气田作业区节能减排方案综述

李雨佳李克强吴彤

（1.西南石油大学；2.中国石油天然气集团公司工程技术节能监测中心；3.川庆钻探质量安全环保处）

气田作业区节能减排方案综述

李雨佳1李克强2吴彤3

（1.西南石油大学；2.中国石油天然气集团公司工程技术节能监测中心；3.川庆钻探质量安全环保处）

通过对气田作业区目前用能状况分析，查找出各系统在运行管理方面所存在的问题。在地面集输系统，包括天然气压缩机、泵机组、水套炉，净化处理系统和地面长输系统方面进行节能潜力分析，提出相应的整改对策与措施，如循环水系统节能改造，余热利用技术，超间速脱水、脱烃技术，管道优化运行等，提高了各系统的能源利用效率。

气田 地面集输 净化处理 地面长输 节能潜力

D O I:10.3969/j.i ssn.2095-1493.2011.03.013

进入21世纪以来，我国由于传统的资源依赖型粗放式生产方式和过度消费生活模式没有得到根本改变，能源问题已经成为制约经济和社会发展的重要因素。解决我国的能源问题，根本出路是在于节约能源，大力推进节能降耗，提高资源利用效率，实现能源的可持续发展。

1 目前状况及存在问题

就气田作业区而言，其主要由地面集输系统、净化处理系统、地面长输系统等部分组成。从监测情况来看，各单位在资源节约方面或多或少都存在着一些问题，其主要表现在以下五个方面：

（1）设备自身问题：设备本身设计效率不高，不是节能产品，制约着能源的高效利用；设备维护保养不当，存在漏失、磨损等问题，加大了能源的消耗。

（2）设备匹配问题：主要表现在设备的选型与工艺要求不相匹配，虽然单台设备设计效率较高，但与其他设备或工艺不相匹配，制约着各设备性能的充分发挥。

（3）设备使用问题：操作人员技术水平较差，不能根据负荷变化合理调整设备运行参数，致使设备长期运行在非经济区；操作人员责任心不强，节能意识不够，只求设备运转，不求高效运行；管理不到位，没有起到应有的监督作用。

（4）节能产品问题：针对设备存在的问题没有采用已被实践证明确有节能效果的技术和产品；已有的节能产品闲置不用或已经损坏，没有起到应有的作用。

（5）原料及产品问题：没有把好原料（产品原料、能源原料等）进货关，其质量没有达到有关规定要求；终端产品带出剩余能量过多，造成能源白白浪费。

特定的系统，有着特定的问题。

1.1 地面集输系统

地面集输系统的主要耗能设备包括：天然气压缩机、泵机组、水套炉（加热炉、锅炉）。

1.1.1 天然气压缩机

（1）从监测结果来看，大部分电动压缩机的电动机功率因数较低，多在0.5～0.7之间，电能利用率不高，没有达到行业有关标准的要求。

（2）输出压力不合理，远高于其他设备或工艺要求压力，造成大量压力能损失，影响到系统的能源利用效率。

（3）压缩机运行负荷较低，天然气未能充分燃烧，或排烟温度偏高，造成大量的散热损失和气体不完全燃烧热损失。监测结果表明燃气轮机效率大多在15%～23%之间，压缩机机组效率在13%～20%之间。

（4）由于维护保养不及时或不到位，随着零部件的老化或破损而发生压缩机或管线的泄漏，造成能源损失和安全隐患。此外，使用较长时间后,污泥、杂质与水附着在管路内壁上形成污垢,使管路有效直径变小，损失系数增大。

（5）循环冷却水经过几年使用后水质变差，管线水垢结厚，造成空压机超温、报警跳停、气路缩小，严重的甚至造成高压缸盖冲坏，后冷却器裂纹，使压缩机损坏。

1.1.2 泵机组

（1）泵机组的额定参数与实际运行工况出入较大，其负载率较低，使泵机组无法运行在高效经济区，有的电动机负载率仅5%左右，机组效率仅15%左右。其主要表现在所选电动机功率过大、泵的额定排量和扬程与实际工况不匹配等。

