吳春升 孫浩然 王子輝 劉松群 屈麗彬 蒲攀 劉震

1中國(guó)石油天然氣股份有限公司山西煤層氣勘探開(kāi)發(fā)分公司

2中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院

華北油田山西煤層氣地面集輸系統(tǒng)歷經(jīng)10 余年開(kāi)發(fā)運(yùn)行，煤層氣單井產(chǎn)量已經(jīng)逐漸趨于平穩(wěn)。隨著集輸管道氣體壓力的降低，集氣站內(nèi)壓縮機(jī)的生產(chǎn)運(yùn)行工況嚴(yán)重偏離原系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力，導(dǎo)致出現(xiàn)實(shí)際運(yùn)行效率低、能耗高的問(wèn)題[1]。目前，壓縮機(jī)節(jié)能降耗相關(guān)研究主要集中在優(yōu)化控制運(yùn)行、并聯(lián)運(yùn)行的多臺(tái)壓縮機(jī)負(fù)荷分配與輸氣管路匹配等方面。為保證壓縮機(jī)高效平穩(wěn)運(yùn)行，劉志新[2]提出了一種應(yīng)用于干氣提純裝置中往復(fù)式壓縮機(jī)的氣量調(diào)節(jié)控制方案。段志剛等[3]以中亞管道壓氣站為對(duì)象，提出了一種分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)化方案，對(duì)壓縮機(jī)的開(kāi)啟方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。李冠男[4]在氣缸溫度、冷卻器性能、氣體質(zhì)量、氣缸間隙和維護(hù)保養(yǎng)五個(gè)方面開(kāi)展節(jié)能降耗技術(shù)的研究與探索。煤層氣負(fù)壓集輸由負(fù)壓采氣和煤層氣井排水減壓結(jié)合發(fā)展而來(lái)，在促進(jìn)煤層氣解析的同時(shí)還能增大滲流生產(chǎn)的壓差，可提高煤層氣的產(chǎn)量[5]。高宇等[6]以成莊合作區(qū)塊為研究對(duì)象，對(duì)煤層氣開(kāi)采后期的氣井提出了負(fù)壓排采的建議。近年來(lái)，為降低所屬區(qū)塊的煤層氣井口背壓，以維持單井產(chǎn)氣量，各集氣站普遍維持原有壓縮機(jī)開(kāi)啟的數(shù)量或規(guī)模，造成煤層氣集輸系統(tǒng)能耗成本和煤層氣產(chǎn)量的持續(xù)矛盾。在國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略和中石油打造提質(zhì)增效升級(jí)版大背景下，如何在保持煤層氣穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的前提下，盡量降低單位煤層氣產(chǎn)量對(duì)應(yīng)的能量消耗[7]，尤其是提高能耗占比最高的壓縮機(jī)組能效，成為亟需解決的技術(shù)問(wèn)題。為此，通過(guò)壓縮機(jī)運(yùn)行現(xiàn)狀調(diào)研，提出了基于歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)的壓縮機(jī)能效提升方式，結(jié)合負(fù)壓集輸?shù)乃悸烽_(kāi)展了閥組-集氣站兩級(jí)增壓設(shè)計(jì)的可行性分析，為集氣站壓縮機(jī)節(jié)能降耗和集輸模式改進(jìn)提供參考。

1 煤層氣壓縮機(jī)運(yùn)行現(xiàn)狀調(diào)研

煤層氣田地面集輸系統(tǒng)采用井口-閥組-集氣站-處理中心的四級(jí)集輸方式[8]。多個(gè)井口產(chǎn)出的煤層氣匯至某座閥組，而多座閥組的氣體匯總到距離相近的一座集氣站，多個(gè)集輸站增壓處理后匯總至處理中心，進(jìn)一步增壓和凈化后，外輸至下游用戶。閥組一般不設(shè)置增壓設(shè)備，集氣站一般設(shè)有多臺(tái)往復(fù)活塞式壓縮機(jī)和螺桿式壓縮機(jī)，對(duì)工藝氣體從低于0.2 MPa增壓至約1.0 MPa。

