126.43系統(tǒng)單位電耗C24408.2925.73潤滑油單位用量C250.002 48.18天然氣泄漏量C269.80

3.2 儲氣庫地面系統(tǒng)異常工況下的能效評價

任意選取儲氣庫地面系統(tǒng)異常運(yùn)行時一組現(xiàn)場運(yùn)行參數(shù)，根據(jù)所建立的能效評價模型，進(jìn)行能效評價計算，計算結(jié)果如表7所列。儲氣庫地面工藝系統(tǒng)在異

常工況下運(yùn)行時，能效評價得分較低，反映出此時能效水平較低、適應(yīng)性較差。從單項指標(biāo)評價值可以看出，三甘醇單位損耗量過高、三甘醇貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)不達(dá)標(biāo)、工藝設(shè)備穩(wěn)定性較差、潤滑油單位用量過高及天然氣泄漏量超標(biāo)是造成能效水平低的主要原因。

表7 儲氣庫地面系統(tǒng)異常工況下能效評價計算結(jié)果目標(biāo)層評價值準(zhǔn)則層評價值指標(biāo)層運(yùn)行值評價值儲氣庫地面系統(tǒng)能效A48.68地面脫水系統(tǒng)能效B144.41重沸器熱效率C1171.759.26循環(huán)泵電機(jī)負(fù)載率C1268.732.11循環(huán)泵效率C1320.062.54重沸器單位氣耗C145.5915.93系統(tǒng)單位電耗C155.3311.12三甘醇單位損耗量C1615.160.32重沸器過?？諝庀禂?shù)C172.173.13三甘醇貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)C1897.630工藝及設(shè)備穩(wěn)定性C1910地面增壓系統(tǒng)能效B252.94壓縮機(jī)電動機(jī)功率因素C210.8214.56壓縮機(jī)電動機(jī)負(fù)載率C2282.167.41壓縮機(jī)組效率C2364.8925.61系統(tǒng)單位電耗C24532.745.36潤滑油單位用量C250.007 20天然氣泄漏量C2611.420

4 結(jié)論

(1) 通過逐層分析儲氣庫地面工藝系統(tǒng)的各個影響因素，構(gòu)建了涵蓋3層次(目標(biāo)層、準(zhǔn)則層及指標(biāo)層)15指標(biāo)儲氣庫地面工藝系統(tǒng)能效評價指標(biāo)體系。

(2) 提出了儲氣庫地面系統(tǒng)正、異常工況下的能效評價方法，并清晰界定了儲氣庫地面工藝系統(tǒng)評價依據(jù)、指標(biāo)權(quán)重計算方法及評價指標(biāo)范圍要求等，結(jié)合現(xiàn)場實際運(yùn)行情況，便于分析查找用能系統(tǒng)所存在的問題。

(3) 以某枯竭氣藏型地下儲氣庫為例進(jìn)行應(yīng)用及分析驗證。結(jié)果表明，本研究提出的能效評價指標(biāo)體系及評價方法能更好地反映出用能系統(tǒng)的正、異常情況、能效水平、適應(yīng)性情況及所存在的問題，為后續(xù)節(jié)能工作的開展提供了相應(yīng)依據(jù)。