氣田用天然氣壓縮機節能監測評價方法的研究與應用

毛青霞

中國石化中原油田分公司技術監測中心 （河南 濮陽 457001）

氣田用天然氣壓縮機節能監測評價方法的研究與應用

毛青霞

中國石化中原油田分公司技術監測中心 （河南 濮陽 457001）

隨著氣田生產規模的不斷擴大，其能耗問題和節能管理備受關注。壓縮機作為氣田生產系統的主要用能設備之一，因缺少相應的節能監測評價標準而制約了壓縮機節能潛力的挖掘和節能工作的開展。《氣田生產系統節能監測規范》運用能量平衡原理，采用黑匣子方法，研究氣田壓縮機的耗能方式及其影響因素，分析不同因素對能耗的影響規律，總結出科學合理的評價方法，制定相應的標準。通過驗證，該標準中提出的氣田壓縮機測試評價方法，能夠滿足不同類型氣田壓縮機能耗測試與評價的需求。

氣田壓縮機；節能監測；評價方法

壓縮機是氣田生產系統的主要用能設備之一，隨著我國氣田生產規模的不斷擴大，其能耗問題和節能管理備受關注。因此通過節能監測，對其能耗狀況進行分析評價，依據分析評價結果采取相應的節能技術措施，有利于氣田生產過程節能降耗和節能管理水平的提高。

1 評價方法研究技術思路

運用能量平衡原理，采用黑匣子方法，分析穩定運行的能耗設備，得到能量進出平衡關系，確定有用能與損耗。研究設備的耗能方式及其影響因素，確定對應評價項目，分析不同因素對設備能耗的影響規律，評估對評價項目的影響程度，總結出科學合理的評價方法，為用能改造提供方向和依據。

2 氣田壓縮機節能監測評價方法

2.1 評價項目的確定

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

評價項目的確定原則：①能反映設備正常生產運行時的綜合能源利用狀況；②參照現有相關標準的有關評價項目，包括設備產品標準中與用能有關的性能參數，能效標準、相關節能與經濟運行標準中的評價項目；③評價項目易于測試或計算。

2.2 氣田壓縮機機組效率的理論分析

按驅動機分類，氣田壓縮機分為燃氣驅動壓縮機和電驅壓縮機。由于電動機驅動的壓縮機數量較少，因此以燃氣驅動的氣田壓縮機組作為主要分析對象[1-5]。

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

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

電動機驅動時：

式中：Pr為電動機輸入功率，kW。

燃氣輪機或燃氣發動機驅動時：

式中：Qnet.v.ar為低位標準狀態下發熱量，kJ/m3；B為燃氣量，m3/h。

壓縮機有效功率Hp：

式中：Hpi為第i級壓縮機有效功率，kW。

第i級壓縮機有效功率Hpi：

式中：ρk為標準狀態下空氣的密度，kg/m3，取1.293；SG為天然氣相對密度；QV為標準狀態下壓縮機排出口天然氣流量，m3/h；Hdi為第i級壓縮機多變能量頭，kJ/kg。

2.3 評價分類因子的確定

依據理論分析可以確定影響氣田壓縮機的因素有：驅動類型、輸入功率、壓力比、實際壓縮介質流量、額定排量、壓縮因子、多變指數、壓縮比。

根據測試實踐，影響氣田壓縮機組運行指標的客觀因素主要有：驅動類型 （燃氣驅動、電動機驅動）、機型大小（驅動機額定排量）、壓縮級數、壓縮比等，采用簡單統計分析的方法對各因素進行分析。

2.3.1 驅動類型與機組效率

從理論分析，電動機的運行效率一般在90%以上，而燃氣機的運行效率一般遠低于電動機，因此機組的效率也應存在顯著的差異。

通過對48臺壓縮機機組的測試效率統計，5臺電動機驅動壓縮機機組效率平均為61.7%，最小49.1%，最大69.7%；43臺燃氣驅動壓縮機機組效率平均為19.9%，最小8.8%，最大32.5%。顯然，電動機驅動的壓縮機與燃氣驅動的壓縮機的機組效率存在明顯的差異。因此評價時應將驅動類型作為分類因子。

2.3.2 額定排量與機組效率

對31臺測試的一級壓縮機組按不同額定排量統計機組效率，數據統計見表1。

表1 額定排量與機組效率數據統計表（一級壓縮）

對9臺測試的二級壓縮機組按不同額定排量統計機組效率，數據統計見表2。

表2 額定排量與機組效率數據統計表（二級壓縮）

通過不同壓縮級別的壓縮機數據統計分析，可得出以下結論：壓縮機組效率與驅動機額定排量存在顯著的相關性。因此評價時應將額定排量作為分類因子。

2.3.3 壓縮級數與機組效率

考慮到分析的對象數量較少，無法統計到相同功率、相同壓縮比的壓縮機組測試數據，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機組效率與額定功率的關系數據統計見表3。