華北油田山西煤層氣地面集輸系統(tǒng)主要涉及樊莊和鄭莊兩個(gè)區(qū)塊，共設(shè)有十余座集氣站。綜合考慮到運(yùn)行數(shù)據(jù)采集的完整性、能耗數(shù)據(jù)的可靠性，選取了樊三集氣站和鄭二集氣站作為調(diào)研對(duì)象，開(kāi)展壓縮機(jī)運(yùn)行情況數(shù)據(jù)采集與整理分析?，F(xiàn)場(chǎng)采集了2022 年1 月至6 月集氣站內(nèi)壓縮機(jī)運(yùn)行每日?qǐng)?bào)表、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)記錄和維護(hù)保養(yǎng)記錄等數(shù)據(jù)，并現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到特定工況下的往復(fù)式壓縮機(jī)一級(jí)和二級(jí)進(jìn)口溫度。兩座集氣站涉及的壓縮機(jī)型號(hào)及設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 兩座集氣站設(shè)置的壓縮機(jī)型號(hào)及設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Models and design parameters of compressors set in two gas gathering stations

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在集氣站面臨單井產(chǎn)氣量低、進(jìn)站壓力下降的工況下，各站普遍采用開(kāi)啟多臺(tái)壓縮機(jī)的方式來(lái)穩(wěn)定產(chǎn)量，即為了降低單臺(tái)壓縮機(jī)的進(jìn)口壓力、增大管道壓差，實(shí)現(xiàn)負(fù)壓集輸，但這種方式會(huì)使得壓縮機(jī)更加偏離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行、電耗增加。由于缺乏較成體系的技術(shù)方案，各集氣站很容易陷入追求產(chǎn)量而多開(kāi)壓縮機(jī)的誤區(qū)。

2 壓縮機(jī)能效提升方式分析

集氣站在運(yùn)行中最關(guān)心的兩個(gè)參數(shù)是進(jìn)站壓力和外輸量。進(jìn)站壓力與區(qū)塊產(chǎn)氣量直接關(guān)聯(lián)，進(jìn)站壓力降低將導(dǎo)致壓縮機(jī)進(jìn)口壓力下降，甚至觸發(fā)閾值警報(bào)。外輸量直接反應(yīng)集氣站所屬區(qū)塊的煤層氣產(chǎn)量，關(guān)乎企業(yè)經(jīng)濟(jì)利益。當(dāng)前各集氣站壓縮機(jī)的運(yùn)行工況已明顯偏離設(shè)定工況，在進(jìn)站壓力和外輸氣量均難以在短期內(nèi)提高的情況下，較低成本的提升集氣站能效方式是通過(guò)收集、分析集氣站的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，尋找集氣站在不同進(jìn)氣壓力和外輸量下對(duì)應(yīng)的電耗最低值，并將對(duì)應(yīng)時(shí)間段的壓縮機(jī)氣量分配和運(yùn)行策略作為指導(dǎo)集氣站后續(xù)壓縮機(jī)運(yùn)行的參考。分別以鄭二、樊三站的單臺(tái)DTY1000 型往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)行，以及樊三站的DTY1000 型與LGN40型往復(fù)機(jī)和螺桿機(jī)并聯(lián)運(yùn)行為例，從進(jìn)氣壓力和外輸氣量?jī)煞矫鎸?duì)壓縮機(jī)的實(shí)際運(yùn)行特性進(jìn)行分析。

