儲氣庫地面工藝系統能效評價方法研究

周軍 肖瑤 孫建華 梁光川 彭井宏

1.西南石油大學石油與天然氣工程學院 2.國家管網集團中原儲氣庫有限責任公司

天然氣地下儲氣庫是天然氣產業鏈及管道輸送系統的重要環節，不僅在日常的天然氣供應中調節供需平衡，實現穩定供應，在有事故發生的緊急狀態下更具有不可替代的作用[1]。隨著天然氣行業的大力發展，地下儲氣庫也將得到越來越廣泛的應用，并能在多種領域適應不同需求以發揮重要作用[2-5]。

儲氣庫地面工藝系統作為儲氣庫的核心部分，由于受注采氣的雙重影響，運行工況波動較大。當地面工藝系統與實際運行工況不適應時，儲氣庫地面系統往往會出現低能效、高能耗的情況[6]。如何降低地下儲氣庫地面系統能耗，提高其能效水平，已經成為儲氣庫生產運營的關注重點。對用能系統進行能效評價研究是挖掘系統節能潛力點，實現節能降耗、節約能源的關鍵環節[7]。曹瑩等[8]通過分析油氣田企業的能效評價現狀及重點用能系統能耗組成情況，結合相應國家現行標準，建立了一套涵蓋3層級15指標油氣田企業重點用能系統能效指標體系。張威等[9]采用層次分析法(AHP)，建立了天然氣管網運行能效評價體系，并對天然氣管網能效進行了定量評價，為天然氣管網的優化調度提供了參考及依據。梁金國等[10]采用模糊綜合評價法對某高含硫氣田集輸系統能耗進行了評價。劉武等[11]將“三環節”分析法與“三箱”分析法相結合，建立了天然氣礦場集輸系統用能模糊評價模型。

目前，對于集輸系統能效評價的研究多集中于油氣田集輸系統及管網系統，針對儲氣庫地面工藝系統能效評價的研究較少，且沒有一套涵蓋對整個儲氣庫地面系統起決定性作用的能效評價指標體系及界限清晰、科學完善、能敏感地反映出用能系統所存在的問題的評價方法。因此，建立了涵蓋3層次15指標的儲氣庫地面系統能效評價指標體系，并提出一套基于AHP與模糊隸屬度函數法相結合的儲氣庫地面工藝系統正、異常工況下的能效評價方法。

1 儲氣庫地面工藝系統概況

1.1 儲氣庫地面工藝

某枯竭氣藏型地下儲氣庫地面工藝主要包含采氣工藝及注氣工藝，采取周期運行方式，每年夏季為注氣期、冬季為采氣期，注氣期200天，采氣期150天，檢測、維修平衡期15天。

注氣期：天然氣進入儲氣庫注采站內，經過交接計量、分離過濾除塵、壓縮機組加壓后，再通過注采氣干線輸送至叢式井場，由叢式井場內的注采氣閥組合理分配至各注采井后，注入地下儲氣庫。注氣流程如圖1所示。

采氣期：天然氣從地下儲氣庫采出，經過井口節流閥節流、超聲波流量計計量后，從注采氣干線進入注采站，在站內經過分離過濾、脫水處理、計量交接后輸送至輸氣管道進入天然氣目標市場。采輸氣流程如圖2所示。

1.2 儲氣庫地面系統用能特點

儲氣庫地面用能系統主要包括地面脫水系統及地面增壓系統，其中采氣工藝的核心為地面脫水系統，注氣工藝的核心為地面增壓系統[12]。目前，儲氣庫地面脫水系統通常采用三甘醇脫水工藝，主要耗能裝置為三甘醇脫水裝置，儲氣庫地面增壓系統采用往復式壓縮機組增壓，主要耗能設備為壓縮機組。通過對儲氣庫現場用能裝置能耗的統計分析，主要能耗為重沸器熱負荷、汽提氣加熱負荷、三甘醇循環泵負荷及壓縮機驅動電機的電耗。儲氣庫地面系統由于受到注氣與采氣的雙重影響，運行具有不穩定及“強采強注”等特點。

