蘭海濤 趙玥穎 姚岸林 邱海濤 賀三

（1.青海油田鉆采工藝研究院；2.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院）

S 氣田歷經(jīng)30 余年開發(fā)運(yùn)行，目前已進(jìn)入開發(fā)中后期，集氣站內(nèi)壓縮機(jī)組的生產(chǎn)運(yùn)行工況嚴(yán)重偏離原系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力，出現(xiàn)實(shí)際運(yùn)行效率低、能耗高的問題。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[1]。通過對(duì)油田用天然氣壓縮機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)及能效現(xiàn)狀分析，發(fā)現(xiàn)影響天然氣壓縮機(jī)組運(yùn)行效率的因素，找出天然氣壓縮機(jī)組本身及運(yùn)行中存在的問題，并提出壓縮機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化措施，對(duì)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、節(jié)約能源都具有重要意義。

1 運(yùn)行現(xiàn)狀

S 氣田地勢(shì)較為平坦，氣井分布集中，已經(jīng)建成了各類集氣站15 座，氣田均采用“兩套管網(wǎng)集氣、站內(nèi)加熱、節(jié)流、常溫分離、集中增壓、集中脫水”的總體集輸方式[2]。單井來氣在各小站經(jīng)過常溫分離后，匯集至集氣總站進(jìn)行二次脫水外輸。集氣站一般設(shè)有多臺(tái)電驅(qū)往復(fù)活塞式壓縮機(jī)組，且不設(shè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制流量。隨著氣田開發(fā)的進(jìn)行，氣田出水逐年加劇[3-4]。從處理工藝方面分析，來氣首先進(jìn)入入口分離，再通過壓縮機(jī)組進(jìn)行增壓。夏季，通過冷卻器對(duì)來氣進(jìn)行冷卻，然后通過出口分離設(shè)備進(jìn)行分離處理[5]。

S 氣田天然氣壓縮機(jī)機(jī)組大部分分布于5 號(hào)集氣總站，9 號(hào)站和15 號(hào)站，約32 臺(tái)電驅(qū)往復(fù)式壓縮機(jī)[6-7]。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5 號(hào)總站、9 號(hào)站和15 號(hào)站作為研究對(duì)象，現(xiàn)場(chǎng)采集了2022 年7 月至2023 年2 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)出口溫度。三座集氣站涉及的壓縮機(jī)型號(hào)有 DTY1600、 DTY1250、DTY2500、DTY630、DTY1800 和DTY1120。為掌握壓縮機(jī)真實(shí)能效水平，進(jìn)行壓縮機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)收集，根據(jù)SY/T 6637—2018《天然氣管道輸送管道系統(tǒng)能耗測(cè)試和計(jì)算方法》 和SY/T 7319—2016《氣田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能檢測(cè)規(guī)范》對(duì)S 氣田壓縮機(jī)組進(jìn)行能效監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)，各站壓縮機(jī)組能效水平如下：共測(cè)試S 氣田電驅(qū)壓縮機(jī)合計(jì)32 臺(tái)，機(jī)組效率平均為59.07%，合格率為62.5%。其中不合格的有12臺(tái)，合格的有20 臺(tái)，機(jī)組效率達(dá)到節(jié)能評(píng)價(jià)值的有16 臺(tái)， 最高效率為83.94% ， 最低效率為20.30%，機(jī)組能效差異大。

2 特性分析

在運(yùn)行過程中，集氣站最關(guān)注的兩個(gè)參數(shù)是進(jìn)站壓力和外輸量。進(jìn)站壓力和區(qū)塊產(chǎn)氣量直接相關(guān)，當(dāng)進(jìn)站壓力降低時(shí)，壓縮機(jī)進(jìn)口壓力也會(huì)降低，甚至可能觸發(fā)閾值警報(bào)。外輸量則是反映集氣站所屬區(qū)塊的天然氣產(chǎn)量，對(duì)企業(yè)經(jīng)濟(jì)利益至關(guān)重要。目前，各站壓縮機(jī)的運(yùn)行狀況已明顯的偏離設(shè)定工況，幾乎無法在短期內(nèi)提高進(jìn)站壓力和外輸氣量。因此，通過收集、分析集氣站的歷史運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)來尋找壓縮機(jī)組能效高、能耗低的時(shí)段原因，以得出相應(yīng)時(shí)間段的壓縮機(jī)氣量分配和運(yùn)行策略，是提升各集氣站能效的較低成本方式。