2.1 單臺(tái)往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)行特性

采集鄭二集氣站2022年1月至5月每日的歷史數(shù)據(jù)點(diǎn)132個(gè)，繪制DTY1000型壓縮機(jī)組效率與進(jìn)氣壓力和外輸氣量的關(guān)系曲線（圖1）。由關(guān)系曲線發(fā)現(xiàn)，每日進(jìn)氣壓力和壓縮機(jī)進(jìn)氣量均在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，但進(jìn)氣壓力與效率之間沒(méi)有明顯的規(guī)律性，而外輸量與效率之間在忽略極少數(shù)離散點(diǎn)后存在一定的線性關(guān)系，可認(rèn)為外輸量是制約壓縮機(jī)做功和效率的關(guān)鍵參數(shù)。

圖1 單臺(tái)DTY1000型壓縮機(jī)的進(jìn)氣壓力、外輸量與效率的關(guān)系Fig.1 Relationship among inlet pressure，gas transmission rate and efficiency of a single DTY1000 compressor

在采集鄭二集氣站的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，又采集了樊三集氣站2022年5月至6月運(yùn)行單臺(tái)DTY1000型壓縮機(jī)的歷史數(shù)據(jù)點(diǎn)58 個(gè)，得到其電耗與進(jìn)氣壓力和外輸量的對(duì)應(yīng)關(guān)系（圖2）。進(jìn)氣壓力與電耗的散點(diǎn)在圖中分成兩部分，虛線上方的電耗隨著進(jìn)氣壓力的增加而呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；而下方的數(shù)據(jù)則表現(xiàn)為堆疊分布，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)記錄說(shuō)明，此時(shí)壓縮機(jī)開(kāi)啟了余隙容積調(diào)節(jié)裝置，由此調(diào)節(jié)了壓縮機(jī)實(shí)際進(jìn)氣量和對(duì)應(yīng)功率。相比于進(jìn)氣壓力，外輸氣量與電耗之間存在三次多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系，更便于壓縮機(jī)能效分析。

圖2 單臺(tái)DTY1000型壓縮機(jī)的進(jìn)氣壓力、外輸氣量與電耗的關(guān)系Fig.2 Relationship among inlet pressure，gas transmission rate and power consumption of a single DTY1000 compressor

2.2 往復(fù)式壓縮機(jī)與螺桿式壓縮機(jī)并聯(lián)運(yùn)行特性

由單臺(tái)DTY1000型壓縮機(jī)的運(yùn)行特性可知，外輸量與電耗之間具備明顯的多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系。對(duì)樊三站、鄭二站的單臺(tái)DTY1000 型壓縮機(jī)，樊三站DTY1000型往復(fù)式壓縮機(jī)與LGN40型螺桿式壓縮機(jī)并聯(lián)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到的數(shù)據(jù)如圖3所示。

由圖3可知，不同的外輸量下電耗具有明顯不同的區(qū)間分布，其中兩種數(shù)據(jù)點(diǎn)重合區(qū)域?qū)瘹庹緝?nèi)壓縮機(jī)分配具有指導(dǎo)意義。為確定最優(yōu)外輸量區(qū)間，將圖3 中的數(shù)據(jù)散點(diǎn)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得到DTY1000 與DTY1000+LGN40 組合的外輸量-電耗擬合曲線，分別滿足三次和二次多項(xiàng)式關(guān)系。將DTY1000+LGN40 組合擬合曲線進(jìn)行擴(kuò)展，在圖3的右上方得到與DTY1000 擬合曲線的一個(gè)交點(diǎn)，根據(jù)兩條曲線的方程關(guān)系式，可以得到DTY1000+LGN40 組合的節(jié)能區(qū)間的外輸量在114 000～153 000 m3/d 之間。當(dāng)集氣站的外輸量在此區(qū)間范圍內(nèi)，開(kāi)啟DTY1000+LGN40 組合要比運(yùn)行單臺(tái)DTY1000往復(fù)機(jī)的電耗更低。

圖3 單臺(tái)DTY1000型壓縮機(jī)、DTY1000型+LGN40型壓縮機(jī)并聯(lián)運(yùn)行得到的外輸量-電耗關(guān)系曲線Fig.3 Relationship curve of gas transmission rate and power consumption obtained by single DTY1000 compressor and parallel operation of DTY1000+LGN40 compressors

