氣田作業(yè)區(qū)節(jié)能減排方案綜述

李雨佳李克強吳彤

（1.西南石油大學；2.中國石油天然氣集團公司工程技術節(jié)能監(jiān)測中心；3.川慶鉆探質量安全環(huán)保處）

氣田作業(yè)區(qū)節(jié)能減排方案綜述

李雨佳1李克強2吳彤3

（1.西南石油大學；2.中國石油天然氣集團公司工程技術節(jié)能監(jiān)測中心；3.川慶鉆探質量安全環(huán)保處）

通過對氣田作業(yè)區(qū)目前用能狀況分析，查找出各系統(tǒng)在運行管理方面所存在的問題。在地面集輸系統(tǒng)，包括天然氣壓縮機、泵機組、水套爐，凈化處理系統(tǒng)和地面長輸系統(tǒng)方面進行節(jié)能潛力分析，提出相應的整改對策與措施，如循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能改造，余熱利用技術，超間速脫水、脫烴技術，管道優(yōu)化運行等，提高了各系統(tǒng)的能源利用效率。

氣田 地面集輸 凈化處理 地面長輸 節(jié)能潛力

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

進入21世紀以來，我國由于傳統(tǒng)的資源依賴型粗放式生產方式和過度消費生活模式沒有得到根本改變，能源問題已經成為制約經濟和社會發(fā)展的重要因素。解決我國的能源問題，根本出路是在于節(jié)約能源，大力推進節(jié)能降耗，提高資源利用效率，實現能源的可持續(xù)發(fā)展。

1 目前狀況及存在問題

就氣田作業(yè)區(qū)而言，其主要由地面集輸系統(tǒng)、凈化處理系統(tǒng)、地面長輸系統(tǒng)等部分組成。從監(jiān)測情況來看，各單位在資源節(jié)約方面或多或少都存在著一些問題，其主要表現在以下五個方面：

（1）設備自身問題：設備本身設計效率不高，不是節(jié)能產品，制約著能源的高效利用；設備維護保養(yǎng)不當，存在漏失、磨損等問題，加大了能源的消耗。

（2）設備匹配問題：主要表現在設備的選型與工藝要求不相匹配，雖然單臺設備設計效率較高，但與其他設備或工藝不相匹配，制約著各設備性能的充分發(fā)揮。

（3）設備使用問題：操作人員技術水平較差，不能根據負荷變化合理調整設備運行參數，致使設備長期運行在非經濟區(qū)；操作人員責任心不強，節(jié)能意識不夠，只求設備運轉，不求高效運行；管理不到位，沒有起到應有的監(jiān)督作用。

（4）節(jié)能產品問題：針對設備存在的問題沒有采用已被實踐證明確有節(jié)能效果的技術和產品；已有的節(jié)能產品閑置不用或已經損壞，沒有起到應有的作用。

（5）原料及產品問題：沒有把好原料（產品原料、能源原料等）進貨關，其質量沒有達到有關規(guī)定要求；終端產品帶出剩余能量過多，造成能源白白浪費。

特定的系統(tǒng)，有著特定的問題。

1.1 地面集輸系統(tǒng)

地面集輸系統(tǒng)的主要耗能設備包括：天然氣壓縮機、泵機組、水套爐（加熱爐、鍋爐）。

1.1.1 天然氣壓縮機

（1）從監(jiān)測結果來看，大部分電動壓縮機的電動機功率因數較低，多在0.5～0.7之間，電能利用率不高，沒有達到行業(yè)有關標準的要求。

（2）輸出壓力不合理，遠高于其他設備或工藝要求壓力，造成大量壓力能損失，影響到系統(tǒng)的能源利用效率。

（3）壓縮機運行負荷較低，天然氣未能充分燃燒，或排煙溫度偏高，造成大量的散熱損失和氣體不完全燃燒熱損失。監(jiān)測結果表明燃氣輪機效率大多在15%～23%之間，壓縮機機組效率在13%～20%之間。

（4）由于維護保養(yǎng)不及時或不到位，隨著零部件的老化或破損而發(fā)生壓縮機或管線的泄漏，造成能源損失和安全隱患。此外，使用較長時間后,污泥、雜質與水附著在管路內壁上形成污垢,使管路有效直徑變小，損失系數增大。

