輸氣管道天然氣壓縮機(jī)工藝氣流量軟測量研究與實踐

劉國豪 侯磊 李清平 任波濤 王乾坤 田望 潘騰 李東陽

（1.中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院；2.中國石油管道公司；3.中國石油集團(tuán)公司生產(chǎn)經(jīng)營管理部）

1 現(xiàn)狀

天然氣管道能耗占管道輸送企業(yè)能耗的50%以上，壓縮機(jī)組是輸氣管道關(guān)鍵的耗能設(shè)備，天然氣壓縮機(jī)組能耗占天然氣管道能耗90%以上[1]。生產(chǎn)調(diào)控部門的能耗分析部門針對天然氣輸送方案，需要進(jìn)行全線仿真優(yōu)化，保持管線和壓縮機(jī)組運(yùn)行在能耗較低的范圍。壓縮機(jī)性能模型是全線優(yōu)化模型中的核心模塊之一，其模型準(zhǔn)確度對全線節(jié)能優(yōu)化的水平影響很大。

機(jī)組性能數(shù)據(jù)，是天然氣管網(wǎng)運(yùn)行仿真和優(yōu)化最基礎(chǔ)和最核心的數(shù)據(jù)。通過壓縮機(jī)的氣體實際壓縮流量（即工藝氣流量）參數(shù)是計算壓縮機(jī)效率、繪制性能曲線、建立壓縮機(jī)性能數(shù)據(jù)模型的關(guān)鍵基礎(chǔ)參數(shù)之一[2]。壓縮機(jī)工藝氣通過量，最準(zhǔn)確的方法是安裝單臺在線流量計。限于目前國內(nèi)流量計設(shè)計及安裝現(xiàn)狀，天然氣首站安裝有計量交接使用的總進(jìn)站流量計，各中間壓氣站沒有進(jìn)出站流量計（分輸除外），均沒有單臺壓縮機(jī)進(jìn)出口的流量計，調(diào)控優(yōu)化部門無法繪制準(zhǔn)確的壓縮機(jī)實際性能曲線，建模時只能使用壓縮機(jī)出廠性能曲線，但運(yùn)行一段時間后壓縮機(jī)會產(chǎn)生磨損和老化等問題，從而使壓縮機(jī)的實際性能發(fā)生偏移，繼續(xù)使用出廠性能曲線會使優(yōu)化效果達(dá)不到最佳。另一種獲取單機(jī)流量的方法是按照SY/T 6637—2018《天然氣輸送管道系統(tǒng)能耗測試和計算方法》[3]測試步驟，由專業(yè)的檢測機(jī)構(gòu)攜帶流量測試設(shè)備到各壓氣站進(jìn)行實測[4-6]，雖然能得到單機(jī)流量數(shù)據(jù)并畫出運(yùn)行段的曲線，但耗時耗力，工作效率低，不能有效滿足實時、連續(xù)、數(shù)據(jù)量要求，如何準(zhǔn)確得到單臺壓縮機(jī)工藝氣流量一直是生產(chǎn)運(yùn)行人員的難題。利用天然氣站場現(xiàn)有的數(shù)據(jù)和資料，通過引入流量軟測量技術(shù)，建立流量軟測量模型，并與目前修正模型進(jìn)行準(zhǔn)確度比較，驗證由軟測量建模得到的現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)的實際效果，分析其節(jié)能效果和應(yīng)用前景，為能源管理、節(jié)能優(yōu)化提供技術(shù)支持。

2 軟測量技術(shù)的概念

軟測量是把生產(chǎn)過程統(tǒng)一有機(jī)結(jié)合，應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)對現(xiàn)場難以測量或者暫時不能測量的重要變量，選擇使用另外一些容易測量或已經(jīng)存在的變量，通過組建某種數(shù)學(xué)關(guān)系來推斷或者估計，以軟件（數(shù)學(xué)公式）來替代硬件（測量設(shè)備）的功能[7]。軟測量技術(shù)主要由輔助變量的選擇、數(shù)據(jù)采集與處理、軟測量模型的建立三部分組成。其中軟測量建模是軟測量技術(shù)的關(guān)鍵和難點[8-9]，文中將重點研究工藝氣流量進(jìn)行軟測量的建模，具體步驟是先用出廠性能曲線建模，之后使用實際數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行偏移優(yōu)化，最后得到軟測量建模的實際性能曲線模型。

