储气库地面工艺系统能效评价方法研究

2022-04-20周军肖瑶孙建华梁光川彭井宏

石油与天然气化工 2022年2期

周军肖瑶孙建华梁光川彭井宏

1.西南石油大学石油与天然气工程学院 2.国家管网集团中原储气库有限责任公司

天然气地下储气库是天然气产业链及管道输送系统的重要环节，不仅在日常的天然气供应中调节供需平衡，实现稳定供应，在有事故发生的紧急状态下更具有不可替代的作用[1]。随着天然气行业的大力发展，地下储气库也将得到越来越广泛的应用，并能在多种领域适应不同需求以发挥重要作用[2-5]。

储气库地面工艺系统作为储气库的核心部分，由于受注采气的双重影响，运行工况波动较大。当地面工艺系统与实际运行工况不适应时，储气库地面系统往往会出现低能效、高能耗的情况[6]。如何降低地下储气库地面系统能耗，提高其能效水平，已经成为储气库生产运营的关注重点。对用能系统进行能效评价研究是挖掘系统节能潜力点，实现节能降耗、节约能源的关键环节[7]。曹莹等[8]通过分析油气田企业的能效评价现状及重点用能系统能耗组成情况，结合相应国家现行标准，建立了一套涵盖3层级15指标油气田企业重点用能系统能效指标体系。张威等[9]采用层次分析法(AHP)，建立了天然气管网运行能效评价体系，并对天然气管网能效进行了定量评价，为天然气管网的优化调度提供了参考及依据。梁金国等[10]采用模糊综合评价法对某高含硫气田集输系统能耗进行了评价。刘武等[11]将“三环节”分析法与“三箱”分析法相结合，建立了天然气矿场集输系统用能模糊评价模型。

目前，对于集输系统能效评价的研究多集中于油气田集输系统及管网系统，针对储气库地面工艺系统能效评价的研究较少，且没有一套涵盖对整个储气库地面系统起决定性作用的能效评价指标体系及界限清晰、科学完善、能敏感地反映出用能系统所存在的问题的评价方法。因此，建立了涵盖3层次15指标的储气库地面系统能效评价指标体系，并提出一套基于AHP与模糊隶属度函数法相结合的储气库地面工艺系统正、异常工况下的能效评价方法。

1 储气库地面工艺系统概况

1.1 储气库地面工艺

某枯竭气藏型地下储气库地面工艺主要包含采气工艺及注气工艺，采取周期运行方式，每年夏季为注气期、冬季为采气期，注气期200天，采气期150天，检测、维修平衡期15天。

注气期：天然气进入储气库注采站内，经过交接计量、分离过滤除尘、压缩机组加压后，再通过注采气干线输送至丛式井场，由丛式井场内的注采气阀组合理分配至各注采井后，注入地下储气库。注气流程如图1所示。

采气期：天然气从地下储气库采出，经过井口节流阀节流、超声波流量计计量后，从注采气干线进入注采站，在站内经过分离过滤、脱水处理、计量交接后输送至输气管道进入天然气目标市场。采输气流程如图2所示。

1.2 储气库地面系统用能特点

储气库地面用能系统主要包括地面脱水系统及地面增压系统，其中采气工艺的核心为地面脱水系统，注气工艺的核心为地面增压系统[12]。目前，储气库地面脱水系统通常采用三甘醇脱水工艺，主要耗能装置为三甘醇脱水装置，储气库地面增压系统采用往复式压缩机组增压，主要耗能设备为压缩机组。通过对储气库现场用能装置能耗的统计分析，主要能耗为重沸器热负荷、汽提气加热负荷、三甘醇循环泵负荷及压缩机驱动电机的电耗。储气库地面系统由于受到注气与采气的双重影响，运行具有不稳定及“强采强注”等特点。

2 储气库地面工艺系统能效评价方法

储气库地面系统能效评价是需同时考虑效率及能耗的多因素评价过程，引入综合评价的思路，对储气库地面系统进行多指标、全方位的定性与定量分析研究[13]。因此，在准确把握储气库地面工艺系统运行现状的基础上，将AHP与模糊综合函数评价法相结合，提出了一种储气库地面工艺系统正、异常工况下的能效评价方法。

2.1 评价指标体系建立

基于建立简明科学、系统性的评价指标体系，本研究采用德尔菲法综合了影响储气库地面工艺系统能效各方面的因素，选取了对整个地面系统起决定性作用的影响因素作为评价指标。建立了3层次(目标层、准则层及指标层)15指标的储气库地面系统能效评价指标体系。包括储气库地面脱水系统能效及储气库地面增压系统能效2个一级指标(目标层)，系统效率、系统能耗、工艺指标等5个二级指标(准则层)，以及按照效率、能耗及工艺指标分类的15个三级指标(指标层)。通过逐层分析各个影响因素，建立了地下储气库地面脱水系统及增压系统正异常工况下的能效评价指标体系(见图3、图4)，储气库地面系统正、异常工况下能效评价指标体系(见表1)。