2 儲氣庫地面工藝系統能效評價方法

儲氣庫地面系統能效評價是需同時考慮效率及能耗的多因素評價過程，引入綜合評價的思路，對儲氣庫地面系統進行多指標、全方位的定性與定量分析研究[13]。因此，在準確把握儲氣庫地面工藝系統運行現狀的基礎上，將AHP與模糊綜合函數評價法相結合，提出了一種儲氣庫地面工藝系統正、異常工況下的能效評價方法。

2.1 評價指標體系建立

基于建立簡明科學、系統性的評價指標體系，本研究采用德爾菲法綜合了影響儲氣庫地面工藝系統能效各方面的因素，選取了對整個地面系統起決定性作用的影響因素作為評價指標。建立了3層次(目標層、準則層及指標層)15指標的儲氣庫地面系統能效評價指標體系。包括儲氣庫地面脫水系統能效及儲氣庫地面增壓系統能效2個一級指標(目標層)，系統效率、系統能耗、工藝指標等5個二級指標(準則層)，以及按照效率、能耗及工藝指標分類的15個三級指標(指標層)。通過逐層分析各個影響因素，建立了地下儲氣庫地面脫水系統及增壓系統正異常工況下的能效評價指標體系(見圖3、圖4)，儲氣庫地面系統正、異常工況下能效評價指標體系(見表1)。

表1 儲氣庫地面系統能效評價指標體系目標層準則層指標層儲氣庫地面系統能效A地面脫水系統能效B1重沸器熱效率C11循環泵電機負載率C12循環泵效率C13重沸器單位氣耗C14系統單位電耗C15三甘醇單位損耗量C16重沸器過?？諝庀禂礐17三甘醇貧液質量分數C18工藝及設備穩定性C19地面增壓系統能效B2壓縮機電動機功率因素C21壓縮機電動機負載率C22壓縮機組效率C23系統單位電耗C24潤滑油單位用量C25天然氣泄漏量C26

2.2 評價指標權重計算

在建立儲氣庫地面工藝系統能效評價指標體系之后，需要根據各能效評價指標在該評價體系中的作用、地位及重要性來賦予指標對應的權重系數。對于相同的指標體系，評價結果會隨著權重系數的不同而改變。因此，選取科學的評價指標權重計算方法，合理地表征評價指標在體系中的重要性就尤為重要。

本研究采用AHP法計算儲氣庫地面系統能效評價指標權重系數。具體流程如圖5所示。

根據層次分析法指標權重計算流程，對儲氣庫地面系統能效評價指標體系中各指標構造判斷矩陣及權重計算(見表2、表3)。

表2 地面脫水系統指標層判斷矩陣與權重計算B1C11C12C13C14C15C16C17C18C19權重ω1jC11156221/25430.204 490 74 C121/511/31/81/51/311/31/20.029 333 96 C131/6311/71/21/241/21/30.050 317 62 C141/2871548650.305 739 16 C151/2521/5138320.143 003 60 C162321/41/315320.120 130 56 C171/511/41/81/81/51320.037 938 60 C181/4321/61/31/31/311/20.045 304 90 C191/3231/51/21/21/2210.063 740 85

表3 地面增壓系統指標層判斷矩陣與權重計算B2C21C22C23C24C25C26權重ω2jC21131/31/3350.173 116C221/311/51/31/240.078 791C233511/2350.290 871C243321430.324 278C251/321/31/4110.081 777C261/51/41/51/3110.051 167

鑒于脫水、增壓系統運行獨立、互不影響及對整個地面系統完整運行的影響程度相同，將脫水、增壓系統的權重按照等比例原則確定，儲氣庫地面系統能效評價體系指標權重如表4所列。

