塔里木油田重點(diǎn)用能系統(tǒng)能效分析與評價(jià)

孟波 曹瑩 馬海波 葛永廣 李泓霏

1塔里木油田公司油氣工程研究院

2東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院

3新疆油田公司西北油田節(jié)能監(jiān)測中心

塔里木油田位于我國最大的含油氣盆地——塔里木盆地，油氣資源量達(dá)178×108t，目前累計(jì)發(fā)現(xiàn)和探明31 個(gè)油氣田，探明油氣儲量當(dāng)量26.2×108t，生產(chǎn)油氣產(chǎn)量當(dāng)量超3.6×108t，已建成2 600×104t 級大油氣田，是我國陸上第三大油氣田和西氣東輸主力氣源地。2017 年，國家發(fā)改委制定發(fā)布“重點(diǎn)用能單位百千萬行動(dòng)”工作方案，提出實(shí)行能源消耗總量和強(qiáng)度的“雙控”目標(biāo)及考核要求。塔里木油田公司作為“萬家”企業(yè)之一，為有效貫徹落實(shí)國家要求及“雙控”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，需要對其重點(diǎn)用能系統(tǒng)開展能耗及能效水平分析，發(fā)現(xiàn)目前存在的問題，并提出有效的改進(jìn)措施和方案。

1 重點(diǎn)用能系統(tǒng)能耗構(gòu)成分析

塔里木油田重點(diǎn)用能系統(tǒng)主要包括機(jī)械采油、注水、原油集輸以及天然氣集輸與處理，各用能系統(tǒng)的工藝及耗能設(shè)備、能耗種類等見表1[1-3]。

由表1可知，塔里木油田重點(diǎn)用能系統(tǒng)的能耗主要為電力、天然氣，其中天然氣消耗最大，其次為電力。在塔里木油田實(shí)際生產(chǎn)過程中，還會(huì)涉及到其他能源消耗，如原油、熱力等，但整體能耗占比很小。

2 重點(diǎn)用能系統(tǒng)能效指標(biāo)體系

2.1 能效指標(biāo)體系構(gòu)架

根據(jù)塔里木油田的實(shí)際生產(chǎn)特點(diǎn)，將能效指標(biāo)體系分為三個(gè)層級構(gòu)建。

（1）第一層級，宏觀綜合指標(biāo)。反映公司整體能源利用水平，主要以最終產(chǎn)品（或工作量）的單位能耗來表示。

（2）第二層級，生產(chǎn)系統(tǒng)指標(biāo)。反映公司內(nèi)部各用能生產(chǎn)系統(tǒng)（環(huán)節(jié)/工藝）的能效水平，主要以系統(tǒng)效率或單耗來表示。

（3）第三層級，終端設(shè)備指標(biāo)。反映耗能設(shè)備的能效水平，主要以設(shè)備效率來表示。

塔里木油田公司能效指標(biāo)體系框架見圖1[4]。

圖1 塔里木油田公司能效指標(biāo)體系框架Fig.1 Framework of the energy efficiency index system of Tarim Oilfield Company

2.2 能效指標(biāo)體系建立

根據(jù)圖1所示的體系框架，結(jié)合塔里木油田公司的實(shí)際生產(chǎn)工藝及用能特點(diǎn)，建立了塔里木油田公司能效指標(biāo)體系（圖2），該指標(biāo)體系共包含三個(gè)層級16項(xiàng)指標(biāo)。

圖2 塔里木油田公司能效指標(biāo)體系Fig.2 Energy efficiency index system of Tarim Oilfield Company

2.2.1 宏觀綜合指標(biāo)

宏觀綜合指標(biāo)為油氣田生產(chǎn)綜合能耗，具體可分為以下2項(xiàng)指標(biāo)：

（1）對于油田而言，即單位油（氣）生產(chǎn)綜合能耗，反映油田每產(chǎn)出1 t 原油（原油當(dāng)量）時(shí)能源的消耗量，是統(tǒng)計(jì)期內(nèi)油田生產(chǎn)能源消耗總量與油氣當(dāng)量的比值。

