气田用天然气压缩机节能监测评价方法的研究与应用

毛青霞

中国石化中原油田分公司技术监测中心 （河南 濮阳 457001）

气田用天然气压缩机节能监测评价方法的研究与应用

毛青霞

中国石化中原油田分公司技术监测中心 （河南 濮阳 457001）

随着气田生产规模的不断扩大，其能耗问题和节能管理备受关注。压缩机作为气田生产系统的主要用能设备之一，因缺少相应的节能监测评价标准而制约了压缩机节能潜力的挖掘和节能工作的开展。《气田生产系统节能监测规范》运用能量平衡原理，采用黑匣子方法，研究气田压缩机的耗能方式及其影响因素，分析不同因素对能耗的影响规律，总结出科学合理的评价方法，制定相应的标准。通过验证，该标准中提出的气田压缩机测试评价方法，能够满足不同类型气田压缩机能耗测试与评价的需求。

气田压缩机；节能监测；评价方法

压缩机是气田生产系统的主要用能设备之一，随着我国气田生产规模的不断扩大，其能耗问题和节能管理备受关注。因此通过节能监测，对其能耗状况进行分析评价，依据分析评价结果采取相应的节能技术措施，有利于气田生产过程节能降耗和节能管理水平的提高。

1 评价方法研究技术思路

运用能量平衡原理，采用黑匣子方法，分析稳定运行的能耗设备，得到能量进出平衡关系，确定有用能与损耗。研究设备的耗能方式及其影响因素，确定对应评价项目，分析不同因素对设备能耗的影响规律，评估对评价项目的影响程度，总结出科学合理的评价方法，为用能改造提供方向和依据。

2 气田压缩机节能监测评价方法

2.1 评价项目的确定

压缩机组效率是反映压缩机能耗和运行状态的一项重要指标，体现了压缩机组能源利用综合水平，因此评价项目确定为机组效率。

评价项目的确定原则：①能反映设备正常生产运行时的综合能源利用状况；②参照现有相关标准的有关评价项目，包括设备产品标准中与用能有关的性能参数，能效标准、相关节能与经济运行标准中的评价项目；③评价项目易于测试或计算。

2.2 气田压缩机机组效率的理论分析

按驱动机分类，气田压缩机分为燃气驱动压缩机和电驱压缩机。由于电动机驱动的压缩机数量较少，因此以燃气驱动的气田压缩机组作为主要分析对象[1-5]。

压缩机机组效率定义为有效功率与输入功率的比值。计算公式如下：压缩机机组效率：

式中：η为机组效率，%；Hp为压缩机有效功率，kW；Qr为供给能量，kJ/h。

电动机驱动时：

式中：Pr为电动机输入功率，kW。

燃气轮机或燃气发动机驱动时：

式中：Qnet.v.ar为低位标准状态下发热量，kJ/m3；B为燃气量，m3/h。

压缩机有效功率Hp：

式中：Hpi为第i级压缩机有效功率，kW。

第i级压缩机有效功率Hpi：

式中：ρk为标准状态下空气的密度，kg/m3，取1.293；SG为天然气相对密度；QV为标准状态下压缩机排出口天然气流量，m3/h；Hdi为第i级压缩机多变能量头，kJ/kg。

2.3 评价分类因子的确定

依据理论分析可以确定影响气田压缩机的因素有：驱动类型、输入功率、压力比、实际压缩介质流量、额定排量、压缩因子、多变指数、压缩比。

根据测试实践，影响气田压缩机组运行指标的客观因素主要有：驱动类型 （燃气驱动、电动机驱动）、机型大小（驱动机额定排量）、压缩级数、压缩比等，采用简单统计分析的方法对各因素进行分析。

2.3.1 驱动类型与机组效率

从理论分析，电动机的运行效率一般在90%以上，而燃气机的运行效率一般远低于电动机，因此机组的效率也应存在显著的差异。

通过对48台压缩机机组的测试效率统计，5台电动机驱动压缩机机组效率平均为61.7%，最小49.1%，最大69.7%；43台燃气驱动压缩机机组效率平均为19.9%，最小8.8%，最大32.5%。显然，电动机驱动的压缩机与燃气驱动的压缩机的机组效率存在明显的差异。因此评价时应将驱动类型作为分类因子。

2.3.2 额定排量与机组效率

对31台测试的一级压缩机组按不同额定排量统计机组效率，数据统计见表1。

表1 额定排量与机组效率数据统计表（一级压缩）

对9台测试的二级压缩机组按不同额定排量统计机组效率，数据统计见表2。

表2 额定排量与机组效率数据统计表（二级压缩）

通过不同压缩级别的压缩机数据统计分析，可得出以下结论：压缩机组效率与驱动机额定排量存在显著的相关性。因此评价时应将额定排量作为分类因子。

2.3.3 压缩级数与机组效率

考虑到分析的对象数量较少，无法统计到相同功率、相同压缩比的压缩机组测试数据，因此采用粗略对比法，将31台一级压缩和10台二级压缩的压缩机机组效率与额定功率的关系数据统计见表3。