（5）循環(huán)冷卻水經過幾年使用后水質變差，管線水垢結厚，造成空壓機超溫、報警跳停、氣路縮小，嚴重的甚至造成高壓缸蓋沖壞，后冷卻器裂紋，使壓縮機損壞。

1.1.2 泵機組

（1）泵機組的額定參數與實際運行工況出入較大，其負載率較低，使泵機組無法運行在高效經濟區(qū)，有的電動機負載率僅5%左右，機組效率僅15%左右。其主要表現在所選電動機功率過大、泵的額定排量和揚程與實際工況不匹配等。

（2）電動機功率因數偏低，有的僅0.5左右，遠低于標準要求的0.85以上，從而造成電網無功分量增加，無功損失加大。

（3）設備維護保養(yǎng)不夠，表現在：泵漏損較大；備用設備無法正常運行；設備腐蝕比較嚴重。

（4）電動機選用較小，引起電動機超負荷運行，有的負載率高達110%以上，使電動機發(fā)熱量增大，長期使用將會使電動機過熱，縮短電動機的使用壽命和影響生產安全。

（5）所選取的設備設計效率偏小，屬于國家、集團公司明令淘汰產品，在實際運行時效率偏低，浪費嚴重。

1.1.3 水套爐（加熱爐、鍋爐）

（1）配風不夠合理，進入爐內的空氣量過多，使爐內溫度降低，燃燒不完全，導致大量的能源損失，設備熱效率大部分在50%～70%之間。

（2）設備排煙溫度超標，有的高達300℃左右，使排煙熱損失過大，達到了20%左右，降低了爐子的運行效率。

（3）設備投產至今由于產能下降，過低的產能造成設備長時間處于低負荷狀態(tài)，使爐內溫度低，燃燒不充分，一氧化碳含量高，氣體未完全燃燒，熱損失大。

（4）年久失修、超期服役致使爐體老化、表面破損、結垢嚴重、內部腐蝕等問題較為普遍，導致散熱損失加大，傳熱不良等現象發(fā)生。

（5）由于設備監(jiān)測力度不夠，基層生產單位缺乏設備檢測儀器及相關技術人員，無法保證設備的運行達到最佳。此外，操作人員技術素質不高或責任心不強，沒有對設備負荷進行及時調整，導致各項損失偏大。

1.2 凈化處理系統(tǒng)

凈化處理系統(tǒng)主要由脫硫單元、脫水單元、硫回收單元、硫磺成型單元、供熱站、空氣氮氣站、放空系統(tǒng)、循環(huán)水處理單元、水處理單元、污水處理單元組成，其主要耗能設備包括機泵、風機、空壓機及燃燒爐、廢熱鍋爐、灼燒爐、鍋爐。

通過監(jiān)測和現場調研，其存在的主要問題表現在如下幾個方面：

（1）該系統(tǒng)所消耗的天然氣主要在放空和鍋爐等加熱設備的燃料用氣方面，經實際監(jiān)測鍋爐熱效率僅在35%～45%之間，其主要原因是鍋爐風量過大，使過量空氣系數遠遠大于指標要求。

（2）循環(huán)水系統(tǒng)泵機組為6 kV的高壓泵，雖然泵機組效率在60%～65%之間，但與其設計效率相比還有一定的差距，仍有一定的節(jié)電空間。

（3）放空火炬年耗天然氣在38×104m3左右，損耗巨大。而且放空火炬使用年限較長，火炬頭腐蝕較為嚴重，容易出現火炬頭回火和放空筒體穿孔情況，并且存在自動點火系統(tǒng)失效等安全隱患。

（4）該系統(tǒng)脫硫裝置溶液循環(huán)泵機組效率平均在53%左右，但對高壓富液能量未利用，加上整體用電量較大，有一定的節(jié)電空間。

（5）該系統(tǒng)有大量的熱能沒有利用：原料氣增壓過程中的壓縮機出口天然氣熱量及煙氣熱量；灼燒（加熱）設備的煙氣余熱；SCOT裝置中產生化學反應釋放的熱能。

