邱 靜，江勝飛，王志寰，蔣 偉，彭 陽(yáng)

(1.中國(guó)石油西南油氣田分公司蜀南氣礦，四川 瀘州 646000；2.中國(guó)石油西南油氣田分公司輸氣管理處，四川 成都 610051；3.中國(guó)石油西南油氣田分公司重慶氣礦，重慶 404100；4.中國(guó)石油西南油氣田分公司集輸工程研究所，四川 成都 610051)

1 引言

為能順利實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣外輸需求，國(guó)內(nèi)某氣田公司已投運(yùn)3座大功率離心式壓氣站，共6臺(tái)壓縮機(jī)。其中，A壓氣站和B壓氣站關(guān)聯(lián)度大，同時(shí)運(yùn)行時(shí)相互之間會(huì)產(chǎn)生較大影響，導(dǎo)致能耗上升，目前僅憑操作人員的經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)，不能夠?qū)崿F(xiàn)壓氣站的聯(lián)動(dòng)優(yōu)化。

A壓氣站主要作用為川南頁(yè)巖氣區(qū)塊頁(yè)巖氣外輸增壓輸送，降低輸氣干線管輸壓力，以發(fā)揮川南頁(yè)巖氣區(qū)塊頁(yè)巖氣產(chǎn)能。該站于2019年9月建成投用，場(chǎng)站設(shè)計(jì)壓力6.3 MPa，設(shè)計(jì)進(jìn)站壓力3.83～4.3 MPa，排氣壓力5.30～5.87 MPa。該站建設(shè)有PCL402型3.6 MW離心式壓縮機(jī)組2臺(tái)，兩用無(wú)備，設(shè)計(jì)增壓氣量為1460×104m3/d，截至4月底，2臺(tái)壓縮機(jī)組累計(jì)運(yùn)行21427 h，累計(jì)增壓氣量46×108m3。

B壓氣站于2020年9月建成投產(chǎn)，主要接收川南頁(yè)巖氣來(lái)氣，一部分增壓后上載國(guó)家管道，其它部分通過(guò)輸氣干線管網(wǎng)輸往重慶地區(qū)，同時(shí)根據(jù)管網(wǎng)運(yùn)行情況通過(guò)調(diào)壓向中、低壓系統(tǒng)分輸補(bǔ)充調(diào)配。該站建設(shè)有PCL405型6.7 MW離心式壓縮機(jī)組3臺(tái)。設(shè)計(jì)上載能力50×108m3/a，設(shè)計(jì)下載能力800×104m3/d，有包括10.0 MPa、6.3 MPa、4.0 MPa 3個(gè)壓力系統(tǒng)。截至目前已累計(jì)3329 h，累計(jì)增壓氣量14×108m3。

2 運(yùn)行情況

2.1 A壓氣站

(1)運(yùn)行分析

截止2021年4月30日，A壓氣站1號(hào)機(jī)組年度累計(jì)運(yùn)行時(shí)間2484 h，年累處理氣量52715萬(wàn)方，2號(hào)機(jī)組年度累計(jì)運(yùn)行時(shí)間2520 h，年累處理氣量53602萬(wàn)方，年累耗電量1744.22萬(wàn)度。

(2)能耗分析

2臺(tái)機(jī)組的能耗情況見(jiàn)表2。其中，不同月份的處理氣量和耗電量的變化趨勢(shì)如圖2和圖3所示。

由表2、圖1和圖2可知，機(jī)組能耗情況整體變化趨勢(shì)與處理氣量的整體變化趨勢(shì)相同，但變化幅度不同，主要原因?yàn)闄C(jī)組壓比不同，導(dǎo)致機(jī)組負(fù)荷大小不同，能耗值變化。

圖1 壓縮機(jī)累計(jì)處理氣量

表2 機(jī)組能耗情況統(tǒng)計(jì)

(3)性能曲線對(duì)比

取1月1日～10日A壓氣站1號(hào)機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，并根據(jù)多變效率和計(jì)算公式計(jì)算得出機(jī)組多變效率，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。效率性能曲線和功率性能曲線如圖4和圖5所示。