3 壓縮機(jī)性能曲線模型建立與完善

3.1 壓縮機(jī)出廠性能曲線建模

選用某天然氣管道典型離心式壓縮機(jī)為例，該壓氣站為該條管線首站，配備有超聲波流量計用于計量交接。為了獲取該壓縮機(jī)原始性能曲線參數(shù)，測試了該機(jī)組壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速6 819 r/min、7 262 r/min以及7 528 r/min轉(zhuǎn)速下的流量、多變能頭參數(shù)，如表1所示。其中，轉(zhuǎn)速、流量兩項參數(shù)為已知自變量，多變能量頭為未知因變量。

表1 三個轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的參數(shù)

根據(jù)風(fēng)機(jī)定律以及偏最小二乘法，得到H關(guān)于Q與N的回歸方程式（1）為：

式中：N為轉(zhuǎn)速，r/min；H為多變能量頭，kJ/kg；Q為流量，m3/h。

基于以上壓縮機(jī)性能曲線模型，研究其在現(xiàn)場流量軟測量的應(yīng)用效果。仍舊選擇該壓氣站為例，通過現(xiàn)場SCADA 數(shù)據(jù)系統(tǒng)采集該機(jī)組之前正常運(yùn)行參數(shù)作為模型驗證數(shù)據(jù)，取得的70組數(shù)據(jù)如表2所示。

通過擬合回歸[10]，計算得到該壓氣站壓縮機(jī)天然氣通過量，與站內(nèi)流量計計量的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，模型擬合數(shù)據(jù)與站內(nèi)流量計計量數(shù)據(jù)的誤差比較如圖1所示，壓縮機(jī)性能曲線模型軟測量的結(jié)果較站內(nèi)超聲波流量計結(jié)果的平均誤差為3.09%。

圖1 模型擬合數(shù)據(jù)與站內(nèi)流量計計量數(shù)據(jù)的誤差比較

表2 現(xiàn)場SCADA數(shù)據(jù)系統(tǒng)采集的70組運(yùn)行數(shù)據(jù)

3.2 模型的完善

從圖1可以看出，選用該模型對壓縮機(jī)流量進(jìn)行軟測量，模型擬合結(jié)果能夠較好跟蹤壓縮機(jī)流量變化趨勢，但結(jié)果的誤差較大，無法滿足現(xiàn)場計量準(zhǔn)確度（誤差低于2%）的要求。需要對該模型進(jìn)行再次優(yōu)化，考慮到流量擬合結(jié)果普遍低于站內(nèi)超聲波流量計計量數(shù)據(jù)，故在壓縮機(jī)回歸模型中加入流量偏移量(Q-q)，重新進(jìn)行回歸分析得到壓縮機(jī)性能模型如式（2）：

優(yōu)化后的壓縮機(jī)回歸模型流量軟測量結(jié)果與站內(nèi)計量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，優(yōu)化模型后的擬合數(shù)據(jù)與站內(nèi)流量計計量數(shù)據(jù)的誤差比較如圖2 所示。從圖2可以看出，模型擬合結(jié)果較好，平均誤差為0.92%，遠(yuǎn)低于小于2%的要求，結(jié)果十分準(zhǔn)確，能夠反映現(xiàn)場實際運(yùn)行狀況。

