油气田节能评估项目耗能设备计算方法分析

沙力妮（大庆油田技术监督中心）

国家发改委2016年发布了第44号令《固定资产投资项目节能审查办法》，根据该办法，年综合能源消费量大于或等于1000t标准煤，或年电力消费量大于或等于500×104kWh的固定资产投资项目应按照相关节能标准、规范建设，进行节能审查，即建设单位需要编写节能评估报告。未规定进行节能审查，或节能审查未获通过，擅自开工建设或擅自投入生产、使用的固定资产投资项目，由节能审查机关责令停止建设或停止生产、使用，限期改造，不能改造或逾期不改造的生产性项目，由节能审查机关报请本级人民政府按照国务院规定的权限责令关闭，并依法追究有关责任人的责任。国家加强对节能评估工作的监管和处罚力度，目的是为了从源头节约能源，提高能源的综合利用效率。

1 现状

油气田勘探生产业务即是产能大户也是耗能大户，对于油气田的新建、改扩建项目进行节能评估，合理的采用节能设备、新进的节能工艺，能够降低后期运行成本，也能节约能源。由于油气田地层物性差别较大，耗能设备种类较多、繁杂，很难找到准确地选型方法以及能耗计算方法，不能准确地进行评价分析，通过对大量节能评估报告和现场研究分析，提出相关的选型和计算方法，以便提高节能评估的质量和效率。

2 节能评估的方法和程序

节能评估方法主要包括标准对照法、类比分析法、专家判断法等，其中，标准对照法是指通过对照相关节能法律法规、政策、技术标准和规范，对项目的能源利用是否科学合理进行分析评估。类比分析法是指在缺乏相关标准规范的情况下，通过与处于同行业领先节能水平的既有工程进行对比，分析判断所评估项目的能源利用是否科学合理。专家判断法是指在没有相关标准和类比工程的情况下，利用专家经验、知识和技能，对项目能源利用是否科学合理进行分析判断的方法。在实际评估工作开展过程中，可根据项目特点选择适用的评估方法，可以采用一种评估方法也可综合运用多种评估方法，节能评估程序框架图见图1。

3 主要耗能设备的选型分析

油气田建设项目主要的耗能设备为机泵、压缩机、变压器等。文中主要对这几种设备进行分析。

3.1 机泵的选型

油气田主要的机泵机组为注水泵机组、掺水泵机组、热洗泵机组、输油泵机组等等，泵的轴功率可采用下式进行计算：

图1 节能评估程序框架图

式中：N为水泵轴功率，kW；ρ为介质的密度，kg/m3；Q为介质流量，m3/h；H为扬程，m；g为重力加速度，取9.81；η为效率，%。

配套电动机功率可采用下式进行计算：

式中：P为电动机功率，kW；ηt为传动装置效率，%，一般取值0.98；ηd为电动机效率，%；K为功率储备系数，一般取值1.05。

根据公式（1）和公式（2）可以核算出电动机的选型是否合理。当对清水离心泵进行选择时，可根据GB19762—2007《清水离心泵能效限定值及节能评价值》，计算其比转速，根据图1确定其基准值，分别计算其效率修正值、规定点效率值、能效限定值和节能评价值。注水泵进行选择时建议选择大于节能评价值的泵，不能选择小于能效限定值的泵。其他离心泵的选型可根据GB/T13007—2011《离心泵效率》规定的值，选择高效的离心泵。

针对油气田注水泵的选型，依据SY/T6569—2010《油田注水系统经济运行规范》的要求，对注水量偏小、注水压力较高的油田，宜选用往复泵。结合GB/T9234—2018《机动往复泵》中规定，选择高效的往复泵。

3.2 压缩机的选型

油气田的压缩机主要是对天然气进行压缩，并进行集输。压缩机的轴功率计算可根据《干线输气管道实用工艺计算方法》进行计算。压缩机的计算功率：

式中：N0为压缩机轴功率，kW；G为质量流量，kg/s；H为多变能头，即压缩每千克气体所消耗的功，(kg·m)/m；η为多变效率，取η0.79~0.83；q为体积流量，m3/d；p0为标准大气压，Pa；T为气体在压缩机入口处的温度，K；R为气体常数，kg·m/(kg·K)；Rˉ为通用气体常数，取848kg∙m/( )kg∙K；μ为气体分子量，kg/kmol；y1，y2……yn为天然气各组分的体积百分数，%；μ1，μ2……μn为天然气各组分的分子量；k为比热比，输气管道条件下天然气可取1.4~1.6；ε为压比；Z为吸入条件下的天然气压缩性系数；p为压缩机的吸入口压力，MPa。

根据以上公式核算项目压缩机功率选择是否合理。根据项目的处理量以及工艺需求确定压缩机的类型、根据项目附近的功能情况确定其驱动类型。

3.3 变压器的选型

油气田的变压器主要用于配电线路，根据标准GB/T50350—2015《油田油气集输设计规范》节规定变压器的负载不宜大于80%，采油井场变压器的平均负荷率不宜低于30%，选择变压器的容量，根据GB20052—2020《三相配电变压器能效限定值及能效等级》中变压器的能效限定值选择变压器的型号。