由表3、圖3及圖4可知，根據(jù)壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算的效率多集中在70%左右，但廠家性能曲線中的效率最低值為71%左右，最高值為82%左右。根據(jù)壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算的機(jī)組功率多集中在2200～2500 kW之間，但從功率性能曲線看，當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的機(jī)組功率多集中在2200 kW以下?？紤]實(shí)際進(jìn)氣條件與性能曲線計(jì)算條件差異，選取第2個(gè)工況點(diǎn)(效率為69.47%，功率為2396)進(jìn)行對(duì)比，仍與性能曲線偏離較多，因此，廠家所給性能曲線指導(dǎo)價(jià)值不大。

表3 機(jī)組多變效率及功率消耗

圖3 效率性能曲線

圖4 功率性能曲線

2.2 B壓氣站

(1)運(yùn)行分析

截止2021年4月30日，B壓氣站1號(hào)機(jī)組年度累計(jì)運(yùn)行達(dá)到1017 h(總累2541 h)，2號(hào)機(jī)組年度累計(jì)運(yùn)行達(dá)到1736 h(總累3312 h)，3號(hào)機(jī)組年累計(jì)運(yùn)行達(dá)到1473 h(總累2715 h)，總計(jì)增壓氣量為65522萬(wàn)方。B壓氣站機(jī)組運(yùn)行情況見(jiàn)表4。

表4 機(jī)組運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)

(2)能耗分析

3臺(tái)機(jī)組的能耗情況見(jiàn)表5。其中，不同月份的處理氣量和耗電量的變化趨勢(shì)如圖5和圖6所示。

表5 機(jī)組能耗情況統(tǒng)計(jì)

圖5 壓縮機(jī)累計(jì)處理氣量

圖6 壓縮機(jī)累計(jì)耗電量

由表5、圖6和圖7可知，機(jī)組能耗與機(jī)組處理氣量的整體變化趨勢(shì)相同，但變化幅度不同，全站處理氣量越低，單位能耗越高，單臺(tái)機(jī)組負(fù)荷大小不同，能耗值發(fā)生變化。

(3)性能曲線對(duì)比

B壓氣站現(xiàn)役3臺(tái)壓縮機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組額定功率6.7 MW，額定電流733 A，額定轉(zhuǎn)速12155 r/min。忽略機(jī)械損失，根據(jù)能耗分析，調(diào)閱3月生產(chǎn)數(shù)據(jù)報(bào)表，3月下旬僅2號(hào)機(jī)組24 h運(yùn)轉(zhuǎn)，且壓比較大，根據(jù)3月15日～24日運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，并根據(jù)多變效率和計(jì)算公式，可計(jì)算出機(jī)組多變效率，如表6所示。效率性能曲線和功率性能曲線如圖7和圖8所示。

由表6、圖7和圖8可知，根據(jù)壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算的效率多集中在83%左右，但廠家性能曲線中的效率最低值約為76%，最高值約為85%，與多變效率曲線基本吻合，同時(shí)根據(jù)壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算的機(jī)組功率多集中在4700～5600 kW之間，功率性能曲線看，考慮實(shí)際進(jìn)氣條件與性能曲線計(jì)算條件的差異，與圖4進(jìn)行對(duì)比，確定該機(jī)組約在圖8、9中E曲線上，壓縮機(jī)運(yùn)行最優(yōu)經(jīng)濟(jì)點(diǎn)與實(shí)際運(yùn)行區(qū)間點(diǎn)對(duì)比，理論上技術(shù)人員應(yīng)保持機(jī)組壓比不變，適當(dāng)減少流量，向最優(yōu)經(jīng)濟(jì)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。

圖7 效率性能曲線

圖8 功率性能曲線

表6 機(jī)組多變效率及功率消耗

3 存在的問(wèn)題

通過(guò)對(duì)機(jī)組運(yùn)行情況分析及日常運(yùn)行過(guò)程中的總結(jié)，A壓氣站及B壓氣站存在以下問(wèn)題：

(1)A壓氣站廠家所提供的機(jī)組性能曲線與實(shí)際運(yùn)行情況偏離較大，導(dǎo)致對(duì)實(shí)際生產(chǎn)的指導(dǎo)意義不大。

(2)根據(jù)川南某地頁(yè)巖氣區(qū)塊近期頁(yè)巖氣產(chǎn)量波動(dòng)及A壓氣站低壓輸氣量的上升，A壓氣站處理氣量由年初雙機(jī)1300×104m3/d，下降到目前的700～800×104m3/d，機(jī)組單雙機(jī)運(yùn)行選擇缺少指導(dǎo)，機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性不能保證。