2.1 能效影響因素分析

通過HYSYS 軟件模擬，建立多臺(tái)壓縮機(jī)組并聯(lián)增壓模型。對(duì)S 氣田3 個(gè)站的多組生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)論：在保證其他參數(shù)一致的情況下，壓縮機(jī)日耗電量與排氣壓力近似呈線性關(guān)系，日耗電量隨著排氣壓力的增大而增大；與進(jìn)氣壓力近似呈線性關(guān)系，進(jìn)氣壓力越高，日耗電量越??；隨進(jìn)氣溫度的增大而增大；與處理量近似呈線性關(guān)系，處理量越大，日耗電量越大。

2.2 最低排氣壓力分析

S 氣田各增壓站為多臺(tái)壓縮機(jī)并聯(lián)增壓，天然氣從匯管進(jìn)入多臺(tái)并聯(lián)使用的壓縮機(jī)時(shí)，流量隨機(jī)分配，每臺(tái)壓縮機(jī)的處理量不同，大部分氣體進(jìn)入了離匯管入口近的壓縮機(jī)組，導(dǎo)致個(gè)別壓縮機(jī)組進(jìn)氣量很小，偏離了高效工作區(qū)，通過打回流的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)造成能耗較高。

分析發(fā)現(xiàn)，9 號(hào)站、5 號(hào)站均存在外輸壓力偏高的情況。以9 號(hào)站為例，部分出站壓力達(dá)到了3.63 MPa，當(dāng)出口壓力為3.03 MPa，也能滿足外輸?shù)膲毫π枨?。根?jù)管道內(nèi)天然氣流量和管道出口壓力，通過Pipeline Studio 軟件模擬，模擬9 號(hào)增壓站至下站首站的壓力變化情況，計(jì)算管道最低進(jìn)口壓力。9 號(hào)增壓站至下站首站管道流量與進(jìn)口壓力關(guān)系見圖1。

圖1 9 號(hào)增壓站至下站首站管道流量與進(jìn)口壓力關(guān)系Fig.1 The relationship between pipeline flow rate and inlet pressure from booster station of No.9 to the initial station of the next station

當(dāng)壓縮機(jī)排氣壓力設(shè)定為3.03 MPa，9 號(hào)站至下站首戰(zhàn)管道流量與進(jìn)口壓力擬合公式見式（1）：

式中：P為管道進(jìn)口壓力，MPa；Q為管道流量，104m3/d。

根據(jù)擬合公式（1），發(fā)現(xiàn)天然氣通過9 號(hào)站往復(fù)式壓縮機(jī)增壓后的出站壓力往往是大于管道所需要的進(jìn)口壓力。在實(shí)際運(yùn)行中，9 號(hào)站壓縮機(jī)排氣壓力高于天然氣外輸壓力0.30～0.55 MPa，根據(jù)Pipeline Studio 模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)實(shí)際所耗壓僅為0.13 MPa；5 號(hào)站壓縮機(jī)排氣壓力高于天然氣外輸壓力0.10～0.25 MPa，而實(shí)際所耗壓僅為0.03 MPa；因此，在今后的運(yùn)行過程中，在滿足外輸?shù)淖畹托枨笙?，?yīng)盡可能降低壓縮機(jī)的排氣壓力。

3 提效節(jié)能方案

往復(fù)活塞壓縮機(jī)應(yīng)用廣泛，是生產(chǎn)企業(yè)的高耗能設(shè)備之一，其在許多應(yīng)用場(chǎng)合存在容積利用率低、能量浪費(fèi)大的情況，有效推進(jìn)往復(fù)活塞壓縮機(jī)的節(jié)能改造具有十分重要的意義，常用氣量調(diào)節(jié)方式有：電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制流量[8]；余隙無級(jí)調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)；進(jìn)氣閥無級(jí)調(diào)節(jié)技術(shù)[9]；高壓變頻改造。同時(shí)需要調(diào)整吸入壓力、降低壓縮機(jī)段間壓降、綜合優(yōu)化管路布局或采取預(yù)熱回收的方法，以降低能耗、維護(hù)成本和壓損[10-11]。

