“十三五”期間油氣輸送管道系統(tǒng)主要耗能設(shè)備節(jié)能監(jiān)測分析

劉國豪 侯磊 魏甲強 王雷 楊楊 徐姍 潘騰 李東陽

1中國石油大學(xué)（北京）·油氣管道輸送安全國家工程實驗室

2國家石油天然氣管網(wǎng)集團研究總院技術(shù)推廣中心（節(jié)能測試中心）

3國家管網(wǎng)集團北方管道有限責(zé)任公司

油氣輸送管道是我國家第五大能源通道。輸油泵機組、加熱爐、鍋爐、天然氣壓縮機組是油氣輸送管道企業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，也是能源消耗的主要設(shè)備，總裝機容量超過9 000 MW。2020 年油氣管輸企業(yè)總能耗超過400×104t 標(biāo)煤，總體耗能十分巨大，能耗費用約占企業(yè)全部運行成本的四分之一。其中耗能設(shè)備集中的西部管道能耗費用占企業(yè)全部運行成本50%以上，主要耗能設(shè)備的能效水平對集團公司生產(chǎn)運行成本影響巨大。節(jié)能監(jiān)測作為多年來能源管理工作中主要的技術(shù)支持手段，在摸清能耗現(xiàn)狀、挖掘節(jié)能潛力、提出節(jié)能建議等方面發(fā)揮著重要的作用。對“十三五”期間五年來主要耗能設(shè)備的監(jiān)測數(shù)量、合格率、運行效率等進行分析，提出針對性的建議，對于“十四五”節(jié)能監(jiān)測工作有重要的指導(dǎo)和借鑒作用。

1 監(jiān)測總體情況

“十三五”期間，管道節(jié)能監(jiān)測中心根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15316—2009《節(jié)能監(jiān)測技術(shù)通則》[1]，按照重點用能企業(yè)主要耗能設(shè)備年節(jié)能監(jiān)測率不低于20%的要求，結(jié)合油氣管輸企業(yè)自身耗能情況，每年約完成260 臺套各類設(shè)備節(jié)能監(jiān)測工作。5 年間共完成油氣管輸企業(yè)620 臺輸油泵機組、181 臺加熱爐、90 臺鍋爐、404 臺天然氣壓縮機組，共1 295臺各類耗能設(shè)備節(jié)能監(jiān)測工作。

2 節(jié)能監(jiān)測依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

標(biāo)準(zhǔn)按作用分為測試計算用、指標(biāo)評價用共兩類?！笆濉逼陂g，監(jiān)測機構(gòu)和管輸企業(yè)緊密結(jié)合，加大了國內(nèi)能耗類標(biāo)準(zhǔn)的制修訂力度，對加熱爐、天然氣壓縮機組測算標(biāo)準(zhǔn)進行了修訂，測算方法更科學(xué)和準(zhǔn)確。評價標(biāo)準(zhǔn)從行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)升級為國家標(biāo)準(zhǔn)[2]，評價指標(biāo)限值和評價項目均進行了調(diào)整和完善[3]，指標(biāo)調(diào)整后會對設(shè)備合格率的縱向比較有一定影響。特別是SY/T 6637—2012[4]升級到2018版后[5]，解決了天然氣壓縮機組在多變指數(shù)、焓值以及多變壓縮功計算等方面與國際主流標(biāo)準(zhǔn)存在較大差異的問題，保證了計算方法與廠家、國外標(biāo)準(zhǔn)保持一致，將有力支持能效對標(biāo)和優(yōu)化運行工作；完善后的測算方法更適合國內(nèi)站場能耗計量儀表和測試位置的現(xiàn)狀，為國內(nèi)天然氣壓縮機組提供了科學(xué)的能效測算方法[6]。

測算類標(biāo)準(zhǔn)包括：GB/T 12497—2006《三相異步電動機經(jīng)濟運行》[7]，GB/T 16666—2012《泵機組液體輸送系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測》[8]，SY/T 6381—2008《加熱爐熱工測定》（2016 年5 月30 日停止使用）[9]，SY/T 6381—2016《石油工業(yè)用加熱爐熱工測定》（2016 年6 月1 日起實施）[10]，SY/T 6637—2012《天然氣輸送管道系統(tǒng)能耗測試和計算方法》（2019 年2 月28 日停止使用），SY/T 6637—2018《天然氣輸送管道系統(tǒng)能耗測試和計算方法》（2019年3月1日起實施）。