表1 塔里木油田重點(diǎn)用能系統(tǒng)工藝及能耗組成特點(diǎn)Tab.1 Process and energy consumption characteristics of key energy consumption system in Tarim Oilfield

（2）對于氣田而言，即單位天然氣生產(chǎn)綜合能耗，反映氣田產(chǎn)出1×104t 商品天然氣時(shí)能源的總消耗量，是統(tǒng)計(jì)期內(nèi)氣田生產(chǎn)能源消耗量與天然氣產(chǎn)量的比值。

2.2.2 生產(chǎn)系統(tǒng)及終端設(shè)備指標(biāo)

生產(chǎn)系統(tǒng)及終端設(shè)備指標(biāo)包括4大類生產(chǎn)系統(tǒng)及其設(shè)備的能效指標(biāo)14 項(xiàng)，具體的指標(biāo)測試和計(jì)算方法見表2。

噸液百米耗電更注重反映系統(tǒng)的耗電情況，是直觀的量化指標(biāo)，較符合現(xiàn)場人員的理解和認(rèn)知。

注水系統(tǒng)效率是從系統(tǒng)整體能耗情況入手，著重系統(tǒng)的能效；單位壓力注水量電耗是從系統(tǒng)的單耗情況入手，著重系統(tǒng)的耗電情況，是直觀的量化指標(biāo)，更符合現(xiàn)場人員的理解和認(rèn)知習(xí)慣。雖然這兩項(xiàng)指標(biāo)都不能完全合理反映注水系統(tǒng)的能效水平，在油田企業(yè)間的橫向?qū)Ρ确治鲋斜碚餍暂^差，但對于企業(yè)內(nèi)部的縱向?qū)Ρ确治鼍哂兄匾膮⒖純r(jià)值。

3 能效評價(jià)方法

現(xiàn)場調(diào)研表明，塔里木油田下屬各油氣開發(fā)部及其所轄區(qū)塊的地質(zhì)條件、油氣物性、含水率、系統(tǒng)布局規(guī)模等不盡相同，故導(dǎo)致能效指標(biāo)體系中的5 項(xiàng)指標(biāo)（2 項(xiàng)宏觀綜合指標(biāo)；3 項(xiàng)生產(chǎn)系統(tǒng)指標(biāo)：單位液量集輸綜合能耗、單位氣田集輸綜合能耗、單位天然氣處理綜合能耗）的橫向可比性較差，且這些指標(biāo)實(shí)質(zhì)上在相應(yīng)的生產(chǎn)系統(tǒng)和終端設(shè)備指標(biāo)中均有體現(xiàn)。因此，在對塔里木油田用能系統(tǒng)進(jìn)行能效分析與評價(jià)時(shí)，暫不考慮這5項(xiàng)指標(biāo)，而主要從生產(chǎn)系統(tǒng)、終端設(shè)備兩個(gè)層級進(jìn)行能效分析與評價(jià)。

表2 生產(chǎn)系統(tǒng)及終端設(shè)備指標(biāo)匯總及執(zhí)行方法Tab.2 Method for summarizing and executing indexes of production system and terminal equipment

在具體開展相應(yīng)的能效評價(jià)工作時(shí)，通過對能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場測試或在線監(jiān)測，計(jì)算得到各項(xiàng)能效指標(biāo)數(shù)值，結(jié)合各生產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)際情況，采用標(biāo)準(zhǔn)對照、加權(quán)綜合評價(jià)方法進(jìn)行指標(biāo)及系統(tǒng)能效的分析與評價(jià)。

3.1 生產(chǎn)系統(tǒng)評價(jià)

生產(chǎn)系統(tǒng)評價(jià)主要采用標(biāo)準(zhǔn)對照、加權(quán)綜合評價(jià)相結(jié)合的方式進(jìn)行。

機(jī)采、注水系統(tǒng)的能效評價(jià)采用標(biāo)準(zhǔn)對照法，原油集輸和天然氣集輸與處理系統(tǒng)采用加權(quán)綜合評價(jià)法進(jìn)行評價(jià)，具體見表3。