（6）從吸收塔出來的富液壓力較大，進閃蒸塔前需要降壓，現在一般情況是用閥門降壓，損失了大量的能量。

（7）溶液泵常常在低負荷狀態(tài)下運行，其運行狀況沒能隨貧液量的大小而進行有效、及時的調整。

（8）閃蒸氣目前主要用作燃燒爐及廢熱鍋爐的燃料，不僅造成了能源的浪費，而且對環(huán)境也造成一定的影響。

1.3 地面長輸系統(tǒng)

（1）由于設備、施工、管理等質量原因，輸送系統(tǒng)天然氣泄漏損失較大，輸氣效率與世界先進水平（99%以上）相比存在較大差距。特別是從輸配氣站及閥室來看，其泄漏現象比較普遍，在無人值守的情況下更為嚴重，有的輸配氣線路泄漏量達其年輸送量的2%以上。

（3）輸氣管道的經濟效益要靠長期穩(wěn)定高效運行來實現，在管道設計中，一般要求管道在設計輸量范圍內穩(wěn)定運行30年左右。但目前輸氣管道在不同的地區(qū)存在超負荷或超低負荷運行情況，系統(tǒng)不能在高效區(qū)工作。

（3）輸氣管道的優(yōu)化運行是降低輸送成本的重要手段，但與國外先進水平相比，我國目前在管道優(yōu)化運行方面存在不足，研究能力比較薄弱。

（4）在設備的運行方面，存在輸送壓力、溫度選擇不夠合理，設備管理不善等問題。

2 節(jié)能技術及效果預測

2.1 地面集輸系統(tǒng)

2.1.1 天然氣壓縮機

（1）對于電動壓縮機，在提高自然功率因數的基礎上，通過加裝就地無功自動補償設備，或采用相控調壓技術來提高電動機功率因數。

（2）通過提取壓縮機內的水垢及冷卻水進行化驗分析，針對水垢及水質中化學物質的含量情況，采用碳酸鈉、磷酸鈉、氫氧化鈉的化學配方組成復合去垢劑進行處理來提高水質。同時,在冷卻循環(huán)水經空壓機回流水出口外，定期清洗過濾裝置，去掉各種水垢沉淀物，防止水垢再次進入空壓機內。

（3）壓縮機機組效率提升方面：

◇對于電動壓縮機，根據供氣量及供氣壓力采用變頻器來調節(jié)電動機運行參數，保證恒壓供氣質量，減少對電網、設備沖擊，達到節(jié)省電能的目標。

◇對于燃氣壓縮機，由于其大量的能源隨煙氣而損失，因此煙氣余熱利用是提高機組效率最有效的辦法。利用煙氣余熱來加熱原料氣或為生活供熱，停運井場的水套爐和熱水器，達到了節(jié)約能源的目的。此外，當燃氣輪機運行時，機組的循環(huán)水溫可以達到70～90℃，通過增加熱交換器來代替鍋爐供暖。

◇通過提高冷卻水流量、清除冷卻器管束沉積物等措施來提高中間冷卻器的換熱性能，使二級進氣溫度能滿足近似等溫壓縮的進氣溫度，保證回冷完善，并降低各級氣缸的溫度，使每級壓縮過程接近于等溫壓縮。

（4）盡可能減少設備內外泄漏和余隙容積。外泄漏氣直接漏入大氣或漏入一級進氣管路，不僅降低了排氣量，也對環(huán)境安全造成一定影響。內泄漏氣體由高壓級漏入低壓級或級間管道，造成氣體重復壓縮，增加了能源消耗，并影響排氣壓力和溫度。因此，在設備檢修時，應嚴格按照各零件的安裝順序、技術數據進行安裝，使進排氣閥、活塞環(huán)和填料函等處的內外泄漏減小到最低限度。

2.1.2 泵機組

（1）針對泵在工作過程中泵液量變化大、泵型與實際工作參數不相匹配、泵負荷低等實際問題，采取變頻調速技術，可實現泵機組節(jié)電20%～60%。

（2）對于電動機負荷低，功率因數小的問題，通過對泵機組常年運行情況和監(jiān)測數據分析計算，有針對性地加裝無功自動補償裝置，使功率因數保持在0.9左右。此外，對常年負荷較低的電動機，應考慮更換為容量較小的電動機。