（2）电动机功率因数偏低，有的仅0.5左右，远低于标准要求的0.85以上，从而造成电网无功分量增加，无功损失加大。

（3）设备维护保养不够，表现在：泵漏损较大；备用设备无法正常运行；设备腐蚀比较严重。

（4）电动机选用较小，引起电动机超负荷运行，有的负载率高达110%以上，使电动机发热量增大，长期使用将会使电动机过热，缩短电动机的使用寿命和影响生产安全。

（5）所选取的设备设计效率偏小，属于国家、集团公司明令淘汰产品，在实际运行时效率偏低，浪费严重。

1.1.3 水套炉（加热炉、锅炉）

（1）配风不够合理，进入炉内的空气量过多，使炉内温度降低，燃烧不完全，导致大量的能源损失，设备热效率大部分在50%～70%之间。

（2）设备排烟温度超标，有的高达300℃左右，使排烟热损失过大，达到了20%左右，降低了炉子的运行效率。

（3）设备投产至今由于产能下降，过低的产能造成设备长时间处于低负荷状态，使炉内温度低，燃烧不充分，一氧化碳含量高，气体未完全燃烧，热损失大。

（4）年久失修、超期服役致使炉体老化、表面破损、结垢严重、内部腐蚀等问题较为普遍，导致散热损失加大，传热不良等现象发生。

（5）由于设备监测力度不够，基层生产单位缺乏设备检测仪器及相关技术人员，无法保证设备的运行达到最佳。此外，操作人员技术素质不高或责任心不强，没有对设备负荷进行及时调整，导致各项损失偏大。

1.2 净化处理系统

净化处理系统主要由脱硫单元、脱水单元、硫回收单元、硫磺成型单元、供热站、空气氮气站、放空系统、循环水处理单元、水处理单元、污水处理单元组成，其主要耗能设备包括机泵、风机、空压机及燃烧炉、废热锅炉、灼烧炉、锅炉。

通过监测和现场调研，其存在的主要问题表现在如下几个方面：

（1）该系统所消耗的天然气主要在放空和锅炉等加热设备的燃料用气方面，经实际监测锅炉热效率仅在35%～45%之间，其主要原因是锅炉风量过大，使过量空气系数远远大于指标要求。

（2）循环水系统泵机组为6 kV的高压泵，虽然泵机组效率在60%～65%之间，但与其设计效率相比还有一定的差距，仍有一定的节电空间。

（3）放空火炬年耗天然气在38×104m3左右，损耗巨大。而且放空火炬使用年限较长，火炬头腐蚀较为严重，容易出现火炬头回火和放空筒体穿孔情况，并且存在自动点火系统失效等安全隐患。

（4）该系统脱硫装置溶液循环泵机组效率平均在53%左右，但对高压富液能量未利用，加上整体用电量较大，有一定的节电空间。

（5）该系统有大量的热能没有利用：原料气增压过程中的压缩机出口天然气热量及烟气热量；灼烧（加热）设备的烟气余热；SCOT装置中产生化学反应释放的热能。

（6）从吸收塔出来的富液压力较大，进闪蒸塔前需要降压，现在一般情况是用阀门降压，损失了大量的能量。

（7）溶液泵常常在低负荷状态下运行，其运行状况没能随贫液量的大小而进行有效、及时的调整。

（8）闪蒸气目前主要用作燃烧炉及废热锅炉的燃料，不仅造成了能源的浪费，而且对环境也造成一定的影响。

1.3 地面长输系统

（1）由于设备、施工、管理等质量原因，输送系统天然气泄漏损失较大，输气效率与世界先进水平（99%以上）相比存在较大差距。特别是从输配气站及阀室来看，其泄漏现象比较普遍，在无人值守的情况下更为严重，有的输配气线路泄漏量达其年输送量的2%以上。

（3）输气管道的经济效益要靠长期稳定高效运行来实现，在管道设计中，一般要求管道在设计输量范围内稳定运行30年左右。但目前输气管道在不同的地区存在超负荷或超低负荷运行情况，系统不能在高效区工作。

（3）输气管道的优化运行是降低输送成本的重要手段，但与国外先进水平相比，我国目前在管道优化运行方面存在不足，研究能力比较薄弱。

（4）在设备的运行方面，存在输送压力、温度选择不够合理，设备管理不善等问题。

2 节能技术及效果预测

2.1 地面集输系统

2.1.1 天然气压缩机

（1）对于电动压缩机，在提高自然功率因数的基础上，通过加装就地无功自动补偿设备，或采用相控调压技术来提高电动机功率因数。

（2）通过提取压缩机内的水垢及冷却水进行化验分析，针对水垢及水质中化学物质的含量情况，采用碳酸钠、磷酸钠、氢氧化钠的化学配方组成复合去垢剂进行处理来提高水质。同时,在冷却循环水经空压机回流水出口外，定期清洗过滤装置，去掉各种水垢沉淀物，防止水垢再次进入空压机内。

