S 氣田天然氣壓縮機組能效提升技術研究

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.西南石油大學石油與天然氣工程學院）

S 氣田歷經30 余年開發運行，目前已進入開發中后期，集氣站內壓縮機組的生產運行工況嚴重偏離原系統設計壓力，出現實際運行效率低、能耗高的問題。目前，壓縮機節能降耗相關研究主要集中在優化控制運行、并聯運行的多臺壓縮機負荷分配與輸氣管路匹配等方面[1]。通過對油田用天然氣壓縮機運行數據及能效現狀分析，發現影響天然氣壓縮機組運行效率的因素，找出天然氣壓縮機組本身及運行中存在的問題，并提出壓縮機組運行優化措施，對安全、經濟運行、節約能源都具有重要意義。

1 運行現狀

S 氣田地勢較為平坦，氣井分布集中，已經建成了各類集氣站15 座，氣田均采用“兩套管網集氣、站內加熱、節流、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過常溫分離后，匯集至集氣總站進行二次脫水外輸。集氣站一般設有多臺電驅往復活塞式壓縮機組，且不設電動調節閥控制流量。隨著氣田開發的進行，氣田出水逐年加劇[3-4]。從處理工藝方面分析，來氣首先進入入口分離，再通過壓縮機組進行增壓。夏季，通過冷卻器對來氣進行冷卻，然后通過出口分離設備進行分離處理[5]。

S 氣田天然氣壓縮機機組大部分分布于5 號集氣總站，9 號站和15 號站，約32 臺電驅往復式壓縮機[6-7]。綜合考慮到運行數據采集的完整性、能耗數據的可靠性，選取了5 號總站、9 號站和15 號站作為研究對象，現場采集了2022 年7 月至2023 年2 月集氣站內壓縮機運行每日報表、設備運轉記錄和維護保養記錄等數據，并現場測試得到特定工況下的往復式壓縮機一級和二級進出口溫度。三座集氣站涉及的壓縮機型號有 DTY1600、 DTY1250、DTY2500、DTY630、DTY1800 和DTY1120。為掌握壓縮機真實能效水平，進行壓縮機組運行數據收集，根據SY/T 6637—2018《天然氣管道輸送管道系統能耗測試和計算方法》 和SY/T 7319—2016《氣田生產系統節能檢測規范》對S 氣田壓縮機組進行能效監測評價，各站壓縮機組能效水平如下：共測試S 氣田電驅壓縮機合計32 臺，機組效率平均為59.07%，合格率為62.5%。其中不合格的有12臺，合格的有20 臺，機組效率達到節能評價值的有16 臺， 最高效率為83.94% ， 最低效率為20.30%，機組能效差異大。

2 特性分析

在運行過程中，集氣站最關注的兩個參數是進站壓力和外輸量。進站壓力和區塊產氣量直接相關，當進站壓力降低時，壓縮機進口壓力也會降低，甚至可能觸發閾值警報。外輸量則是反映集氣站所屬區塊的天然氣產量，對企業經濟利益至關重要。目前，各站壓縮機的運行狀況已明顯的偏離設定工況，幾乎無法在短期內提高進站壓力和外輸氣量。因此，通過收集、分析集氣站的歷史運營數據來尋找壓縮機組能效高、能耗低的時段原因，以得出相應時間段的壓縮機氣量分配和運行策略，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，建立多臺壓縮機組并聯增壓模型。對S 氣田3 個站的多組生產運行數據分析，得出以下結論：在保證其他參數一致的情況下，壓縮機日耗電量與排氣壓力近似呈線性關系，日耗電量隨著排氣壓力的增大而增大；與進氣壓力近似呈線性關系，進氣壓力越高，日耗電量越小；隨進氣溫度的增大而增大；與處理量近似呈線性關系，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壓縮機并聯增壓，天然氣從匯管進入多臺并聯使用的壓縮機時，流量隨機分配，每臺壓縮機的處理量不同，大部分氣體進入了離匯管入口近的壓縮機組，導致個別壓縮機組進氣量很小，偏離了高效工作區，通過打回流的方式進行調節造成能耗較高。