（3）對于額定效率較低的高耗低效設備，通過對設備更新、改造來提高設備運行效率。

（4）對于設備維護保養(yǎng)不當的問題，通過完善管理制度、設備維護保養(yǎng)制度及操作規(guī)程，并加強對操作人員的業(yè)務培訓和職業(yè)道德教育，提高培訓的有效性、時效性和針對性來加以解決。

2.1.3 水套爐（加熱爐、鍋爐）

（1）對于配風不合理的設備加裝燃燒控制裝置，根據煙氣中的氧含量來實時調節(jié)空氣與燃料的比例，減少操作的盲目性和操作人員技術水平的干擾。

（2）針對設備盤管結垢造成爐子運行效率降低的問題，采用變頻脈沖除垢技術來清除管內結垢。對老式二合一加熱爐進行高效熱管技術改造，利用高效熱管具有傳熱速度快、軸向傳熱能力強、傳熱效率高的優(yōu)點來提高加熱爐熱效率。

（3）采用高效節(jié)能燃燒器對加熱爐燃燒系統(tǒng)進行改造，以實現根據進出口溫度或爐膛溫度的檢測控制燃料氣流量，并對燃料/空氣混合比進行調節(jié)，提高設備運行效率。

（4）加強對設備的日常維護保養(yǎng)工作，包括爐體的清灰、降低煙溫、維護保溫層、采用新型保溫材料、爐體內涂紅外輻射涂料等措施，以減少設備散熱損失，提高設備運行效率。

2.2 凈化處理系統(tǒng)

2.2.1 循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能改造

在現有天然氣處理量的情況下，為了使天然氣凈化裝置的冷卻器換熱效果好，確保凈化廠天然氣凈化裝置的正常運行，采用溫差控制與壓力低值鉗位相結合的控制系統(tǒng)，通過變頻器控制系統(tǒng)控制泵的轉速來完成所需的循環(huán)水量和泵的輸出壓力，以確保循環(huán)水經過涼水塔后，溫差在4～9℃之間。

2.2.2 脫硫裝置溶液循環(huán)泵系統(tǒng)節(jié)能改造

該系統(tǒng)脫硫工藝目前使用的是濕法脫除工藝（溶液循環(huán)吸收），脫硫吸收塔在高壓下吸收，而吸收后含有SO2和H2S氣體的富液則在常壓下再生成貧液，因而需要用溶液循環(huán)泵將再生后的貧液加壓至高壓后進入吸收塔，故溶液循環(huán)泵的揚程較高，電動機功率較大。離開吸收塔的富液通常經減壓閥降至較低壓力后進入再生系統(tǒng)，這樣就造成了高壓富液壓力能的浪費。根據現狀分析，采用透平增壓泵技術，把富液所含的巨大壓能直接轉換成貧液的壓力能量，從而有效降低溶液循環(huán)泵的電耗。

2.2.3 余熱利用技術

對于化學反應中產生的熱能，在SCOT裝置中的轉化器之間加裝換熱器對脫鹽水進行加熱；SCOT裝置中廢熱鍋爐余熱可用蒸汽透平帶動風機加以利用；SCOT裝置中灼燒爐所產生的煙氣余熱利用換熱器吸收來加熱脫鹽水。余熱也可用于對硫管道進行保溫，以減少鍋爐產蒸汽量，節(jié)約燃料氣消耗量。對于燃氣輪機，目前主要采用簡單循環(huán)的方式利用煙氣余熱，即直接采用余熱鍋爐回收煙氣中的熱量用于制冷或供熱。

2.2.4 超音速脫水、脫烴技術

天然氣超音速脫水、脫烴技術是利用天然氣在超音速流動狀態(tài)下，低溫冷凝出液態(tài)水和烴的現象進行脫水、脫烴，是一種將透平膨脹機、分離器和壓縮機功能集于一體的裝置。從1997年起，殼牌石油公司就開展了此項技術的研究，2003年石油科技發(fā)展部也進行了立項研究，目前該技術已逐步成熟并已實際應用。