表4 儲氣庫地面系統能效評價指標權重值目標層準則層權重指標層權重儲氣庫地面系統能效A地面脫水系統能效B10.5重沸器熱效率C110.204 490循環泵電機負載率C120.029 334循環泵效率C130.050 318重沸器單位氣耗C140.305 738系統單位電耗C150.143 004三甘醇單位損耗量C160.120 131重沸器過?？諝庀禂礐170.037 939三甘醇貧液質量分數C180.045 305工藝及設備穩定性C190.063 741地面增壓系統能效B20.5壓縮機電動機功率因素C210.173 116壓縮機電動機負載率C220.078 791壓縮機組效率C230.290 871系統單位電耗C240.324 278潤滑油單位用量C250.081 777天然氣泄漏量C260.051 167

2.3 評價指標模糊隸屬度計算

在進行儲氣庫地面工藝系統能效評價計算時，需對評價指標進行無量綱化處理，使指標具有可比性?；诒狙芯克ǖ脑u價體系復雜且指標較多，指標彼此間的“優”與“劣”也沒有明確的數量界限，因此采用模糊隸屬度函數法對評價指標進行無量綱化處理。具體操作步驟如下。

2.3.1確定各個評價指標的“優”“劣”上下限值

確定各評價指標的上限值xmax和下限值xmin。對于正向指標，最優取值為上限值xmax；對于逆向指標，最優取值為下限值xmin。

2.3.2確定各評價指標的模糊隸屬度函數類型

模糊隸屬度函數描述了從隸屬到不隸屬這一過程。常用的模糊隸屬度函數類型主要有梯形和嶺形模糊隸屬度函數。根據評價指標的特點，選用嶺形模糊隸屬度函數對指標進行無量綱化處理。嶺形模糊隸屬度函數分為升嶺形分布模糊隸屬度函數及降嶺形分布模糊隸屬度函數兩類。

選用升嶺形分布模糊隸屬度函數對正向指標進行無量綱化處理,如式(1)所示：

(1)

式中：x為指標運行值；a為指標下限值；b為指標上限值。

選用降嶺形分布模糊隸屬度函數對逆向指標進行無量綱化處理,如式(2)所示：

(2)

2.3.3進行模糊變換

將各評價指標實際運行參數值xi代入相應的模糊隸屬度函數，計算結果為指標的隸屬度值f(xi)。f(xi)是在0～1之間的實數，消除了指標量綱的影響。

2.3.4計算標準量化值

將各個指標的模糊隸屬度值f(xi)乘以100，為該項指標的標準量化值，如式(3)所示：

F(xi)=f(xi)×100

(3)

根據回歸分析法及相關現行標準，確定出各個指標的上、下限值及模糊隸屬度函數類型，如表5所列。

表5 能效評價指標上下限值及模糊隸屬度函數類型指標下限值a上限值b模糊隸屬度函數類型重沸器熱效率C11/%6085升嶺形循環泵電機負載率C12/%3090升嶺形循環泵效率C13/%1030升嶺形重沸器單位氣耗C14/ (m3·(104 m3) -1)4.506.74降嶺形系統單位電耗C15/ (kW·h·(104 m3) -1)4.616.91降嶺形三甘醇單位損耗量C16/ (mg·m-3)816降嶺形重沸器過剩空氣系數C171.15降嶺形三甘醇貧液質量分數C18/%99100升嶺形工藝及設備穩定性C1901降嶺形壓縮機電動機功率因素C210.650.88升嶺形壓縮機電動機負載率C22/%4090升嶺形壓縮機組效率C23/%3075升嶺形系統單位電耗C24/ (kW·h·(104 m3) -1)322.022609.294降嶺形潤滑油單位用量C25/( kg·(kW·h)-1)0.0030.005降嶺形天然氣泄漏量C26/ (L·min-1)26降嶺形

2.4 評價結果計算

利用線性加權法計算儲氣庫地面工藝系統能效綜合評價結果，線性加權法就是將評價指標的量化值與各指標權重系數值相乘以得到各單個指標的評價值，再對單個指標評價值進行求和得到最終總評價值。計算步驟如下。

2.4.1準則層指標評價值計算

準則層指標評價值計算公式如式(4)所示：

(4)

式中：Ui為第i個準則層指標的評價值；Uij為第i個準則層指標中第j個指標層指標的評價值；ωij為第i個準則層指標中第j個指標層指標的權重。

2.4.2目標層綜合評價值計算

目標層綜合評價值計算公式如式(5)所示：

(5)