評價類標(biāo)準(zhǔn)包括：SY/T 6837—2011《油氣輸送管道系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》（2018年3月30 日停止使用），GB/T 34165—2017《油氣輸送管道系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》（2018年4月1日起實施）。

3 監(jiān)測結(jié)果及評價分析

3.1 輸油泵機組

輸油泵機組共測試620 臺，其中原油泵459臺，成品油泵161 臺。原油泵合格359 臺，合格率78.21%；在各分項指標(biāo)評價中，機組效率合格369臺，合格率80.39%，節(jié)流率合格409 臺，合格率89.11%。成品油泵合格85臺，合格率52.8%；在各分項指標(biāo)評價中，機組效率合格105 臺，合格率65.22%，節(jié)流率合格128 臺，合格率79.5%。具體監(jiān)測結(jié)果見表1。

表1 “十三五”期間輸油泵機組監(jiān)測結(jié)果Tab.1 Monitoring results of oil pump unit during the 13th Five-Year Plan period

輸油泵機組存在的主要問題：由于受正常輸油生產(chǎn)條件的限制，多數(shù)管線不允許調(diào)量，輸油泵未能在髙效區(qū)運行，部分輸油泵的實際測試流量比額定流量低很多，個別輸油泵實際測試流量比額定流量高很多，泵特性和管道特性不匹配，導(dǎo)致輸油泵運行效率偏低；部分電動機實際功率因數(shù)偏低，電動機有用功輸出偏少；沒有加裝變頻機組的輸油站，為控制出站壓力，設(shè)定出站調(diào)節(jié)閥的關(guān)度較大，出站節(jié)流閥節(jié)流嚴(yán)重，造成管道輸送系統(tǒng)的節(jié)流損失較高，電能浪費嚴(yán)重；運行時間較長的泵機組，可能因雜質(zhì)較多造成內(nèi)部構(gòu)件磨損，導(dǎo)致泵效降低；個別電動機效率偏低，額定流量附近的泵效率偏低，機組效率不高[11]。

建議采取的措施：各管線根據(jù)輸量計劃優(yōu)化輸送工藝，合理安排輸量和各站機組運行方式，盡量使輸油泵在額定排量附近的高效工作區(qū)域運行，減少低輸量或超負荷運行情況，提高輸油泵機組效率，降低能耗[12]；對電動機加強就地?zé)o功功率補償，投用就地?zé)o功功率補償裝置，提高電動機側(cè)功率因數(shù)，并定期督促投用；加強輸油泵的日常維護和定期檢修，注意機組的振動情況及軸承溫度的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)，加強密封泄漏現(xiàn)場巡檢工作，及時維修運行時間較長的泵機組，避免泵機組在異常狀態(tài)下運行；技術(shù)改造時，在生產(chǎn)工藝條件允許的情況下，優(yōu)選加裝變頻調(diào)速裝置，考慮更換揚程低的泵或切削葉輪等，使泵機組性能與管道匹配，減小出站調(diào)節(jié)閥的關(guān)度，減少節(jié)流損失，降低電能浪費；定期進行現(xiàn)場計量儀表檢查、校準(zhǔn)，保證變電所控制柜電能參數(shù)顯示準(zhǔn)確，便于單體電動機能耗管理，避免現(xiàn)場人員記錄電量不準(zhǔn)確的問題；加大與調(diào)度部門溝通力度，測試前申報作業(yè)計劃，測試時調(diào)節(jié)輸量，增加測試工況，便于測試性能曲線；測試結(jié)果及時反饋分公司及調(diào)度部門，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，盡量使用效率較高的泵機組，爭取節(jié)能效益最大化。