2.3 集氣站壓縮機(jī)運(yùn)行策略

2022 年3 月上旬，鄭二集氣站的外輸氣量在12×104～15×104m3/d 范圍內(nèi)波動(dòng)，在該處理氣量范圍內(nèi)單獨(dú)運(yùn)行DTY1000 與開(kāi)啟DTY1000+LGN40組合的具體電耗對(duì)比如表2所示。相較于歷史數(shù)據(jù)中單臺(tái)DTY1000 壓縮機(jī)的運(yùn)行方式，在一定外輸氣量范圍內(nèi)，采用DTY1000+LGN40 壓縮機(jī)組合方式可節(jié)電約3%～18%，平均每天節(jié)約電耗1 754 kWh。

表2 鄭二集氣站不同壓縮機(jī)組合的電耗對(duì)比Tab.2 Comparison of power consumption of different compressor combinations in Zheng-2 Gas Gathering Station

上述分析說(shuō)明，歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)的挖掘分析以確定壓縮機(jī)的運(yùn)行策略，適用于當(dāng)前站場(chǎng)壓縮機(jī)氣量分配，也可為后續(xù)新建集氣站的壓縮機(jī)組選型提供參考。然而，壓縮機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行工況仍然偏離設(shè)計(jì)工況，壓縮機(jī)能耗大、維護(hù)保養(yǎng)成本高的問(wèn)題并未從根本上解決。此外，隨著煤層氣持續(xù)開(kāi)采，現(xiàn)有集氣站所屬區(qū)塊已進(jìn)入產(chǎn)能平穩(wěn)期乃至后期，煤層氣井口壓力降低、產(chǎn)氣量下降的現(xiàn)狀與煤層氣集輸系統(tǒng)降本增效的矛盾也將日益突出。

3 能效提升方式分析

3.1 兩級(jí)增壓方式設(shè)計(jì)思路

為有效解決上述問(wèn)題，提出了在閥組處布置增壓設(shè)備的閥組-集氣站兩級(jí)增壓集輸模式。在閥組設(shè)置增壓設(shè)備，可顯著提升閥組至集氣站管段的煤層氣壓力，不僅降低了閥組至集氣站管線的沿程阻力損失，并且使集氣站壓縮機(jī)的實(shí)際進(jìn)氣壓力更接近設(shè)計(jì)工況，進(jìn)而提高壓縮機(jī)效率。此外，閥組處增壓設(shè)備可及時(shí)引出煤層氣井口的氣體，通過(guò)降低井口背壓增加或穩(wěn)定煤層氣井的產(chǎn)量。兩級(jí)增壓集輸模式雖然會(huì)因?yàn)橥度朐鰤涸O(shè)備而增加采購(gòu)成本和閥組能耗，但可以實(shí)現(xiàn)站內(nèi)壓縮機(jī)組在設(shè)計(jì)條件下運(yùn)行，降低站內(nèi)壓縮機(jī)的電耗成本，以及降低閥組至集氣站管線的沿程阻力損失。在合理設(shè)計(jì)壓比的前提下，可降低集輸系統(tǒng)整體能耗，進(jìn)而緩解煤層氣產(chǎn)氣量與集輸系統(tǒng)能耗的矛盾。

3.2 兩級(jí)增壓方式可行性分析

鄭二集氣站的進(jìn)站匯管共連接ZF02-04、ZF02-05、ZF02-06、ZF02-10 和1#大井組等5 條供氣管線。下面以鄭二集氣站ZF02-04閥組管線為例進(jìn)行兩級(jí)增壓模式的可行性分析，其管線模型如圖4所示，管線參數(shù)如表3所示。

圖4 鄭二集氣站ZF02-04閥組管線模型Fig.4 Pipeline model of ZF02-04 valve group in Zheng-2 Gas Gathering Station