表3 压缩比与机组效率数据统计表

从表3可以看出，压缩机机组效率与压缩级数的关系并不显著。因此评价时不需要将压缩级数作为分类因子。

从统计分析的结果可以看出，影响压缩机组效率的主要因素为驱动类型和压缩机额定排量。

2.4 评价指标的确定

根据上述分析，影响压缩机机组效率的主要客观因素是驱动机类型和额定排量。由于压缩机数量较少，采用统计与理论计算结合的方法确定评价指标。

2.4.1 统计分析方法

将额定排量相近的归为一类，根据中国石化气田应用压缩机现状调研，确定分类区间为：≤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。 统计各区间的燃气压缩机组测试数据见表4。其中10 000～15 000 m3/h区间的测试数据只有9个，采用插值法补充。如按70%合格为限定值，30%合格为节能评价值，并合理取整后确定评价指标。

另外，15 000～20 000 m3/h、＞20 000 m3/h 区间数据太少，采用外延法确定评价指标，见表5。

表4 燃气压缩机机组效率统计表

表5 统计分析方法下的燃气驱动压缩机机组效率指标

2.4.2 回归分析方法

以额定排量8 000～12 000 m3/h压缩机组为例进行回归分析[6-8]，机组效率的多元回归方程为：

式中：y为压缩机机组效率，%；x1为输入功率，kW；x2为压缩比；x3为标准状态下实际压缩介质流量，m3/h；x4为额定排量，m3/h；x5为压缩因子；x6为多变指数；ε为随机误差。

为了观察公式拟合的精确度，以压缩机机组效率测试值为X轴，压缩机机组效率公式计算值为Y轴，做散点图（图 1）。

由图1可以看出，拟合的公式相关性比较显著，准确度较高，回归所得的拟合公式可用。机组效率回归公式如下：

图1 不同额定排量的压缩机机组效率测试值与计算值散点图

对各影响因素进行敏感性分析，结果见表6。为得到压缩机机组效率的评价值，分别计算压缩机除实际排量之外的其他影响因素处值的和，得出在该实际排量区间各百分比所对应的公式。各影响因素不同取值位置时压缩机机组效率与实际排量的公式，并绘制成图2。

表6 各影响因素的单位变换

由以上分析，可以延伸得出额定排量为5 000～10 000 m3/h、10 000～15 000 m3/h 这两区间的压缩机的评价值。这两个区间气田压缩机合格率从20%到80%所对应的机组效率评价值，见表7。

运用同样的分析方法对额定排量2 000～4 000 m3/h和额定排量大于15 000 m3/h的压缩机进行分析，最终回归分析方法确定评价指标，见表8。

2.4.3 评价指标的确定结论

图2 不同取值位置对应的机组效率与实际排量的关系式

综上所述，利用统计方法与回归分析方法得出的评价值基本一致，差异主要是由于对区间两端数值的经验取值与理论结果的不同而导致的。因此综合二者，最终得出燃气驱动的气田压缩机机组效率的限定值、节能评价值，见表9。

表7 压缩机组对应的机组效率评价值

表8 回归分析方法的燃气驱动压缩机机组效率指标

表9 燃气驱动压缩机机组效率指标

3 现场应用

气田压缩机节能监测评价方法研究制定以后，先后在中国石化主要气田现场应用压缩机39台次，其中达到节能评价值的16台，占测试总数的41.0%；达到限定值的29台，占测试总数的74.4%[9]。

1）西北油田分公司雅克拉气田测试压缩机8台，采用以上评价指标评价压缩机组效率，达到节能评价值的3台，占测试总数的37.5%；达到限定值的6台，占测试总数的75%。

2）西南油气分公司新场气田测试压缩机10台，采用以上评价指标评价压缩机组效率，达到节能评价值的4台，占测试总数的40%；达到限定值的7台，占测试总数的70%。

3）东北油气分公司松南气田测试压缩机3台，采用以上评价指标评价压缩机组效率，达到节能评价值的1台，占测试总数的33.3%；达到限定值的3台，占测试总数的100%。

4）中原油田分公司普光气田测试压缩机18台，采用以上评价指标评价压缩机组效率，达到节能评价值的8台，占测试总数的44.4%；达到限定值的13台，占测试总数的72.2%。

通过验证，研究确定的节能评价方法和评价指标能够满足不同类型、不同开发阶段气田压缩机的节能测试评价需要。

4 结论与认识

1）在对气田主要能耗单元与设备调研统计分析的基础上，利用聚类分析、灰色关联分析、回归分析等统计分析方法，研究提出了气田压缩机的节能监测评价项目和评价指标，通过在普光、雅克拉、松南、新场等气田的应用表明，提出的测试评价方法，能够满足不同类型气田能耗测试与评价的需要。

2）研究制定的气田压缩机节能监测评价方法通过现场测试与实验分析，适合气田压缩机的运行需求，可为气田压缩机节能潜力的挖掘提供可靠的理论基础和数据依据。

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[3]李俊山.天然气压缩机可靠性分析[D].南充:西南石油学院,2005.

[4]余永辉.天然气压缩机工况监测系统设计[D].南充:西南石油大学,2006.

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[6]刘永明.多元线性回归分析的应用[J].工程勘察,1985(6):7-10.

[7]王成名,秦永松.多元线性回归中回归系数的线性经验Bayes估计[J].应用概率统计,1994(4):371-378.

[8]严海芬,杨良杰,王维星,等.气田加热节能监测评价标准的制定研究[J].石油工业技术监督,2016,32(6):27-31.

[9]陈志军,李 健,张艳侠,等.天然气压缩机在靖边气田的应用[J].石油矿场机械,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.

gasfield compressor;energy-saving monitoring;evaluation method

毛青霞（1986-），女，工程师，现主要从事节能监测、能源审计、温室气体盘查、节能标准编制等方面的工作。

崔 杰

2017-10-30