表3 生產(chǎn)系統(tǒng)能效評價(jià)方法Tab.3 Energy efficiency evaluation method of production system

3.2 終端設(shè)備評價(jià)

終端設(shè)備評價(jià)采用標(biāo)準(zhǔn)對照法，其評價(jià)指標(biāo)及依據(jù)見表4。

表4 終端設(shè)備評價(jià)方法Tab.4 Evaluation method of terminal equipment

3.3 加權(quán)綜合評價(jià)方法

3.3.1 加權(quán)綜合評價(jià)函數(shù)計(jì)算

在進(jìn)行加權(quán)綜合評價(jià)函數(shù)之前，首先對權(quán)重矩陣與各分項(xiàng)計(jì)算矩陣分別進(jìn)行計(jì)算。

權(quán)重矩陣A表達(dá)式為

式中：A為權(quán)重矩陣；m為各類系統(tǒng)對應(yīng)的設(shè)備種類數(shù)目，如原油集輸系統(tǒng)主要包括泵和加熱爐，則m=2；i為某系統(tǒng)內(nèi)對應(yīng)設(shè)備種類的變量，i=1，2，…，m；Pi為某系統(tǒng)內(nèi)第i類設(shè)備的額定功率之和，kW；PΣ為某系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備的額定功率之和，kW。

各分項(xiàng)計(jì)算矩陣B表達(dá)式為

式中：bi為第i類設(shè)備的能效加權(quán)值；Pij為第i類設(shè)備中第j臺的額定功率，kW；n為各系統(tǒng)中某類設(shè)備的臺數(shù)，如原油集輸系統(tǒng)共有5 臺泵，則n=5；j為對應(yīng)的某類設(shè)備臺數(shù)的變量，j=1，2，…，n；ηij為第i類設(shè)備中第j臺的實(shí)際運(yùn)行效率，%，如第j臺設(shè)備為輸油泵機(jī)組，實(shí)際運(yùn)行效率為45%，即ηij=45%；ηi0j為第i類設(shè)備中第j臺的效率合格值，%，如第j臺設(shè)備對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中該型號設(shè)備的機(jī)組效率合格值為55%，即ηi0j=55%；B為各分項(xiàng)計(jì)算矩陣。

表5 各廠站的主要耗能設(shè)備情況Tab.5 Main energy-consuming equipment of each plant and station

某生產(chǎn)系統(tǒng)的能效加權(quán)綜合評價(jià)函數(shù)C表達(dá)式為

3.3.2 能效加權(quán)綜合評價(jià)方法

能效綜合評價(jià)的具體步驟如下：

（1）對各類系統(tǒng)單獨(dú)分析。根據(jù)前文的計(jì)算方法，分別計(jì)算得到各類生產(chǎn)系統(tǒng)的加權(quán)綜合評價(jià)函數(shù)C1，C2，…，Ck。

（2）排序。將需評價(jià)的k個(gè)系統(tǒng)（如機(jī)采、注水等）的所有C值按由高到低進(jìn)行排序。

（3）指標(biāo)限值確定。根據(jù)C值排序后，限值的確定方法分為兩種情況：①若測試數(shù)據(jù)量大，具有統(tǒng)計(jì)規(guī)律，則取排序前30%的數(shù)值作為優(yōu)良值，取前60%的數(shù)值作為合格值，低于該值即為不合格；②若測試數(shù)據(jù)不足，則只對加權(quán)綜合評價(jià)函數(shù)C1，C2，…，Ck按由高到低進(jìn)行排序，不進(jìn)行優(yōu)良、合格、不合格限值的選取與確定。