式中：U為目標層指標的綜合評價值；Ui為目標層指標中第i個一級指標的評價值；ωi為目標層指標中第i個一級指標的權重。

3 實例應用

以某枯竭氣藏型地下儲氣庫地面工藝系統為例，采用本研究建立的儲氣庫地面工藝系統能效評價指標體系及評價方法，分別對正、異常工況下的儲氣庫地面工藝系統進行能效評價，以進一步驗證本體系及方法的合理性。

3.1 儲氣庫地面系統正常工況下的能效評價

任意選取儲氣庫地面系統正常運行時一組實際運行參數，根據所建立的能效評價模型，進行能效評價計算，計算結果如表6所列。儲氣庫地面工藝系統在正常工況下運行時，能效評價得分較高，表明能效水平及適應性情況良好。從各單項指標評價得分來看，重沸器是影響脫水系統用能及能效評價的關鍵環節，壓縮機組效率及系統單位電耗是影響增壓系統能效水平的關鍵。

表6 儲氣庫地面系統正常工況下能效評價計算結果目標層評價值準則層評價值指標層運行值評價值儲氣庫地面系統能效A74.68地面脫水系統能效B169.18重沸器熱效率C1176.1414.74循環泵電機負載率C1269.412.16循環泵效率C1321.022.92重沸器單位氣耗C145.5220.34系統單位電耗C155.2311.89三甘醇單位損耗量C1612.624.56重沸器過剩空氣系數C171.583.65三甘醇貧液質量分數C1899.542.55工藝及設備穩定性C1906.37地面增壓系統能效B280.17壓縮機電動機功率因素C210.8012.64壓縮機電動機負載率C2280.4777.19壓縮機組效率C2366.2126.43系統單位電耗C24408.2925.73潤滑油單位用量C250.002 48.18天然氣泄漏量C269.80

3.2 儲氣庫地面系統異常工況下的能效評價

任意選取儲氣庫地面系統異常運行時一組現場運行參數，根據所建立的能效評價模型，進行能效評價計算，計算結果如表7所列。儲氣庫地面工藝系統在異

常工況下運行時，能效評價得分較低，反映出此時能效水平較低、適應性較差。從單項指標評價值可以看出，三甘醇單位損耗量過高、三甘醇貧液質量分數不達標、工藝設備穩定性較差、潤滑油單位用量過高及天然氣泄漏量超標是造成能效水平低的主要原因。

表7 儲氣庫地面系統異常工況下能效評價計算結果目標層評價值準則層評價值指標層運行值評價值儲氣庫地面系統能效A48.68地面脫水系統能效B144.41重沸器熱效率C1171.759.26循環泵電機負載率C1268.732.11循環泵效率C1320.062.54重沸器單位氣耗C145.5915.93系統單位電耗C155.3311.12三甘醇單位損耗量C1615.160.32重沸器過?？諝庀禂礐172.173.13三甘醇貧液質量分數C1897.630工藝及設備穩定性C1910地面增壓系統能效B252.94壓縮機電動機功率因素C210.8214.56壓縮機電動機負載率C2282.167.41壓縮機組效率C2364.8925.61系統單位電耗C24532.745.36潤滑油單位用量C250.007 20天然氣泄漏量C2611.420

4 結論

(1) 通過逐層分析儲氣庫地面工藝系統的各個影響因素，構建了涵蓋3層次(目標層、準則層及指標層)15指標儲氣庫地面工藝系統能效評價指標體系。

(2) 提出了儲氣庫地面系統正、異常工況下的能效評價方法，并清晰界定了儲氣庫地面工藝系統評價依據、指標權重計算方法及評價指標范圍要求等，結合現場實際運行情況，便于分析查找用能系統所存在的問題。

(3) 以某枯竭氣藏型地下儲氣庫為例進行應用及分析驗證。結果表明，本研究提出的能效評價指標體系及評價方法能更好地反映出用能系統的正、異常情況、能效水平、適應性情況及所存在的問題，為后續節能工作的開展提供了相應依據。