表3 壓縮比與機組效率數據統計表

從表3可以看出，壓縮機機組效率與壓縮級數的關系并不顯著。因此評價時不需要將壓縮級數作為分類因子。

從統計分析的結果可以看出，影響壓縮機組效率的主要因素為驅動類型和壓縮機額定排量。

2.4 評價指標的確定

根據上述分析，影響壓縮機機組效率的主要客觀因素是驅動機類型和額定排量。由于壓縮機數量較少，采用統計與理論計算結合的方法確定評價指標。

2.4.1 統計分析方法

將額定排量相近的歸為一類，根據中國石化氣田應用壓縮機現狀調研，確定分類區間為：≤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。 統計各區間的燃氣壓縮機組測試數據見表4。其中10 000～15 000 m3/h區間的測試數據只有9個，采用插值法補充。如按70%合格為限定值，30%合格為節能評價值，并合理取整后確定評價指標。

另外，15 000～20 000 m3/h、＞20 000 m3/h 區間數據太少，采用外延法確定評價指標，見表5。

表4 燃氣壓縮機機組效率統計表

表5 統計分析方法下的燃氣驅動壓縮機機組效率指標

2.4.2 回歸分析方法

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

式中：y為壓縮機機組效率，%；x1為輸入功率，kW；x2為壓縮比；x3為標準狀態下實際壓縮介質流量，m3/h；x4為額定排量，m3/h；x5為壓縮因子；x6為多變指數；ε為隨機誤差。

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

由圖1可以看出，擬合的公式相關性比較顯著，準確度較高，回歸所得的擬合公式可用。機組效率回歸公式如下：

圖1 不同額定排量的壓縮機機組效率測試值與計算值散點圖

對各影響因素進行敏感性分析，結果見表6。為得到壓縮機機組效率的評價值，分別計算壓縮機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間各百分比所對應的公式。各影響因素不同取值位置時壓縮機機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 這兩區間的壓縮機的評價值。這兩個區間氣田壓縮機合格率從20%到80%所對應的機組效率評價值，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的壓縮機進行分析，最終回歸分析方法確定評價指標，見表8。

2.4.3 評價指標的確定結論

圖2 不同取值位置對應的機組效率與實際排量的關系式

綜上所述，利用統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間兩端數值的經驗取值與理論結果的不同而導致的。因此綜合二者，最終得出燃氣驅動的氣田壓縮機機組效率的限定值、節能評價值，見表9。

表7 壓縮機組對應的機組效率評價值

表8 回歸分析方法的燃氣驅動壓縮機機組效率指標

表9 燃氣驅動壓縮機機組效率指標

3 現場應用

氣田壓縮機節能監測評價方法研究制定以后，先后在中國石化主要氣田現場應用壓縮機39臺次，其中達到節能評價值的16臺，占測試總數的41.0%；達到限定值的29臺，占測試總數的74.4%[9]。

1）西北油田分公司雅克拉氣田測試壓縮機8臺，采用以上評價指標評價壓縮機組效率，達到節能評價值的3臺，占測試總數的37.5%；達到限定值的6臺，占測試總數的75%。

2）西南油氣分公司新場氣田測試壓縮機10臺，采用以上評價指標評價壓縮機組效率，達到節能評價值的4臺，占測試總數的40%；達到限定值的7臺，占測試總數的70%。

3）東北油氣分公司松南氣田測試壓縮機3臺，采用以上評價指標評價壓縮機組效率，達到節能評價值的1臺，占測試總數的33.3%；達到限定值的3臺，占測試總數的100%。

4）中原油田分公司普光氣田測試壓縮機18臺，采用以上評價指標評價壓縮機組效率，達到節能評價值的8臺，占測試總數的44.4%；達到限定值的13臺，占測試總數的72.2%。

通過驗證，研究確定的節能評價方法和評價指標能夠滿足不同類型、不同開發階段氣田壓縮機的節能測試評價需要。

4 結論與認識

1）在對氣田主要能耗單元與設備調研統計分析的基礎上，利用聚類分析、灰色關聯分析、回歸分析等統計分析方法，研究提出了氣田壓縮機的節能監測評價項目和評價指標，通過在普光、雅克拉、松南、新場等氣田的應用表明，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節能監測評價方法通過現場測試與實驗分析，適合氣田壓縮機的運行需求，可為氣田壓縮機節能潛力的挖掘提供可靠的理論基礎和數據依據。

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[9]陳志軍,李 健,張艷俠,等.天然氣壓縮機在靖邊氣田的應用[J].石油礦場機械,2009,38(9):77-80.

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.

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毛青霞（1986-），女，工程師，現主要從事節能監測、能源審計、溫室氣體盤查、節能標準編制等方面的工作。

崔 杰

2017-10-30