（4）評價(jià)結(jié)果。根據(jù)步驟（3）的結(jié)果，最終評價(jià)結(jié)果也分為兩種情況：①若測試數(shù)據(jù)量大，則根據(jù)（3）中確定的限值即可判定相應(yīng)的能效水平為優(yōu)良、合格或不合格；②若測試數(shù)據(jù)不充足，則通過C1，C2，…，Ck的排序情況，可初步分析判斷各生產(chǎn)系統(tǒng)的能效水平高低及系統(tǒng)間的差異情況，為后續(xù)有針對性開展系統(tǒng)的改進(jìn)措施提供方向。

4 實(shí)例應(yīng)用

以塔里木油田下屬6個(gè)廠站的主要耗能設(shè)備為例，根據(jù)SY/T 7319—2016《氣田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》的指標(biāo)限值要求，采用上述加權(quán)綜合評價(jià)方法，將主要耗能設(shè)備分為泵、壓縮機(jī)、加熱爐三類（即i=3），對6 個(gè)廠站的能效水平進(jìn)行分析與評價(jià)。

4.1 計(jì)算結(jié)果

各廠站主要耗能設(shè)備分析的基本情況見表5。

對上述6個(gè)廠站的能效加權(quán)綜合評價(jià)函數(shù)值分別進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 能效加權(quán)綜合評價(jià)方法計(jì)算結(jié)果Tab.6 Calculation results of weighted comprehensive evaluation method

4.2 結(jié)果分析

通過對表5 中6 個(gè)廠站主要耗能設(shè)備情況進(jìn)行分析，得到表7。

表7 各廠站耗能設(shè)備運(yùn)行結(jié)果分析Tab.7 Operation result analysis of energy-consuming equipment at each plant station

由表7中數(shù)據(jù)分析可知：

（1）2#、3#、6#廠站耗能設(shè)備的效率合格率為100%，而2#廠站設(shè)備總功率較小，但設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行效率值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于合格值，差值為15.33%，其能效水平在6 個(gè)廠站中最高；6#廠站設(shè)備總功率較大，但實(shí)際運(yùn)行效率值與限定值差值較小（6.75%），能效水平僅次于2#廠站；3#廠站設(shè)備實(shí)際運(yùn)行效率值與限定值差值為7.03%，略高于6#廠站，但設(shè)備總功率遠(yuǎn)小于6#廠站。3 個(gè)廠站能效排序?yàn)?#、6#、3#，與能效加權(quán)綜合評價(jià)函數(shù)C的排序相同。

（2）1#、4#、5#廠站均存在不合格的耗能設(shè)備，合格率分別為0、77.78%、66.67%，能效排序?yàn)?#、5#、1#，與能效加權(quán)綜合評價(jià)函數(shù)C的排序相同。

由表6 數(shù)據(jù)分析可知，6 個(gè)廠站的能效加權(quán)綜合評價(jià)函數(shù)值C由大到小排序依次為：2#、6#、3#、4#、5#、1#。

5 結(jié)論

（1）設(shè)備合格率直接影響系統(tǒng)的能效水平，設(shè)備合格率越高，則系統(tǒng)能效越高。

（2）在設(shè)備合格率相同的情況下，系統(tǒng)能效與某類設(shè)備的功率、限定值差值的幅值大小有關(guān)，功率大、與限定值差值幅值大，則能效水平更高。

（3）能效加權(quán)綜合評價(jià)函數(shù)C值越大，廠站（系統(tǒng)）的總體能效水平越高。同時(shí)證明了提出的能效加權(quán)綜合評價(jià)方法具有一定的合理性與科學(xué)性。

此外，結(jié)合評價(jià)結(jié)果，可判斷6個(gè)廠站的設(shè)備能效情況，進(jìn)而明確影響系統(tǒng)能效水平的關(guān)鍵設(shè)備，在開展相應(yīng)節(jié)能挖潛等工作時(shí)，可以對評價(jià)結(jié)果為不合格的設(shè)備有針對性地采取節(jié)能改造措施，以提升系統(tǒng)的能效水平，促使“雙控”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。