油氣田節(jié)能評(píng)估項(xiàng)目耗能設(shè)備計(jì)算方法分析

沙力妮（大慶油田技術(shù)監(jiān)督中心）

國(guó)家發(fā)改委2016年發(fā)布了第44號(hào)令《固定資產(chǎn)投資項(xiàng)目節(jié)能審查辦法》，根據(jù)該辦法，年綜合能源消費(fèi)量大于或等于1000t標(biāo)準(zhǔn)煤，或年電力消費(fèi)量大于或等于500×104kWh的固定資產(chǎn)投資項(xiàng)目應(yīng)按照相關(guān)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范建設(shè)，進(jìn)行節(jié)能審查，即建設(shè)單位需要編寫節(jié)能評(píng)估報(bào)告。未規(guī)定進(jìn)行節(jié)能審查，或節(jié)能審查未獲通過，擅自開工建設(shè)或擅自投入生產(chǎn)、使用的固定資產(chǎn)投資項(xiàng)目，由節(jié)能審查機(jī)關(guān)責(zé)令停止建設(shè)或停止生產(chǎn)、使用，限期改造，不能改造或逾期不改造的生產(chǎn)性項(xiàng)目，由節(jié)能審查機(jī)關(guān)報(bào)請(qǐng)本級(jí)人民政府按照國(guó)務(wù)院規(guī)定的權(quán)限責(zé)令關(guān)閉，并依法追究有關(guān)責(zé)任人的責(zé)任。國(guó)家加強(qiáng)對(duì)節(jié)能評(píng)估工作的監(jiān)管和處罰力度，目的是為了從源頭節(jié)約能源，提高能源的綜合利用效率。

1 現(xiàn)狀

油氣田勘探生產(chǎn)業(yè)務(wù)即是產(chǎn)能大戶也是耗能大戶，對(duì)于油氣田的新建、改擴(kuò)建項(xiàng)目進(jìn)行節(jié)能評(píng)估，合理的采用節(jié)能設(shè)備、新進(jìn)的節(jié)能工藝，能夠降低后期運(yùn)行成本，也能節(jié)約能源。由于油氣田地層物性差別較大，耗能設(shè)備種類較多、繁雜，很難找到準(zhǔn)確地選型方法以及能耗計(jì)算方法，不能準(zhǔn)確地進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，通過對(duì)大量節(jié)能評(píng)估報(bào)告和現(xiàn)場(chǎng)研究分析，提出相關(guān)的選型和計(jì)算方法，以便提高節(jié)能評(píng)估的質(zhì)量和效率。

2 節(jié)能評(píng)估的方法和程序

節(jié)能評(píng)估方法主要包括標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照法、類比分析法、專家判斷法等，其中，標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照法是指通過對(duì)照相關(guān)節(jié)能法律法規(guī)、政策、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，對(duì)項(xiàng)目的能源利用是否科學(xué)合理進(jìn)行分析評(píng)估。類比分析法是指在缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的情況下，通過與處于同行業(yè)領(lǐng)先節(jié)能水平的既有工程進(jìn)行對(duì)比，分析判斷所評(píng)估項(xiàng)目的能源利用是否科學(xué)合理。專家判斷法是指在沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和類比工程的情況下，利用專家經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)和技能，對(duì)項(xiàng)目能源利用是否科學(xué)合理進(jìn)行分析判斷的方法。在實(shí)際評(píng)估工作開展過程中，可根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)選擇適用的評(píng)估方法，可以采用一種評(píng)估方法也可綜合運(yùn)用多種評(píng)估方法，節(jié)能評(píng)估程序框架圖見圖1。

3 主要耗能設(shè)備的選型分析

油氣田建設(shè)項(xiàng)目主要的耗能設(shè)備為機(jī)泵、壓縮機(jī)、變壓器等。文中主要對(duì)這幾種設(shè)備進(jìn)行分析。

3.1 機(jī)泵的選型

油氣田主要的機(jī)泵機(jī)組為注水泵機(jī)組、摻水泵機(jī)組、熱洗泵機(jī)組、輸油泵機(jī)組等等，泵的軸功率可采用下式進(jìn)行計(jì)算：