圖2 優(yōu)化模型后的擬合數(shù)據(jù)與站內(nèi)流量計計量數(shù)據(jù)的誤差比較

4 應(yīng)用實踐

4.1 與國內(nèi)修正性能曲線的準(zhǔn)確度比較

目前，該天然氣管道在進(jìn)行管網(wǎng)優(yōu)化中采用的壓縮機(jī)模型是由某石油大學(xué)提供的修正模型，該修正模型與采用軟測量建模得到的現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)擬合的模型進(jìn)行對比，在相同轉(zhuǎn)速下（3 965、4 270、4 575、4 880、5 185、5 490、5 795、6 100、6 400 r/min）實際測量性能曲線與石油大學(xué)修正曲線的對比如圖3所示。

將兩組模型數(shù)字化，其中軟測量建模得到的實際測試性能曲線模型方程為式（3）：

圖3 實際測量性能曲線與石油大學(xué)修正曲線的對比

某石油大學(xué)性能曲線模型為式（4）：

以2019 年某月該壓氣站日報表以及下游MS 計量站流量數(shù)據(jù)（真值數(shù)據(jù)）作為參考，對比兩組性能曲線的擬合結(jié)果，兩組性能曲線與MS 流量真值的擬合結(jié)果對比如下圖4所示：

圖4 兩組性能曲線與MS流量真值的擬合結(jié)果對比

從圖4看出，除去幾個數(shù)據(jù)異常點之外，通過軟測量建模得到的實際測試性能曲線與下游MS 計量站流量真值數(shù)據(jù)的誤差為-5.7%；某石油大學(xué)修正數(shù)據(jù)與下游MS 計量站流量真值數(shù)據(jù)的誤差為14.9%。從對比結(jié)果上可以看出軟測量建模得到的實際測試性能曲線更為精確。

4.2 節(jié)能效益分析

按照壓縮機(jī)出廠性能曲線建立的模型代入天然氣輸送運(yùn)行優(yōu)化方案后，天然氣管輸單耗、能耗率、生產(chǎn)單耗等得到大幅下降，每年節(jié)約運(yùn)行成本可達(dá)3億元左右。

按照流量軟測量建模得到更準(zhǔn)確的壓縮機(jī)實際性能模型后，與使用出廠性能曲線的優(yōu)化方案相比，關(guān)鍵模型的準(zhǔn)確度再次得到提高。在不需要其他操作和節(jié)能措施的情況下，天然氣管道運(yùn)行企業(yè)的能耗率、生產(chǎn)單耗等主要能耗指標(biāo)將繼續(xù)下降。以能耗率計算，使整體運(yùn)行能耗率從目前的2%左右再下降約0.35% ， 按照目前自耗氣價格1.15 元/m3，自耗電價格0.65 元/kWh 計算，管道運(yùn)營企業(yè)一年將再節(jié)約1 000 余萬元運(yùn)行成本，節(jié)能效果突出。

5 結(jié)論

通過使用流量軟測量技術(shù)，利用天然氣站場現(xiàn)有的數(shù)據(jù)和資料，建立了準(zhǔn)確的壓縮機(jī)流量軟測量模型，間接得到了單機(jī)工藝氣流量的連續(xù)、準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，解決了壓縮機(jī)單機(jī)流量難獲取的問題，為天然氣管道節(jié)能優(yōu)化仿真提供了更準(zhǔn)確的壓縮機(jī)模型，按照流量軟測量建模得到更準(zhǔn)確的壓縮機(jī)實際性能模型后，與使用出廠性能曲線的優(yōu)化方案相比，在不需要其他操作和節(jié)能措施的情況下，天然氣管道運(yùn)行企業(yè)的能耗率、生產(chǎn)單耗等主要能耗指標(biāo)將繼續(xù)下降，運(yùn)營成本也將進(jìn)一步降低。流量軟測量技術(shù)為能源管理、節(jié)能優(yōu)化提供了更多的選擇方法和技術(shù)支持，隨著人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)在管道生產(chǎn)運(yùn)行中的發(fā)展，在管道輸送行業(yè)的能耗管理和能源技術(shù)工作中將有更廣闊的應(yīng)用前景。