2.2.5 溶液泵技術改造

為了提高溶液泵的運行效率，通過變頻調速技術，以出吸收塔的濕凈化氣中H2S的含量為基準來控制電機的運行頻率，實時調節(jié)貧液的輸出流量。

2.2.6 閃蒸氣的重復利用

閃蒸氣的主要成分為CH4、CO2及H2S，若對其進行燃燒處理，不僅浪費了能源，也對鍋爐、省煤器等設備和周圍環(huán)境造成一定的傷害?？梢岳迷鰤簷C將其增壓后再與原料氣一起進行新的循環(huán)，以產生更多的成品天然氣。

2.3 地面長輸系統(tǒng)

2.3.1 管道的優(yōu)化運行

為了實現管道的優(yōu)化運行，硬件方面最有效的工具是SCADA系統(tǒng)。這是一個多功能的運行管理與監(jiān)控系統(tǒng)，可以實現對管道運行全過程進行控制、模擬、分析、預測、計劃、調度和優(yōu)化，可以對管線及設備狀態(tài)進行診斷并提出維修建議，可以執(zhí)行事故報警并采取保護措施。目前，SCADA系統(tǒng)的功能已相當完善，并進一步向智能化和專家系統(tǒng)的方向發(fā)展。

2.3.2 選擇合理的輸氣壓力

由于輸送系統(tǒng)的最大工作壓力受輸氣機組能力及管材機械性能、焊機施工質量等因素所限，因此，應根據試驗結果選擇合理的輸氣壓力，以實現節(jié)能降耗的目的。不斷提高輸氣壓力，是今后管道工業(yè)發(fā)展的方向。

2.3.3 選擇適宜的輸氣溫度

輸氣溫度對系統(tǒng)能耗影響很大，輸氣管道除向土壤散熱損耗外，壓縮機組的效率也與輸氣溫度密切相關。要降低能耗，除了提高管道內天然氣的壓力以外，還必須降低管道內天然氣的溫度，但需保證天然氣的水露點和烴露點不得超過最低環(huán)境溫度。

2.3.4 減少管道阻力損失

天然氣管道輸送過程中，輸送能耗相當一部分消耗在克服管線沿程的摩擦阻力上，也即通常所說的輸送壓降。而沿程摩阻的大小除了與流態(tài)有關外，管內壁粗糙度的大小也是一個重要因素。為了減小管壁粗糙度，以減小摩阻，降低輸送能耗，最常用的辦法是進行管壁內涂層。采用內涂層后，在同樣的輸送溫度和壓降下，可有效提高輸氣量。

2.3.5 減少天然氣損失

減少天然氣損失不僅可提高輸氣效率，而且可避免對環(huán)境和安全的影響。采取的措施可以利用移動壓縮機將放空管段中的天然氣送至相鄰管段中，保持搶修或檢修時系統(tǒng)的密閉。此外，在運行過程中應加強管線的巡檢工作，以及時發(fā)現管線泄漏情況，并采取及時措施減少能源浪費。

3 結束語

氣田作業(yè)區(qū)的節(jié)能降耗是一項長期而艱巨的任務，而且隨著設備的更新、工藝的改進、管理的進步和認識的提高，節(jié)能工作也在不斷地發(fā)展。因此，各單位要分析現狀，查找問題，積極跟蹤、研究、推廣國內外先進的生產工藝和節(jié)能技術，實現節(jié)能效果和經濟效益的統(tǒng)一；要提高員工的節(jié)能意識和責任意識，加強業(yè)務培訓，不斷增強培訓工作的有效性、針對性和時效性；要建立和完善有效的約束激勵機制，落實目標責任，將節(jié)能指標層層分解、壓力逐級傳遞，激勵全員節(jié)能工作的積極性和主動性；要加強制度建設，配套完善各項管理制度、工作細則，增強制度、細則的可操作性和針對性，并加強過程控制，使各項工作做到有章可循、有據可依，有效提高工作質量和效率。

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李雨佳，現就讀于西南石油大學過程裝備與控制工程專業(yè)，獲得國家實用新型專利授權一項，E-mail：jidian_zg@163.com，地址：四川省成都市新都區(qū)西南石油大學，610500。

2011-03-18)