4 项目能耗计算

项目能耗量的计算是节能评估中最重要的部分，能耗量核算的准确性直接影响项目的各种指标分析、同类项目的对比性分析、地方双控指标分析。项目综合能耗的计算主要依据GB/T2589—2020《综合能耗计算通则》。但是该标准并没有详细说明每种能源品种的具体消耗。

4.1 电气设备电量计算

根据标准SY/T0033—2020《油气田变配电设计规范》中规定，站场内生产装置、机泵等用电设备用电负荷，应采用轴功率法计算，其计算公式见式（9）；机械采油、辅助设施等单元的用电设备用电负荷，宜按需要系数法计算，其计算公式见式（10），年消耗电量按式（11）。

式中：ps为机泵的轴功率功率，kW；η为电动机效率；Ks为综合系数，可取1~1.1。

式中：Pc为单元中计算负荷有功功率之和，kW；Pr为单元中用电设备容量，kW；Pm为办公楼、生活公寓等辅助设施单元计算有功功率之和，kW；Kc为按单元划为的需要系数，辅助设施取0.5，抽油机井取0.2~0.35。

式中：Wy为年消耗电量，kWh；αav为年平均有功负荷系数，一般取0.7~0.75；Pc为计算的有功功率，kW；Tc为年实际工作小时数。

4.2 加热炉耗气量计算

加热炉耗气量的计算，可根据加热炉的正平衡效率计算，其公式为：

式中：Njr为加热炉有效功率，kW；B2为加热炉燃料气消耗量，m3/h；Qnet.var为标况下燃料气收到基低位发热量，kJ/m3。

5 现场实际应用

某气田为了适应产能的需要，新建气井300口，新建采气管线433.59km、集气支干线35.59km、注醇管线338.54km、采出水管线35.95km，新改扩建站场共10座，预计年产气26.0×108m3。

其中新建集气站，配备了2台压缩机组，排气量为25.9×104～72×104m3/d，回注泵2台，流量为35m3/h、扬程40m，新增变压器1台，型号为S11-160。加热炉1台，容量为400kW。

5.1 回注泵选型分析

根据式（1）、式（2），计算回注泵的电动机功率为5.7kW，该项目选择的回注泵的电动机功率为7.5kW，故电动机功率选择合理。

项目给出了电动机的功率，未给出具体的型号，依据国家《节能机电设备产品目录》第四批，建议选择7.5kW的YB3型电动机，电动机转速为2900r/min，根据电动机选择能效水平高于72.5%的泵。计算过程如下：根据流量35m3/h、扬程40m、转速为2900r/min，计算出其比转速为83.63；依据《清水离心泵能效限定值及节能评价值》（GB19762—2007），当设计流量为35m3/h，未修正效率为73%；依据《清水离心泵能效限定值及节能评价值》（GB19762—2007），比转速为83.63时，效率修正值为2.5%；泵规定点效率值70.5%；能效限定值67.5%；节能评价值为72.5%。

5.2 压缩机的选型分析

某新建集气站，新增压缩机2台，型号为JGT压缩机组，额定功率957kW，新增集气量108.30×104m3/d，进站压力1.30MPa，出站压力2.77MPa。

根据式（3）~式（8），压缩机的负荷率取0.8，计算出新建集气站应配备压缩机的功率为1670.58kW，项目配置功率为1914kW，故压缩机功率选型合理。

该工程处理量、压缩比以及国内外油气田天然气增压应用现状，增压压缩机一般可选用离心式压缩机或往复式压缩机，它们各有优缺点，离心式和往复式压缩机对比见表1。

由表1可以看出，往复式压缩机对工况的变化适应力更强，更适合于气体滚动开发对原料气增压的需求；往复式压缩机单机功率较小，但效率更高。因此，该工程采用往复式压缩机是合理的。

5.3 变压器的选型分析

该项目选择的变压器型号为S11-160，改变压器的空载损耗为0.27kW，负载损耗为2.2kW，根据GB20052—2020《三相配电变压器能效限定值及能效等级》中变压器的能效限定值，该变压器能效值大于3级限定值，建议更换变压器的型号，更换为S13型变压器，其损耗值小于S11型变压器，符合相关的节能指标，变压器不同型号的空载、负载对比见表2。

表1 离心式和往复式压缩机对比

表2 变压器不同型号的空载、负载对比

5.4 能耗计算分析

1）根据式（9），回注泵的用电负荷为7.13kW，负荷率为0.75，年运行时间为8000h，则回注泵的年用电量为42780kWh。

2）根据式（12），燃气驱动压缩机效率通常在22%~27%，取压缩机效率取25%，燃料气收到基低位发热量为35544kJ/m3，经计算集气站压缩机的燃料气消耗量为541.44m3/h，年工作时间按4000h计算，则新建集气站的压缩机年消耗气量为216.58×104m3。

3）根据式（12），加热炉的效率按85%计算，新建集气站加热炉的燃料气消耗量为16.18m3/h；年工作时间按4000h计算，则年消耗气量为6.48×104m3。

6 结语

文中给出了油气田节能评估的方法和内容，明确主要耗能设备的选型方法和能效选择依据，以便合理的选择节能设备，以便提高项目建成后能源利用率，节约能源，降低运行成本；明确了消耗能源的计算方法，以便能够准确的核算项目的新增能耗，为准确的计算项目的能效指标、地区的双控制指标奠定基础，提高节能报告的精度，更好地为节约能源打下基础。