表1 储气库地面系统能效评价指标体系目标层准则层指标层储气库地面系统能效A地面脱水系统能效B1重沸器热效率C11循环泵电机负载率C12循环泵效率C13重沸器单位气耗C14系统单位电耗C15三甘醇单位损耗量C16重沸器过剩空气系数C17三甘醇贫液质量分数C18工艺及设备稳定性C19地面增压系统能效B2压缩机电动机功率因素C21压缩机电动机负载率C22压缩机组效率C23系统单位电耗C24润滑油单位用量C25天然气泄漏量C26

2.2 评价指标权重计算

在建立储气库地面工艺系统能效评价指标体系之后，需要根据各能效评价指标在该评价体系中的作用、地位及重要性来赋予指标对应的权重系数。对于相同的指标体系，评价结果会随着权重系数的不同而改变。因此，选取科学的评价指标权重计算方法，合理地表征评价指标在体系中的重要性就尤为重要。

本研究采用AHP法计算储气库地面系统能效评价指标权重系数。具体流程如图5所示。

根据层次分析法指标权重计算流程，对储气库地面系统能效评价指标体系中各指标构造判断矩阵及权重计算(见表2、表3)。

表2 地面脱水系统指标层判断矩阵与权重计算B1C11C12C13C14C15C16C17C18C19权重ω1jC11156221/25430.204 490 74 C121/511/31/81/51/311/31/20.029 333 96 C131/6311/71/21/241/21/30.050 317 62 C141/2871548650.305 739 16 C151/2521/5138320.143 003 60 C162321/41/315320.120 130 56 C171/511/41/81/81/51320.037 938 60 C181/4321/61/31/31/311/20.045 304 90 C191/3231/51/21/21/2210.063 740 85

表3 地面增压系统指标层判断矩阵与权重计算B2C21C22C23C24C25C26权重ω2jC21131/31/3350.173 116C221/311/51/31/240.078 791C233511/2350.290 871C243321430.324 278C251/321/31/4110.081 777C261/51/41/51/3110.051 167

鉴于脱水、增压系统运行独立、互不影响及对整个地面系统完整运行的影响程度相同，将脱水、增压系统的权重按照等比例原则确定，储气库地面系统能效评价体系指标权重如表4所列。

表4 储气库地面系统能效评价指标权重值目标层准则层权重指标层权重储气库地面系统能效A地面脱水系统能效B10.5重沸器热效率C110.204 490循环泵电机负载率C120.029 334循环泵效率C130.050 318重沸器单位气耗C140.305 738系统单位电耗C150.143 004三甘醇单位损耗量C160.120 131重沸器过剩空气系数C170.037 939三甘醇贫液质量分数C180.045 305工艺及设备稳定性C190.063 741地面增压系统能效B20.5压缩机电动机功率因素C210.173 116压缩机电动机负载率C220.078 791压缩机组效率C230.290 871系统单位电耗C240.324 278润滑油单位用量C250.081 777天然气泄漏量C260.051 167

2.3 评价指标模糊隶属度计算

在进行储气库地面工艺系统能效评价计算时，需对评价指标进行无量纲化处理，使指标具有可比性。基于本研究所建的评价体系复杂且指标较多，指标彼此间的“优”与“劣”也没有明确的数量界限，因此采用模糊隶属度函数法对评价指标进行无量纲化处理。具体操作步骤如下。

2.3.1确定各个评价指标的“优”“劣”上下限值

确定各评价指标的上限值xmax和下限值xmin。对于正向指标，最优取值为上限值xmax；对于逆向指标，最优取值为下限值xmin。

2.3.2确定各评价指标的模糊隶属度函数类型

模糊隶属度函数描述了从隶属到不隶属这一过程。常用的模糊隶属度函数类型主要有梯形和岭形模糊隶属度函数。根据评价指标的特点，选用岭形模糊隶属度函数对指标进行无量纲化处理。岭形模糊隶属度函数分为升岭形分布模糊隶属度函数及降岭形分布模糊隶属度函数两类。

选用升岭形分布模糊隶属度函数对正向指标进行无量纲化处理,如式(1)所示：

(1)

式中：x为指标运行值；a为指标下限值；b为指标上限值。

选用降岭形分布模糊隶属度函数对逆向指标进行无量纲化处理,如式(2)所示：

(2)

2.3.3进行模糊变换

将各评价指标实际运行参数值xi代入相应的模糊隶属度函数，计算结果为指标的隶属度值f(xi)。f(xi)是在0～1之间的实数，消除了指标量纲的影响。

2.3.4计算标准量化值

将各个指标的模糊隶属度值f(xi)乘以100，为该项指标的标准量化值，如式(3)所示：

F(xi)=f(xi)×100

(3)