3.2 加熱設(shè)備

油氣輸送管道系統(tǒng)使用的加熱設(shè)備主要有直接爐、熱媒爐和鍋爐，燃料均為燃油或燃氣。

3.2.1 直接爐

共測試直接爐129 臺，節(jié)能監(jiān)測合格設(shè)備95臺，合格率73.64%。在各分項評價中，熱效率合格103 臺，合格率79.84%；排煙溫度合格121 臺，合格率93.8%；過?？諝庀禂?shù)合格124 臺，合格率96.12%；表面溫度合格127臺，合格率98.45%。直接爐具體監(jiān)測結(jié)果見表2。

表2 “十三五”期間直接爐監(jiān)測結(jié)果Tab.2 Monitoring results of direct furnace during the 13th Five-Year Plan period

直接爐存在的主要問題：燃燒器配風(fēng)比例調(diào)節(jié)不當(dāng)，因助燃風(fēng)量過大造成過?？諝庀禂?shù)超標(biāo)；燃燒器火嘴霧化效果不好，導(dǎo)致燃燒不充分，不完全燃燒損失較大；改造前部分爐體爐管積灰偏重，排煙溫度過高，排煙熱損失較大，局部區(qū)域表面溫度較高，爐膛段外表面溫度整體偏高，輻射室底部的外表面溫度超標(biāo)；燃料油流量計失真問題普遍存在，儀表控制系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。

建議采取的措施：對于進口燃燒器，尤其是最近更新或油改氣后的油氣兩用燃燒器，需要增加廠家進行油風(fēng)或氣風(fēng)配比調(diào)試的頻率，適當(dāng)調(diào)節(jié)燃燒器配風(fēng)比例，以保持良好的霧化燃燒效果，提高燃燒效率[13]；檢修吹灰除塵裝置，嚴(yán)格落實對爐膛、煙道和預(yù)熱器進行清灰除塵的規(guī)定，降低排煙溫度，加強保溫措施；加強煙氣過濾器的維護，進行節(jié)能改造，提高余熱利用率；校準(zhǔn)燃料油進油、出油流量計，并將累計值準(zhǔn)確上傳到爐前的控制柜畫面上，檢修、校正儀表控制系統(tǒng)監(jiān)控參數(shù)，確保在線儀表傳輸準(zhǔn)確率。

3.2.2 熱媒爐

共測試熱媒爐52 臺，節(jié)能監(jiān)測合格設(shè)備35臺，合格率67.31%。在各分項評價中，熱效率合格46臺，合格率88.46%；排煙溫度合格47臺，合格率90.38%；過?？諝庀禂?shù)合格44 臺，合格率84.62%；表面溫度合格49 臺，合格率94.23%。熱媒爐具體監(jiān)測結(jié)果見表3。

表3 “十三五”期間熱媒爐監(jiān)測結(jié)果Tab.3 Monitoring results of heat medium furnace during the 13th Five-Year Plan period

熱媒爐存在的主要問題：燃燒器配風(fēng)比例不當(dāng)，空氣系數(shù)超標(biāo)，或配風(fēng)比過低，導(dǎo)致燃燒不充分，氣體不完全燃燒損失較高；個別熱媒爐保溫層的保溫性能趨于惡化，造成爐膛段外表面溫度多處超標(biāo)，平均溫度偏高，尤其前后墻保溫薄弱區(qū)域表面溫度較高；受熱面積灰嚴(yán)重，造成排煙溫度較高；熱媒爐可調(diào)節(jié)負荷范圍較小，不能滿足高負荷運行及測試條件的需要；爐前就地柜“含氧量”與“排煙溫度”監(jiān)控參數(shù)不夠準(zhǔn)確，在線儀表沒有定期進行檢定；部分爐未配備燃料油流量計。

建議采取的措施：對油氣兩用型燃燒器，需要定期進行配風(fēng)比例的適當(dāng)調(diào)節(jié)，特別是燃油轉(zhuǎn)燃氣狀態(tài)后及時進行配風(fēng)比例重新調(diào)節(jié)，以保持良好的霧化燃燒效果并滿足運行負荷調(diào)節(jié)范圍；適度矯正燃燒器，控制火苗長度及形狀，避免火焰偏燒及燎后墻現(xiàn)象；加強爐體前后墻及局部區(qū)域的保溫性能，爐管噴涂節(jié)能涂料，增強換熱效果，降低排煙溫度；更換不準(zhǔn)確的溫度表、壓力表等在線儀表，按要求配備燃油流量計，并對流量計等儀表定期進行檢定，檢修或校正儀表系統(tǒng)遠傳監(jiān)控參數(shù)；保證吹灰除塵裝置能夠正常運行，且定期進行吹灰操作。