圖1 節(jié)能評(píng)估程序框架圖

式中：N為水泵軸功率，kW；ρ為介質(zhì)的密度，kg/m3；Q為介質(zhì)流量，m3/h；H為揚(yáng)程，m；g為重力加速度，取9.81；η為效率，%。

配套電動(dòng)機(jī)功率可采用下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：P為電動(dòng)機(jī)功率，kW；ηt為傳動(dòng)裝置效率，%，一般取值0.98；ηd為電動(dòng)機(jī)效率，%；K為功率儲(chǔ)備系數(shù)，一般取值1.05。

根據(jù)公式（1）和公式（2）可以核算出電動(dòng)機(jī)的選型是否合理。當(dāng)對(duì)清水離心泵進(jìn)行選擇時(shí)，可根據(jù)GB19762—2007《清水離心泵能效限定值及節(jié)能評(píng)價(jià)值》，計(jì)算其比轉(zhuǎn)速，根據(jù)圖1確定其基準(zhǔn)值，分別計(jì)算其效率修正值、規(guī)定點(diǎn)效率值、能效限定值和節(jié)能評(píng)價(jià)值。注水泵進(jìn)行選擇時(shí)建議選擇大于節(jié)能評(píng)價(jià)值的泵，不能選擇小于能效限定值的泵。其他離心泵的選型可根據(jù)GB/T13007—2011《離心泵效率》規(guī)定的值，選擇高效的離心泵。

針對(duì)油氣田注水泵的選型，依據(jù)SY/T6569—2010《油田注水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行規(guī)范》的要求，對(duì)注水量偏小、注水壓力較高的油田，宜選用往復(fù)泵。結(jié)合GB/T9234—2018《機(jī)動(dòng)往復(fù)泵》中規(guī)定，選擇高效的往復(fù)泵。

3.2 壓縮機(jī)的選型

油氣田的壓縮機(jī)主要是對(duì)天然氣進(jìn)行壓縮，并進(jìn)行集輸。壓縮機(jī)的軸功率計(jì)算可根據(jù)《干線輸氣管道實(shí)用工藝計(jì)算方法》進(jìn)行計(jì)算。壓縮機(jī)的計(jì)算功率：

式中：N0為壓縮機(jī)軸功率，kW；G為質(zhì)量流量，kg/s；H為多變能頭，即壓縮每千克氣體所消耗的功，(kg·m)/m；η為多變效率，取η0.79~0.83；q為體積流量，m3/d；p0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，Pa；T為氣體在壓縮機(jī)入口處的溫度，K；R為氣體常數(shù)，kg·m/(kg·K)；Rˉ為通用氣體常數(shù)，取848kg?m/( )kg?K；μ為氣體分子量，kg/kmol；y1，y2……yn為天然氣各組分的體積百分?jǐn)?shù)，%；μ1，μ2……μn為天然氣各組分的分子量；k為比熱比，輸氣管道條件下天然氣可取1.4~1.6；ε為壓比；Z為吸入條件下的天然氣壓縮性系數(shù)；p為壓縮機(jī)的吸入口壓力，MPa。

根據(jù)以上公式核算項(xiàng)目壓縮機(jī)功率選擇是否合理。根據(jù)項(xiàng)目的處理量以及工藝需求確定壓縮機(jī)的類型、根據(jù)項(xiàng)目附近的功能情況確定其驅(qū)動(dòng)類型。

3.3 變壓器的選型

油氣田的變壓器主要用于配電線路，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T50350—2015《油田油氣集輸設(shè)計(jì)規(guī)范》節(jié)規(guī)定變壓器的負(fù)載不宜大于80%，采油井場(chǎng)變壓器的平均負(fù)荷率不宜低于30%，選擇變壓器的容量，根據(jù)GB20052—2020《三相配電變壓器能效限定值及能效等級(jí)》中變壓器的能效限定值選擇變壓器的型號(hào)。