表3 鄭二集氣站ZF02-04閥組管線參數(shù)Tab.3 Pipeline parameters of ZF02-04 valve group in Zheng-2 Gas Gathering Station

采用流程模擬軟件對(duì)圖4中的閥組管線進(jìn)行建模[9]，并輸入表3 中的數(shù)據(jù)，分別對(duì)常規(guī)集輸模式和閥組兩級(jí)增壓集輸模式進(jìn)行對(duì)比分析。模擬過(guò)程的參數(shù)設(shè)置如下：環(huán)境溫度為25 ℃，單井至閥組距離為5 km，管道傳熱系數(shù)為45 W/(m2·K)，管壁粗糙度為4.572×10-5m。對(duì)于常規(guī)集輸模式，集氣站進(jìn)站壓力是0.01 MPa，閥組至集氣站的管道壓降為0.019 MPa；閥組-集氣站兩級(jí)增壓模式中，閥組增壓至0.05 MPa，集氣站進(jìn)站壓力是0.036 MPa，閥組至集氣站管線壓降是0.014 MPa。

兩種模式每小時(shí)電耗模擬計(jì)算結(jié)果如下：常規(guī)集輸模式下DTY1000壓縮機(jī)耗電174 kWh，而兩級(jí)增壓集輸模式下DTY1000壓縮機(jī)耗電145 kWh、閥組增壓裝置耗電15 kWh。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，鄭二集氣站ZF02-04 閥組每小時(shí)將節(jié)省電耗14 kWh 左右?；谠摂?shù)據(jù)對(duì)鄭二集氣站的閥組數(shù)量、輸氣量和壓力進(jìn)行換算，采用兩級(jí)增壓模式時(shí)，該站每小時(shí)節(jié)電約為35kWh，一年將節(jié)省電耗約3.07×105kWh。

壓縮機(jī)的進(jìn)氣溫度是決定機(jī)組工作狀態(tài)的重要參數(shù)，溫度改變將引起多變指數(shù)發(fā)生變化，進(jìn)而影響壓縮機(jī)的性能參數(shù)[10]。采用兩級(jí)增壓集輸模式，閥組增壓設(shè)備出口的高溫氣體會(huì)通過(guò)管壁換熱散失到環(huán)境當(dāng)中，兩種集輸模式的集氣站進(jìn)站溫度一致，能夠相對(duì)降低集氣站壓縮機(jī)組的能耗。此外，閥組增壓裝置具有對(duì)煤層氣的升溫作用，可改善煤層氣在集輸管道內(nèi)的水分凝析以及由此造成的冬季結(jié)冰問(wèn)題。

4 結(jié)論

（1）在當(dāng)前單井產(chǎn)氣量下降、壓縮機(jī)運(yùn)行偏離設(shè)計(jì)工況的背景下，集氣站不宜采用多開(kāi)壓縮機(jī)來(lái)穩(wěn)定產(chǎn)量，需結(jié)合集氣站所屬區(qū)塊產(chǎn)氣量和不同壓縮機(jī)設(shè)計(jì)處理氣量，實(shí)施更為合理的負(fù)荷分配方案。

（2）基于歷史數(shù)據(jù)獲得了單臺(tái)往復(fù)式壓縮機(jī)以及往復(fù)式壓縮機(jī)與螺桿式壓縮機(jī)并聯(lián)的特性曲線，得出了基于外輸氣量確定最優(yōu)節(jié)能區(qū)間的實(shí)施方案，案例分析證明其節(jié)能效果明顯，可基于此制定集氣站的壓縮機(jī)組啟停和負(fù)荷分配方案。

（3）提出了閥組-集氣站兩級(jí)增壓集輸模式，通過(guò)集氣站案例分析，驗(yàn)證了該集輸模式在提高集輸系統(tǒng)壓縮機(jī)能效的同時(shí)，可降低集輸管線的阻力損失和游離水沉積風(fēng)險(xiǎn)。