3.2.3 鍋爐

共測試鍋爐90 臺，節(jié)能監(jiān)測合格設(shè)備52 臺，合格率57.78%。在各分項評價中，熱效率合格70臺，合格率77.78%；排煙溫度合格84 臺，合格率93.33%；過?？諝庀禂?shù)合格68 臺，合格率75.56%；表面溫度合格86 臺，合格率95.56%。鍋爐具體監(jiān)測結(jié)果見表4。

表4 “十三五”期間鍋爐監(jiān)測結(jié)果Tab.4 Monitoring results of boiler during the 13th Five-Year Plan period

熱效率偏低和過?？諝庀禂?shù)不達標(biāo)是導(dǎo)致合格率低的主要原因。鍋爐存在的主要問題：多數(shù)蒸汽鍋爐前、后墻保溫薄弱區(qū)域的表面溫度較高，部分鍋爐的爐側(cè)和爐頂表面平均溫度超高，超過了標(biāo)準(zhǔn)限定值；多數(shù)熱水鍋爐燃燒器的配風(fēng)量過大，煙氣含氧量較高致使過?？諝庀禂?shù)超標(biāo)，排煙熱損失較大，個別鍋爐的燃燒器配風(fēng)量不足，燃燒不夠充分；個別蒸汽鍋爐大負荷運行時排煙溫度超高，排煙熱損失較大；有的蒸汽鍋爐的設(shè)計熱效率偏低，本身就達不到相應(yīng)評價指標(biāo)的要求。

建議采取的措施：對于油氣兩用型燃燒器，應(yīng)定期調(diào)節(jié)其配風(fēng)比例，使助燃風(fēng)量大小保持適量，提高霧化燃燒效率；定期清除爐膛及煙道內(nèi)的積灰與積垢，降低有害氣體與污染物排放，降低排煙溫度，提高運行維護水平；加強表面溫度較高區(qū)域的保溫措施，提高爐體保溫性能；逐步淘汰老舊且效率偏低的鍋爐，更換新型高效鍋爐[14]。

3.3 天然氣壓縮機組

共測試各類壓縮機組364臺次，其中，燃氣輪機驅(qū)動離心式壓縮機組179臺，電動機驅(qū)動離心式壓縮機組151臺，燃氣發(fā)動機驅(qū)動往復(fù)式壓縮機組34臺。

3.3.1 燃氣輪機驅(qū)動離心式壓縮機組

共測試燃氣輪機驅(qū)動離心式壓縮機組179 臺，合格165臺，合格率92.18%。具體監(jiān)測結(jié)果見表5。

表5 “十三五”期間燃氣輪機驅(qū)動離心式壓縮機組監(jiān)測結(jié)果Tab.5 Monitoring results of gas turbine driven centrifugal compressor unit during the 13th Five-Year Plan period

造成燃驅(qū)機組效率偏低的主要原因是機組運行在壓縮比偏低的工況下，出站壓力已經(jīng)超過允許值，導(dǎo)致目前運行模式下無法提高壓縮比[15]。其次，部分機組中天然氣經(jīng)壓縮后溫升偏大，導(dǎo)致壓縮機組的機組效率偏低。造成壓縮后溫升偏大的因素可能有：溫度測量誤差偏大；機組振動偏大；葉片光潔度受損或葉片頂端與通道壁之間的空隙偏大導(dǎo)致渦流嚴(yán)重增大。

建議采取的措施：考慮全線優(yōu)化、隔站運行模式的可行性，提高壓縮機組壓縮比，經(jīng)實踐證明，壓縮比1.25 以上運行效率較好[16-17]；查找天然氣壓縮后溫升偏大的原因，校準(zhǔn)溫度傳感器，檢查機組振動情況，檢查葉片的光潔度，若是光潔度受損的原因，還應(yīng)檢查過濾器的過濾效果。