3.1 集氣站壓縮機(jī)組開機(jī)策略

以15 號(hào)站為例，15 號(hào)增壓站為5 臺(tái)壓縮機(jī)組（1 臺(tái)DTY1250 與4 臺(tái)DTY1800） 并聯(lián)增壓，根據(jù)2022 年7—12 月壓縮機(jī)組運(yùn)行報(bào)表，臺(tái)南15 號(hào)站日處理量范圍為309×104～471×104Nm3，在該處理氣量范圍內(nèi)五臺(tái)壓縮機(jī)組全開與運(yùn)行1 臺(tái)DTY1250+3臺(tái)DTY1800 組合的進(jìn)氣量調(diào)節(jié)前后壓縮機(jī)組日耗電量對(duì)比見表1。改造前壓縮機(jī)組日耗電量129 367.44 kWh；改造后日耗電量為100 800 kWh。相較于歷史數(shù)據(jù)中5 臺(tái)壓縮機(jī)組全開的運(yùn)行方式，在一定外輸氣量范圍內(nèi)，采用1 臺(tái)DTY1000+3 臺(tái)DTY1800 壓縮機(jī)組合方式可節(jié)電約15%～22%，平均每天節(jié)約電耗為28 567 kWh。壓縮機(jī)組開機(jī)策略也同樣適用與5 號(hào)站、9 號(hào)站。

表1 進(jìn)氣量調(diào)節(jié)前后壓縮機(jī)組日耗電量對(duì)比Tab.1 Comparison of daily power consumption of compressor units before and after air intake regulation

從表1 中可得，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。但是壓縮機(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)成本高的問題并未從根本上解決。此外現(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，氣井口壓力降低、產(chǎn)氣量下降的現(xiàn)狀與天然氣集輸系統(tǒng)降本增效的矛盾也將日益突出。

3.2 單雙作用調(diào)節(jié)

以9 號(hào)站為例，三期新增2 臺(tái)集氣增壓機(jī)組（DTY2500），導(dǎo)致一期及二期壓縮機(jī)組進(jìn)氣量變小，使得壓縮機(jī)組效率處于不合理水平?，F(xiàn)階段壓縮機(jī)組設(shè)計(jì)排氣量完全不滿足工藝生產(chǎn)的要求，經(jīng)常出現(xiàn)實(shí)際處理量遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)工況的現(xiàn)象。由于處理量過低，不可避免的導(dǎo)致了進(jìn)氣壓力的降低，所以通常采用回流調(diào)節(jié)，維持進(jìn)氣壓力不低于最低值。

當(dāng)實(shí)際處理量小于或者等于設(shè)計(jì)排量的二分之一時(shí)，將壓縮機(jī)組氣缸的雙作用變?yōu)閱巫饔茫詽M足實(shí)際工況和節(jié)能要求。方案改造前后日能耗對(duì)比見表2。

表2 方案改造前后日能耗對(duì)比Tab.2 Comparison of daily energy consumption before and after scheme transformation

對(duì)壓縮機(jī)組單雙缸進(jìn)行改造后，會(huì)出現(xiàn)明顯的能耗降低，達(dá)到良好的節(jié)能效果。但是當(dāng)實(shí)際處理量遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)排量的二分之一時(shí)，這種方法就不適用。長(zhǎng)時(shí)間的單缸運(yùn)行將會(huì)加劇壓縮機(jī)組內(nèi)部受力不均，從而引發(fā)各種故障，需要對(duì)壓縮機(jī)組活塞、十字頭等組件進(jìn)行密切檢測(cè)，以防止壓縮機(jī)組事故。

3.3 高壓變頻改造

當(dāng)壓縮機(jī)無法根據(jù)實(shí)際情況改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，不能對(duì)處理量的變化做出及時(shí)的調(diào)整，可以適用高壓變頻改造。以5 號(hào)站為例，通過高壓變頻節(jié)能改造，可使得單臺(tái)壓縮機(jī)組輸量在實(shí)際輸量之間穩(wěn)定運(yùn)行，既實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣量與出氣量的工藝平衡，又實(shí)現(xiàn)節(jié)能節(jié)電的經(jīng)濟(jì)效益。