(3)部分情況下，B壓氣站運(yùn)行存在氣量不滿足單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行所需最小氣量的要求，導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行需開(kāi)小循環(huán)，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)型差。

4 工況計(jì)算與分析

針對(duì)以上問(wèn)題，主要通過(guò)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比確定A壓氣站單雙機(jī)運(yùn)行選擇和A壓氣站與B壓氣站的聯(lián)合運(yùn)行是否具有經(jīng)濟(jì)性價(jià)值。

4.1 工況一

由于A壓氣站單臺(tái)與2臺(tái)機(jī)組運(yùn)行的臨界點(diǎn)在700～800×104m3/d之間，因此選擇總處理氣量在1400×104m3/d左右、單臺(tái)機(jī)組處理量在700×104m3/d的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算[1]。

效率計(jì)算根據(jù)公式

(1)

其中，天然氣絕熱指數(shù)k值取1.32。

再根據(jù)公式

(2)

可計(jì)算得出m的值。

將m帶入公式

(3)

其中，天然氣氣體常數(shù)R=518.75 J/(kg·K)，可計(jì)算得出多變功Wpol。

再根據(jù)公式

(4)

可計(jì)算壓縮總耗功Wtot。

機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7，運(yùn)行數(shù)據(jù)曲線見(jiàn)圖9。

將處理氣量、多變效率、壓比、功率變換成同一個(gè)數(shù)量級(jí)得出曲線，由表7和圖9可知，隨著流量的增加，壓比降低，多變效率和功率隨著流量的增加而增加，但增加到一定程度又會(huì)降低，主要原因是流量的增加通常比總耗功的下降要快一些，所以功率通常隨著流量的增加而增加，只是在流量很大時(shí)才會(huì)出現(xiàn)功率下降的情況。從計(jì)算結(jié)果看，轉(zhuǎn)折點(diǎn)的流量范圍在710×104m3/d左右，且此點(diǎn)效率最高，因此，在今后日常運(yùn)行中，壓比范圍在1.1～1.3之間時(shí)，應(yīng)盡量控制單臺(tái)機(jī)組氣量不超過(guò)710×104m3/d，保持機(jī)組高效運(yùn)行。

表7 機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算

圖9 運(yùn)行數(shù)據(jù)曲線

4.2 工況二

選取該站2臺(tái)機(jī)組運(yùn)行總處理氣量在700×104m3/d左右和單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，并且處理氣量在700×104m3/d的工況進(jìn)行對(duì)比。帶入式(1)～(4)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表8。

由表8計(jì)算結(jié)果可知，在總氣量在700×104m3/d左右時(shí)，2臺(tái)機(jī)組運(yùn)行效率高于單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，但從功率看仍是單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行有優(yōu)勢(shì)，但此時(shí)單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行壓比相對(duì)較小，若考慮充分發(fā)揮川南頁(yè)巖氣區(qū)塊頁(yè)巖氣產(chǎn)能，需要綜合評(píng)估川南區(qū)塊管網(wǎng)輸壓降低后該地區(qū)頁(yè)巖氣的增產(chǎn)氣量與增加的功率消耗進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比。

表8 機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算

4.3 工況三

在總氣量在700×104m3/d左右，單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行的工況下，對(duì)進(jìn)排氣壓力、吸入排氣溫度、處理氣量進(jìn)行改變。帶入式(1)～(4)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表9。

由表9可知，在機(jī)組能夠承受的壓比范圍內(nèi)，且機(jī)組流量、進(jìn)排氣溫度不變的情況下，提高壓比可提高機(jī)組效率，且功率不變化；在機(jī)組壓比、進(jìn)排氣溫度不變的情況下，提高機(jī)組流量，機(jī)組效率不變，但功率消耗增加。