3.3.2 電動機驅(qū)動離心式壓縮機組

共測試電驅(qū)離心式壓縮機組151 臺，合格128臺，合格率84.77%。具體監(jiān)測結(jié)果見表6。

表6 “十三五”期間電動機驅(qū)動離心式壓縮機組監(jiān)測結(jié)果Tab.6 Monitoring results of motor driven centrifugal compressor unit during the 13th Five-Year Plan period

部分電驅(qū)機組目前正常運行狀態(tài)下壓縮比偏低，在1.15～1.25之間，原因是下游站場的進站壓力較高，本站無法提高壓縮比，導(dǎo)致計算出的機組效率偏低。在運行模式下無法提高壓縮比時，建議考慮隔站運行模式的可行性[18-19]。

3.3.3 燃氣發(fā)動機驅(qū)動往復(fù)式壓縮機組

共測試燃氣發(fā)動機驅(qū)動往復(fù)式壓縮機組34臺，合格29 臺，合格率85.29%。具體監(jiān)測結(jié)果見表7。

表7 “十三五”期間燃氣發(fā)動機驅(qū)動往復(fù)式壓縮機組監(jiān)測結(jié)果Tab.7 Monitoring results of gas engine driven reciprocating compressor unit during the 13th Five-Year Plan period

儲氣庫用燃氣發(fā)動機驅(qū)動往復(fù)式壓縮機組效率均合格，不合格的機組集中在鄯烏壓氣首站。該站燃氣發(fā)動機驅(qū)動往復(fù)式壓縮機組為1997 年投產(chǎn)使用，已經(jīng)運行25 年，設(shè)備性能老舊，已經(jīng)建議企業(yè)盡快更換新型設(shè)備。

4 結(jié)論

“十三五”期間，各管道節(jié)能監(jiān)測機構(gòu)通過持之以恒的標(biāo)準(zhǔn)制修訂、監(jiān)測機構(gòu)能力建設(shè)等基礎(chǔ)工作，完善測算方法、細化評價指標(biāo)，圓滿完成了管輸企業(yè)主要耗能設(shè)備節(jié)能監(jiān)測任務(wù)，為管輸企業(yè)節(jié)能降耗工作提供了應(yīng)有的技術(shù)支持，保障了管輸企業(yè)“十三五”任務(wù)的完成。但是還存在人工監(jiān)測工況少，無法做到各類工況全覆蓋，且監(jiān)測結(jié)果反饋時間長，數(shù)據(jù)利用率不及時，無法實時支持生產(chǎn)運行等實際問題。

“十四五”期間，隨著國家油氣管網(wǎng)集團的成立和運行，全國一張網(wǎng)加速形成，油氣管道站場各類主要耗能設(shè)備數(shù)量、能耗量及其能效數(shù)據(jù)量將成倍增加，對節(jié)能監(jiān)測工作也提出了新的要求和更多挑戰(zhàn)。在國家“碳中和”“碳達峰”的政策機遇下，需要更好地保持主要耗能設(shè)備經(jīng)濟、高效運行，節(jié)能監(jiān)測工作是管輸企業(yè)提質(zhì)增效、節(jié)能減排的重點技術(shù)手段。油氣管輸企業(yè)節(jié)能監(jiān)測工作應(yīng)首先做好節(jié)能監(jiān)測模式向信息化轉(zhuǎn)變，在智慧管網(wǎng)背景下，開展主要耗能設(shè)備的能效實時監(jiān)測研究和應(yīng)用，做到全工況監(jiān)測和實時優(yōu)化調(diào)節(jié)；其次，利用大數(shù)據(jù)分析等先進手段，加大能效數(shù)據(jù)規(guī)律研究，掌控主要耗能設(shè)備能效數(shù)據(jù)之間的規(guī)律，盤活能效數(shù)據(jù)資產(chǎn)的價值，為管輸企業(yè)節(jié)能、減排、降碳工作作出更大的技術(shù)支持。