結(jié)合Pipeline Studio 軟件進(jìn)行壓力模擬，確定改造后壓縮機(jī)的排氣壓力公式。通過高壓變頻改造，可以對(duì)排氣壓力進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定值可在滿足外輸壓力的同時(shí)，盡可能降低能耗。調(diào)節(jié)排氣壓力后，壓縮機(jī)組日耗電量對(duì)比見表3。排氣壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)前，日節(jié)電量為3 091 kWh；排氣壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)后，日節(jié)電量均值達(dá)到了3 371 kWh，對(duì)排氣壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)后可以達(dá)到更好的節(jié)能效果。

表3 調(diào)節(jié)排氣壓力后壓縮機(jī)組日耗電量對(duì)比Tab.3 Comparison of daily power consumption of compressor units after adjusting

3.4 更換小排量壓縮機(jī)組

當(dāng)區(qū)塊產(chǎn)氣量逐年降低，實(shí)際工況偏離設(shè)計(jì)工況較多的情況下，可以考慮增加小排量壓縮機(jī)與大排量壓縮機(jī)選擇性運(yùn)行。以15 號(hào)站為例，2022 年9—12 月15 號(hào)站1#壓縮機(jī)組處理量范圍為35×104～42×104m3/d，大部分在35×104～38×104m3/d。1#壓縮機(jī)組的額定排氣量為72×104m3/d，實(shí)際工況偏離設(shè)計(jì)工況較多。所以對(duì)15 號(hào)集氣站再增加一臺(tái)小排量的壓縮機(jī)組，滿足生產(chǎn)要求的同時(shí)達(dá)到節(jié)能減排的目的。設(shè)計(jì)一臺(tái)小排量的壓縮機(jī)組，當(dāng)1#壓縮機(jī)組需要處理的天然氣在小于50×104m3/d 時(shí)，開啟小排量壓縮機(jī)組代替DTY1250 進(jìn)行工作。小排量壓縮機(jī)組設(shè)計(jì)工況見表4。

表4 小排量壓縮機(jī)組壓縮機(jī)組設(shè)計(jì)工況Tab.4 Design conditions of small displacement compressor unit

如果使用小排量壓縮機(jī)組后，進(jìn)排氣壓力仍然保持生產(chǎn)數(shù)據(jù)不變，改造前后每天壓縮機(jī)組日耗電量及效率對(duì)比見表5。

表5 更換小排量壓縮機(jī)組前后日耗電量及效率對(duì)比Tab.5 Comparison of daily power consumption and efficiency before and after replacing a small displacement compressor unit

根據(jù)方案前后能耗對(duì)比，當(dāng)處理量低于50×104m3/d，外加1 臺(tái)小排量的壓縮機(jī)組與高壓變頻調(diào)節(jié)相比，都可以適應(yīng)生產(chǎn)需求，節(jié)能效果理想。

4 節(jié)能分析

通過對(duì)壓縮機(jī)組的能耗數(shù)據(jù)與運(yùn)行工況進(jìn)行分析，結(jié)合各機(jī)組與管網(wǎng)的配置情況，對(duì)各壓縮機(jī)組的能耗與節(jié)能方案研究結(jié)果見表6。各方案均可以有效提升系統(tǒng)能效，減少能耗，其中節(jié)能效果最好的方案為更換小排量壓縮機(jī)組，節(jié)能率最高可達(dá)53.35%，平均效率提升比例為55.44%，平均節(jié)能率為29.77%。

5 結(jié)論

1）通過對(duì)壓縮機(jī)組的能耗數(shù)據(jù)與運(yùn)行工況進(jìn)行分析，結(jié)合各機(jī)組與管網(wǎng)的配置情況，提出節(jié)能方案。通過HYSYS 和Pipeline Studio 軟件模擬得到方案改造后的節(jié)能效果，結(jié)果表明采用壓縮機(jī)組開關(guān)機(jī)策略、單雙調(diào)節(jié)改造、高壓變頻改造和更換小排量壓縮機(jī)組四種措施均可以有效的提高壓縮機(jī)組能效，降低能耗的。

2）發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)日耗電量與排氣壓力、進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣溫度近似呈線性關(guān)系，日耗電量隨著排氣壓力和進(jìn)氣溫度的增大而增大，隨進(jìn)氣壓力的增大而減小。解決了S 氣田壓縮機(jī)組能耗高、效率低的現(xiàn)狀，改造后機(jī)組效率平均提升55.44%，節(jié)能率為29.77%。