表9 機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算

4.4 工況四

實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，為保證壓縮機(jī)組正常運(yùn)轉(zhuǎn)，單獨(dú)設(shè)置了“壓縮機(jī)工作點(diǎn)離喘振線近”報(bào)警，設(shè)定當(dāng)壓縮機(jī)工作點(diǎn)與喘振線水平距離小于6%時(shí)，會(huì)產(chǎn)生報(bào)警，為避免前端工況突變波動(dòng)導(dǎo)致壓縮機(jī)組停機(jī)，需開(kāi)啟回流閥提高壓縮機(jī)入口流量穩(wěn)定機(jī)組運(yùn)行，通過(guò)觀察壓縮機(jī)工作點(diǎn)與喘振線水平距離變化量來(lái)決定全站回流閥開(kāi)度量，降低上載氣量指標(biāo)，此種工況可考慮由A壓氣站增加處理氣量用于補(bǔ)充B壓氣站氣量，選取2021年2月7日B壓氣站雙機(jī)上載國(guó)家管網(wǎng)755×104m3/d，站內(nèi)開(kāi)啟全站小循環(huán)的工況進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比計(jì)算見(jiàn)表10。

表10 B壓氣站運(yùn)行數(shù)據(jù)

帶入式(1)～(4)進(jìn)行計(jì)算，B壓氣站單臺(tái)機(jī)組多變效率80%～82%，多變功98313 J/kg，雙機(jī)壓縮機(jī)總功率7539 kW，但在2月上旬雙機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，當(dāng)壓縮機(jī)入口壓力逐步降低或出口壓力逐步升高，壓比增大達(dá)到2.0左右，轉(zhuǎn)速增至高轉(zhuǎn)速后工作點(diǎn)距喘振線過(guò)近，為避免前端工況異常波動(dòng)導(dǎo)致停機(jī)，技術(shù)人員均次開(kāi)啟全站回流流量50萬(wàn)流量控制，增加全站壓縮機(jī)組無(wú)用功率501 kW。如果A壓氣站補(bǔ)充50×104m3/d氣量，B壓氣站可減少全站壓縮機(jī)組這部分無(wú)用功率浪費(fèi)。A壓氣站調(diào)整前與調(diào)整后對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表11。

表11 A壓氣站調(diào)整前與調(diào)整后對(duì)比數(shù)據(jù)

根據(jù)2月7日A壓氣站實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，將B壓氣站站回流的50萬(wàn)方/日氣量改由A壓氣站2臺(tái)壓縮機(jī)組提高處理量進(jìn)行補(bǔ)充，避免B壓氣站功率浪費(fèi)，通過(guò)計(jì)算可得A壓氣站功率上升了280 kW，與B壓氣站站功率節(jié)約501 kW比較，兩站總功率節(jié)約221 kW，每日節(jié)約電量5304 kW·h，可實(shí)現(xiàn)一定的節(jié)約。

5 對(duì)策及建議

通過(guò)以上計(jì)算與分析，針對(duì)目前A壓氣站及B壓氣站存在的單雙機(jī)運(yùn)行選擇、單機(jī)氣量調(diào)配、2站聯(lián)合運(yùn)行等問(wèn)題，可采用以下措施：

(1)A壓氣站在總氣量超過(guò)1400×104m3/d時(shí)，盡量控制單臺(tái)機(jī)組總氣量載710×104m3/d左右，壓比范圍控制在1.1～1.3之間，保持機(jī)組高效運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

(2)在A壓氣站總氣量在700×104m3/d左右時(shí)，單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行效率低于2臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，但2臺(tái)機(jī)組的運(yùn)行總耗功高于單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，且未考慮機(jī)組附屬設(shè)備的消耗，在對(duì)川南某地頁(yè)巖氣區(qū)塊產(chǎn)量無(wú)明顯影響的情況下，應(yīng)選擇單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，降低總消耗。

(3)對(duì)A壓氣站，在機(jī)組能夠承受的壓比范圍內(nèi)，且機(jī)組流量、進(jìn)排氣溫度不變的情況下，提高壓比可提高機(jī)組效率，且功率不變化，因此可考慮通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)速提高機(jī)組壓比，也可考慮在進(jìn)氣端或排氣端增加調(diào)壓閥來(lái)調(diào)整壓比，保持機(jī)組高效運(yùn)行。

(4)在B壓氣站機(jī)組運(yùn)行存在觸碰防喘振工況時(shí)，可兩站聯(lián)動(dòng)，在氣量允許的情況下A壓氣站增加機(jī)組處理量，用于補(bǔ)充B壓氣站氣量，避免B壓氣站機(jī)組開(kāi)啟小循環(huán)運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)能耗節(jié)約。