根据回归分析法及相关现行标准，确定出各个指标的上、下限值及模糊隶属度函数类型，如表5所列。

表5 能效评价指标上下限值及模糊隶属度函数类型指标下限值a上限值b模糊隶属度函数类型重沸器热效率C11/%6085升岭形循环泵电机负载率C12/%3090升岭形循环泵效率C13/%1030升岭形重沸器单位气耗C14/ (m3·(104 m3) -1)4.506.74降岭形系统单位电耗C15/ (kW·h·(104 m3) -1)4.616.91降岭形三甘醇单位损耗量C16/ (mg·m-3)816降岭形重沸器过剩空气系数C171.15降岭形三甘醇贫液质量分数C18/%99100升岭形工艺及设备稳定性C1901降岭形压缩机电动机功率因素C210.650.88升岭形压缩机电动机负载率C22/%4090升岭形压缩机组效率C23/%3075升岭形系统单位电耗C24/ (kW·h·(104 m3) -1)322.022609.294降岭形润滑油单位用量C25/( kg·(kW·h)-1)0.0030.005降岭形天然气泄漏量C26/ (L·min-1)26降岭形

2.4 评价结果计算

利用线性加权法计算储气库地面工艺系统能效综合评价结果，线性加权法就是将评价指标的量化值与各指标权重系数值相乘以得到各单个指标的评价值，再对单个指标评价值进行求和得到最终总评价值。计算步骤如下。

2.4.1准则层指标评价值计算

准则层指标评价值计算公式如式(4)所示：

(4)

式中：Ui为第i个准则层指标的评价值；Uij为第i个准则层指标中第j个指标层指标的评价值；ωij为第i个准则层指标中第j个指标层指标的权重。

2.4.2目标层综合评价值计算

目标层综合评价值计算公式如式(5)所示：

(5)

式中：U为目标层指标的综合评价值；Ui为目标层指标中第i个一级指标的评价值；ωi为目标层指标中第i个一级指标的权重。

3 实例应用

以某枯竭气藏型地下储气库地面工艺系统为例，采用本研究建立的储气库地面工艺系统能效评价指标体系及评价方法，分别对正、异常工况下的储气库地面工艺系统进行能效评价，以进一步验证本体系及方法的合理性。

3.1 储气库地面系统正常工况下的能效评价

任意选取储气库地面系统正常运行时一组实际运行参数，根据所建立的能效评价模型，进行能效评价计算，计算结果如表6所列。储气库地面工艺系统在正常工况下运行时，能效评价得分较高，表明能效水平及适应性情况良好。从各单项指标评价得分来看，重沸器是影响脱水系统用能及能效评价的关键环节，压缩机组效率及系统单位电耗是影响增压系统能效水平的关键。

表6 储气库地面系统正常工况下能效评价计算结果目标层评价值准则层评价值指标层运行值评价值储气库地面系统能效A74.68地面脱水系统能效B169.18重沸器热效率C1176.1414.74循环泵电机负载率C1269.412.16循环泵效率C1321.022.92重沸器单位气耗C145.5220.34系统单位电耗C155.2311.89三甘醇单位损耗量C1612.624.56重沸器过剩空气系数C171.583.65三甘醇贫液质量分数C1899.542.55工艺及设备稳定性C1906.37地面增压系统能效B280.17压缩机电动机功率因素C210.8012.64压缩机电动机负载率C2280.4777.19压缩机组效率C2366.2126.43系统单位电耗C24408.2925.73润滑油单位用量C250.002 48.18天然气泄漏量C269.80

3.2 储气库地面系统异常工况下的能效评价

任意选取储气库地面系统异常运行时一组现场运行参数，根据所建立的能效评价模型，进行能效评价计算，计算结果如表7所列。储气库地面工艺系统在异

常工况下运行时，能效评价得分较低，反映出此时能效水平较低、适应性较差。从单项指标评价值可以看出，三甘醇单位损耗量过高、三甘醇贫液质量分数不达标、工艺设备稳定性较差、润滑油单位用量过高及天然气泄漏量超标是造成能效水平低的主要原因。

表7 储气库地面系统异常工况下能效评价计算结果目标层评价值准则层评价值指标层运行值评价值储气库地面系统能效A48.68地面脱水系统能效B144.41重沸器热效率C1171.759.26循环泵电机负载率C1268.732.11循环泵效率C1320.062.54重沸器单位气耗C145.5915.93系统单位电耗C155.3311.12三甘醇单位损耗量C1615.160.32重沸器过剩空气系数C172.173.13三甘醇贫液质量分数C1897.630工艺及设备稳定性C1910地面增压系统能效B252.94压缩机电动机功率因素C210.8214.56压缩机电动机负载率C2282.167.41压缩机组效率C2364.8925.61系统单位电耗C24532.745.36润滑油单位用量C250.007 20天然气泄漏量C2611.420