分析發現，9 號站、5 號站均存在外輸壓力偏高的情況。以9 號站為例，部分出站壓力達到了3.63 MPa，當出口壓力為3.03 MPa，也能滿足外輸的壓力需求。根據管道內天然氣流量和管道出口壓力，通過Pipeline Studio 軟件模擬，模擬9 號增壓站至下站首站的壓力變化情況，計算管道最低進口壓力。9 號增壓站至下站首站管道流量與進口壓力關系見圖1。

圖1 9 號增壓站至下站首站管道流量與進口壓力關系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

當壓縮機排氣壓力設定為3.03 MPa，9 號站至下站首戰管道流量與進口壓力擬合公式見式（1）：

式中：P為管道進口壓力，MPa；Q為管道流量，104m3/d。

根據擬合公式（1），發現天然氣通過9 號站往復式壓縮機增壓后的出站壓力往往是大于管道所需要的進口壓力。在實際運行中，9 號站壓縮機排氣壓力高于天然氣外輸壓力0.30～0.55 MPa，根據Pipeline Studio 模擬結果，發現實際所耗壓僅為0.13 MPa；5 號站壓縮機排氣壓力高于天然氣外輸壓力0.10～0.25 MPa，而實際所耗壓僅為0.03 MPa；因此，在今后的運行過程中，在滿足外輸的最低需求下，應盡可能降低壓縮機的排氣壓力。

3 提效節能方案

往復活塞壓縮機應用廣泛，是生產企業的高耗能設備之一，其在許多應用場合存在容積利用率低、能量浪費大的情況，有效推進往復活塞壓縮機的節能改造具有十分重要的意義，常用氣量調節方式有：電動調節閥控制流量[8]；余隙無級調節氣量節能技術；進氣閥無級調節技術[9]；高壓變頻改造。同時需要調整吸入壓力、降低壓縮機段間壓降、綜合優化管路布局或采取預熱回收的方法，以降低能耗、維護成本和壓損[10-11]。

3.1 集氣站壓縮機組開機策略

以15 號站為例，15 號增壓站為5 臺壓縮機組（1 臺DTY1250 與4 臺DTY1800） 并聯增壓，根據2022 年7—12 月壓縮機組運行報表，臺南15 號站日處理量范圍為309×104～471×104Nm3，在該處理氣量范圍內五臺壓縮機組全開與運行1 臺DTY1250+3臺DTY1800 組合的進氣量調節前后壓縮機組日耗電量對比見表1。改造前壓縮機組日耗電量129 367.44 kWh；改造后日耗電量為100 800 kWh。相較于歷史數據中5 臺壓縮機組全開的運行方式，在一定外輸氣量范圍內，采用1 臺DTY1000+3 臺DTY1800 壓縮機組合方式可節電約15%～22%，平均每天節約電耗為28 567 kWh。壓縮機組開機策略也同樣適用與5 號站、9 號站。

表1 進氣量調節前后壓縮機組日耗電量對比Tab.1 Comparison of daily power consumption of compressor units before and after air intake regulation

從表1 中可得，歷史運行數據的挖掘分析以確定壓縮機的運行策略，適用于當前站場壓縮機氣量分配，也可為后續新建集氣站的壓縮機組選型提供參考。但是壓縮機組的實際運行工況仍然偏離設計工況，壓縮機能耗大、維護保養成本高的問題并未從根本上解決。此外現有集氣站所屬區塊已進入產能平穩期乃至后期，氣井口壓力降低、產氣量下降的現狀與天然氣集輸系統降本增效的矛盾也將日益突出。

3.2 單雙作用調節

以9 號站為例，三期新增2 臺集氣增壓機組（DTY2500），導致一期及二期壓縮機組進氣量變小，使得壓縮機組效率處于不合理水平。現階段壓縮機組設計排氣量完全不滿足工藝生產的要求，經常出現實際處理量遠小于設計工況的現象。由于處理量過低，不可避免的導致了進氣壓力的降低，所以通常采用回流調節，維持進氣壓力不低于最低值。