（3）压缩机机组效率提升方面：

◇对于电动压缩机，根据供气量及供气压力采用变频器来调节电动机运行参数，保证恒压供气质量，减少对电网、设备冲击，达到节省电能的目标。

◇对于燃气压缩机，由于其大量的能源随烟气而损失，因此烟气余热利用是提高机组效率最有效的办法。利用烟气余热来加热原料气或为生活供热，停运井场的水套炉和热水器，达到了节约能源的目的。此外，当燃气轮机运行时，机组的循环水温可以达到70～90℃，通过增加热交换器来代替锅炉供暖。

◇通过提高冷却水流量、清除冷却器管束沉积物等措施来提高中间冷却器的换热性能，使二级进气温度能满足近似等温压缩的进气温度，保证回冷完善，并降低各级气缸的温度，使每级压缩过程接近于等温压缩。

（4）尽可能减少设备内外泄漏和余隙容积。外泄漏气直接漏入大气或漏入一级进气管路，不仅降低了排气量，也对环境安全造成一定影响。内泄漏气体由高压级漏入低压级或级间管道，造成气体重复压缩，增加了能源消耗，并影响排气压力和温度。因此，在设备检修时，应严格按照各零件的安装顺序、技术数据进行安装，使进排气阀、活塞环和填料函等处的内外泄漏减小到最低限度。

2.1.2 泵机组

（1）针对泵在工作过程中泵液量变化大、泵型与实际工作参数不相匹配、泵负荷低等实际问题，采取变频调速技术，可实现泵机组节电20%～60%。

（2）对于电动机负荷低，功率因数小的问题，通过对泵机组常年运行情况和监测数据分析计算，有针对性地加装无功自动补偿装置，使功率因数保持在0.9左右。此外，对常年负荷较低的电动机，应考虑更换为容量较小的电动机。

（3）对于额定效率较低的高耗低效设备，通过对设备更新、改造来提高设备运行效率。

（4）对于设备维护保养不当的问题，通过完善管理制度、设备维护保养制度及操作规程，并加强对操作人员的业务培训和职业道德教育，提高培训的有效性、时效性和针对性来加以解决。

2.1.3 水套炉（加热炉、锅炉）

（1）对于配风不合理的设备加装燃烧控制装置，根据烟气中的氧含量来实时调节空气与燃料的比例，减少操作的盲目性和操作人员技术水平的干扰。

（2）针对设备盘管结垢造成炉子运行效率降低的问题，采用变频脉冲除垢技术来清除管内结垢。对老式二合一加热炉进行高效热管技术改造，利用高效热管具有传热速度快、轴向传热能力强、传热效率高的优点来提高加热炉热效率。

（3）采用高效节能燃烧器对加热炉燃烧系统进行改造，以实现根据进出口温度或炉膛温度的检测控制燃料气流量，并对燃料/空气混合比进行调节，提高设备运行效率。

（4）加强对设备的日常维护保养工作，包括炉体的清灰、降低烟温、维护保温层、采用新型保温材料、炉体内涂红外辐射涂料等措施，以减少设备散热损失，提高设备运行效率。

2.2 净化处理系统

2.2.1 循环水系统节能改造

在现有天然气处理量的情况下，为了使天然气净化装置的冷却器换热效果好，确保净化厂天然气净化装置的正常运行，采用温差控制与压力低值钳位相结合的控制系统，通过变频器控制系统控制泵的转速来完成所需的循环水量和泵的输出压力，以确保循环水经过凉水塔后，温差在4～9℃之间。

2.2.2 脱硫装置溶液循环泵系统节能改造

该系统脱硫工艺目前使用的是湿法脱除工艺（溶液循环吸收），脱硫吸收塔在高压下吸收，而吸收后含有SO2和H2S气体的富液则在常压下再生成贫液，因而需要用溶液循环泵将再生后的贫液加压至高压后进入吸收塔，故溶液循环泵的扬程较高，电动机功率较大。离开吸收塔的富液通常经减压阀降至较低压力后进入再生系统，这样就造成了高压富液压力能的浪费。根据现状分析，采用透平增压泵技术，把富液所含的巨大压能直接转换成贫液的压力能量，从而有效降低溶液循环泵的电耗。