4 項(xiàng)目能耗計(jì)算

項(xiàng)目能耗量的計(jì)算是節(jié)能評(píng)估中最重要的部分，能耗量核算的準(zhǔn)確性直接影響項(xiàng)目的各種指標(biāo)分析、同類項(xiàng)目的對(duì)比性分析、地方雙控指標(biāo)分析。項(xiàng)目綜合能耗的計(jì)算主要依據(jù)GB/T2589—2020《綜合能耗計(jì)算通則》。但是該標(biāo)準(zhǔn)并沒有詳細(xì)說明每種能源品種的具體消耗。

4.1 電氣設(shè)備電量計(jì)算

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T0033—2020《油氣田變配電設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，站場(chǎng)內(nèi)生產(chǎn)裝置、機(jī)泵等用電設(shè)備用電負(fù)荷，應(yīng)采用軸功率法計(jì)算，其計(jì)算公式見式（9）；機(jī)械采油、輔助設(shè)施等單元的用電設(shè)備用電負(fù)荷，宜按需要系數(shù)法計(jì)算，其計(jì)算公式見式（10），年消耗電量按式（11）。

式中：ps為機(jī)泵的軸功率功率，kW；η為電動(dòng)機(jī)效率；Ks為綜合系數(shù)，可取1~1.1。

式中：Pc為單元中計(jì)算負(fù)荷有功功率之和，kW；Pr為單元中用電設(shè)備容量，kW；Pm為辦公樓、生活公寓等輔助設(shè)施單元計(jì)算有功功率之和，kW；Kc為按單元?jiǎng)潪榈男枰禂?shù)，輔助設(shè)施取0.5，抽油機(jī)井取0.2~0.35。

式中：Wy為年消耗電量，kWh；αav為年平均有功負(fù)荷系數(shù)，一般取0.7~0.75；Pc為計(jì)算的有功功率，kW；Tc為年實(shí)際工作小時(shí)數(shù)。

4.2 加熱爐耗氣量計(jì)算

加熱爐耗氣量的計(jì)算，可根據(jù)加熱爐的正平衡效率計(jì)算，其公式為：

式中：Njr為加熱爐有效功率，kW；B2為加熱爐燃料氣消耗量，m3/h；Qnet.var為標(biāo)況下燃料氣收到基低位發(fā)熱量，kJ/m3。

5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用

某氣田為了適應(yīng)產(chǎn)能的需要，新建氣井300口，新建采氣管線433.59km、集氣支干線35.59km、注醇管線338.54km、采出水管線35.95km，新改擴(kuò)建站場(chǎng)共10座，預(yù)計(jì)年產(chǎn)氣26.0×108m3。

其中新建集氣站，配備了2臺(tái)壓縮機(jī)組，排氣量為25.9×104～72×104m3/d，回注泵2臺(tái)，流量為35m3/h、揚(yáng)程40m，新增變壓器1臺(tái)，型號(hào)為S11-160。加熱爐1臺(tái)，容量為400kW。

5.1 回注泵選型分析

根據(jù)式（1）、式（2），計(jì)算回注泵的電動(dòng)機(jī)功率為5.7kW，該項(xiàng)目選擇的回注泵的電動(dòng)機(jī)功率為7.5kW，故電動(dòng)機(jī)功率選擇合理。

項(xiàng)目給出了電動(dòng)機(jī)的功率，未給出具體的型號(hào)，依據(jù)國(guó)家《節(jié)能機(jī)電設(shè)備產(chǎn)品目錄》第四批，建議選擇7.5kW的YB3型電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2900r/min，根據(jù)電動(dòng)機(jī)選擇能效水平高于72.5%的泵。計(jì)算過程如下：根據(jù)流量35m3/h、揚(yáng)程40m、轉(zhuǎn)速為2900r/min，計(jì)算出其比轉(zhuǎn)速為83.63；依據(jù)《清水離心泵能效限定值及節(jié)能評(píng)價(jià)值》（GB19762—2007），當(dāng)設(shè)計(jì)流量為35m3/h，未修正效率為73%；依據(jù)《清水離心泵能效限定值及節(jié)能評(píng)價(jià)值》（GB19762—2007），比轉(zhuǎn)速為83.63時(shí)，效率修正值為2.5%；泵規(guī)定點(diǎn)效率值70.5%；能效限定值67.5%；節(jié)能評(píng)價(jià)值為72.5%。