當實際處理量小于或者等于設計排量的二分之一時，將壓縮機組氣缸的雙作用變為單作用，以滿足實際工況和節能要求。方案改造前后日能耗對比見表2。

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

對壓縮機組單雙缸進行改造后，會出現明顯的能耗降低，達到良好的節能效果。但是當實際處理量遠超過設計排量的二分之一時，這種方法就不適用。長時間的單缸運行將會加劇壓縮機組內部受力不均，從而引發各種故障，需要對壓縮機組活塞、十字頭等組件進行密切檢測，以防止壓縮機組事故。

3.3 高壓變頻改造

當壓縮機無法根據實際情況改變壓縮機轉速，不能對處理量的變化做出及時的調整，可以適用高壓變頻改造。以5 號站為例，通過高壓變頻節能改造，可使得單臺壓縮機組輸量在實際輸量之間穩定運行，既實現進氣量與出氣量的工藝平衡，又實現節能節電的經濟效益。

結合Pipeline Studio 軟件進行壓力模擬，確定改造后壓縮機的排氣壓力公式。通過高壓變頻改造，可以對排氣壓力進行設定，設定值可在滿足外輸壓力的同時，盡可能降低能耗。調節排氣壓力后，壓縮機組日耗電量對比見表3。排氣壓力進行調節前，日節電量為3 091 kWh；排氣壓力進行調節后，日節電量均值達到了3 371 kWh，對排氣壓力進行調節后可以達到更好的節能效果。

表3 調節排氣壓力后壓縮機組日耗電量對比Tab.3 Comparison of daily power consumption of compressor units after adjusting

3.4 更換小排量壓縮機組

當區塊產氣量逐年降低，實際工況偏離設計工況較多的情況下，可以考慮增加小排量壓縮機與大排量壓縮機選擇性運行。以15 號站為例，2022 年9—12 月15 號站1#壓縮機組處理量范圍為35×104～42×104m3/d，大部分在35×104～38×104m3/d。1#壓縮機組的額定排氣量為72×104m3/d，實際工況偏離設計工況較多。所以對15 號集氣站再增加一臺小排量的壓縮機組，滿足生產要求的同時達到節能減排的目的。設計一臺小排量的壓縮機組，當1#壓縮機組需要處理的天然氣在小于50×104m3/d 時，開啟小排量壓縮機組代替DTY1250 進行工作。小排量壓縮機組設計工況見表4。

表4 小排量壓縮機組壓縮機組設計工況Tab.4 Design conditions of small displacement compressor unit

如果使用小排量壓縮機組后，進排氣壓力仍然保持生產數據不變，改造前后每天壓縮機組日耗電量及效率對比見表5。

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

根據方案前后能耗對比，當處理量低于50×104m3/d，外加1 臺小排量的壓縮機組與高壓變頻調節相比，都可以適應生產需求，節能效果理想。

4 節能分析

通過對壓縮機組的能耗數據與運行工況進行分析，結合各機組與管網的配置情況，對各壓縮機組的能耗與節能方案研究結果見表6。各方案均可以有效提升系統能效，減少能耗，其中節能效果最好的方案為更換小排量壓縮機組，節能率最高可達53.35%，平均效率提升比例為55.44%，平均節能率為29.77%。

5 結論

1）通過對壓縮機組的能耗數據與運行工況進行分析，結合各機組與管網的配置情況，提出節能方案。通過HYSYS 和Pipeline Studio 軟件模擬得到方案改造后的節能效果，結果表明采用壓縮機組開關機策略、單雙調節改造、高壓變頻改造和更換小排量壓縮機組四種措施均可以有效的提高壓縮機組能效，降低能耗的。

2）發現壓縮機日耗電量與排氣壓力、進氣壓力和進氣溫度近似呈線性關系，日耗電量隨著排氣壓力和進氣溫度的增大而增大，隨進氣壓力的增大而減小。解決了S 氣田壓縮機組能耗高、效率低的現狀，改造后機組效率平均提升55.44%，節能率為29.77%。