2.2.3 余热利用技术

对于化学反应中产生的热能，在SCOT装置中的转化器之间加装换热器对脱盐水进行加热；SCOT装置中废热锅炉余热可用蒸汽透平带动风机加以利用；SCOT装置中灼烧炉所产生的烟气余热利用换热器吸收来加热脱盐水。余热也可用于对硫管道进行保温，以减少锅炉产蒸汽量，节约燃料气消耗量。对于燃气轮机，目前主要采用简单循环的方式利用烟气余热，即直接采用余热锅炉回收烟气中的热量用于制冷或供热。

2.2.4 超音速脱水、脱烃技术

天然气超音速脱水、脱烃技术是利用天然气在超音速流动状态下，低温冷凝出液态水和烃的现象进行脱水、脱烃，是一种将透平膨胀机、分离器和压缩机功能集于一体的装置。从1997年起，壳牌石油公司就开展了此项技术的研究，2003年石油科技发展部也进行了立项研究，目前该技术已逐步成熟并已实际应用。

2.2.5 溶液泵技术改造

为了提高溶液泵的运行效率，通过变频调速技术，以出吸收塔的湿净化气中H2S的含量为基准来控制电机的运行频率，实时调节贫液的输出流量。

2.2.6 闪蒸气的重复利用

闪蒸气的主要成分为CH4、CO2及H2S，若对其进行燃烧处理，不仅浪费了能源，也对锅炉、省煤器等设备和周围环境造成一定的伤害。可以利用增压机将其增压后再与原料气一起进行新的循环，以产生更多的成品天然气。

2.3 地面长输系统

2.3.1 管道的优化运行

为了实现管道的优化运行，硬件方面最有效的工具是SCADA系统。这是一个多功能的运行管理与监控系统，可以实现对管道运行全过程进行控制、模拟、分析、预测、计划、调度和优化，可以对管线及设备状态进行诊断并提出维修建议，可以执行事故报警并采取保护措施。目前，SCADA系统的功能已相当完善，并进一步向智能化和专家系统的方向发展。

2.3.2 选择合理的输气压力

由于输送系统的最大工作压力受输气机组能力及管材机械性能、焊机施工质量等因素所限，因此，应根据试验结果选择合理的输气压力，以实现节能降耗的目的。不断提高输气压力，是今后管道工业发展的方向。

2.3.3 选择适宜的输气温度

输气温度对系统能耗影响很大，输气管道除向土壤散热损耗外，压缩机组的效率也与输气温度密切相关。要降低能耗，除了提高管道内天然气的压力以外，还必须降低管道内天然气的温度，但需保证天然气的水露点和烃露点不得超过最低环境温度。

2.3.4 减少管道阻力损失

天然气管道输送过程中，输送能耗相当一部分消耗在克服管线沿程的摩擦阻力上，也即通常所说的输送压降。而沿程摩阻的大小除了与流态有关外，管内壁粗糙度的大小也是一个重要因素。为了减小管壁粗糙度，以减小摩阻，降低输送能耗，最常用的办法是进行管壁内涂层。采用内涂层后，在同样的输送温度和压降下，可有效提高输气量。

2.3.5 减少天然气损失

减少天然气损失不仅可提高输气效率，而且可避免对环境和安全的影响。采取的措施可以利用移动压缩机将放空管段中的天然气送至相邻管段中，保持抢修或检修时系统的密闭。此外，在运行过程中应加强管线的巡检工作，以及时发现管线泄漏情况，并采取及时措施减少能源浪费。

3 结束语

气田作业区的节能降耗是一项长期而艰巨的任务，而且随着设备的更新、工艺的改进、管理的进步和认识的提高，节能工作也在不断地发展。因此，各单位要分析现状，查找问题，积极跟踪、研究、推广国内外先进的生产工艺和节能技术，实现节能效果和经济效益的统一；要提高员工的节能意识和责任意识，加强业务培训，不断增强培训工作的有效性、针对性和时效性；要建立和完善有效的约束激励机制，落实目标责任，将节能指标层层分解、压力逐级传递，激励全员节能工作的积极性和主动性；要加强制度建设，配套完善各项管理制度、工作细则，增强制度、细则的可操作性和针对性，并加强过程控制，使各项工作做到有章可循、有据可依，有效提高工作质量和效率。

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李雨佳，现就读于西南石油大学过程装备与控制工程专业，获得国家实用新型专利授权一项，E-mail：jidian_zg@163.com，地址：四川省成都市新都区西南石油大学，610500。

2011-03-18)