5.2 壓縮機(jī)的選型分析

某新建集氣站，新增壓縮機(jī)2臺(tái)，型號(hào)為JGT壓縮機(jī)組，額定功率957kW，新增集氣量108.30×104m3/d，進(jìn)站壓力1.30MPa，出站壓力2.77MPa。

根據(jù)式（3）~式（8），壓縮機(jī)的負(fù)荷率取0.8，計(jì)算出新建集氣站應(yīng)配備壓縮機(jī)的功率為1670.58kW，項(xiàng)目配置功率為1914kW，故壓縮機(jī)功率選型合理。

該工程處理量、壓縮比以及國(guó)內(nèi)外油氣田天然氣增壓應(yīng)用現(xiàn)狀，增壓壓縮機(jī)一般可選用離心式壓縮機(jī)或往復(fù)式壓縮機(jī)，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，離心式和往復(fù)式壓縮機(jī)對(duì)比見表1。

由表1可以看出，往復(fù)式壓縮機(jī)對(duì)工況的變化適應(yīng)力更強(qiáng)，更適合于氣體滾動(dòng)開發(fā)對(duì)原料氣增壓的需求；往復(fù)式壓縮機(jī)單機(jī)功率較小，但效率更高。因此，該工程采用往復(fù)式壓縮機(jī)是合理的。

5.3 變壓器的選型分析

該項(xiàng)目選擇的變壓器型號(hào)為S11-160，改變壓器的空載損耗為0.27kW，負(fù)載損耗為2.2kW，根據(jù)GB20052—2020《三相配電變壓器能效限定值及能效等級(jí)》中變壓器的能效限定值，該變壓器能效值大于3級(jí)限定值，建議更換變壓器的型號(hào)，更換為S13型變壓器，其損耗值小于S11型變壓器，符合相關(guān)的節(jié)能指標(biāo)，變壓器不同型號(hào)的空載、負(fù)載對(duì)比見表2。

表1 離心式和往復(fù)式壓縮機(jī)對(duì)比

表2 變壓器不同型號(hào)的空載、負(fù)載對(duì)比

5.4 能耗計(jì)算分析

1）根據(jù)式（9），回注泵的用電負(fù)荷為7.13kW，負(fù)荷率為0.75，年運(yùn)行時(shí)間為8000h，則回注泵的年用電量為42780kWh。

2）根據(jù)式（12），燃?xì)怛?qū)動(dòng)壓縮機(jī)效率通常在22%~27%，取壓縮機(jī)效率取25%，燃料氣收到基低位發(fā)熱量為35544kJ/m3，經(jīng)計(jì)算集氣站壓縮機(jī)的燃料氣消耗量為541.44m3/h，年工作時(shí)間按4000h計(jì)算，則新建集氣站的壓縮機(jī)年消耗氣量為216.58×104m3。

3）根據(jù)式（12），加熱爐的效率按85%計(jì)算，新建集氣站加熱爐的燃料氣消耗量為16.18m3/h；年工作時(shí)間按4000h計(jì)算，則年消耗氣量為6.48×104m3。

6 結(jié)語

文中給出了油氣田節(jié)能評(píng)估的方法和內(nèi)容，明確主要耗能設(shè)備的選型方法和能效選擇依據(jù)，以便合理的選擇節(jié)能設(shè)備，以便提高項(xiàng)目建成后能源利用率，節(jié)約能源，降低運(yùn)行成本；明確了消耗能源的計(jì)算方法，以便能夠準(zhǔn)確的核算項(xiàng)目的新增能耗，為準(zhǔn)確的計(jì)算項(xiàng)目的能效指標(biāo)、地區(qū)的雙控制指標(biāo)奠定基礎(chǔ)，提高節(jié)能報(bào)告的精度，更好地為節(jié)約能源打下基礎(chǔ)。