CN109899041A - 一种油田地面注气系统能耗评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种油田地面注气系统能耗评价方法，具体步骤为：确定注气系统基本流程，了解系统内耗能设备；能耗计算首先从压缩机开始，包括空压机和增压机，不同类型的压缩机对应不同的评价方法；确定制氮设备为变压吸附制氮(PSA)，选择不同的能耗计算方法；最后对泵机组的能耗进行评价计算。本发明针对注气系统主要的四个设备分别建立了能耗评价模型，能够对空气进入注气系统到高压氮气输出期间的能耗进行准确评价，直观地表现出注气系统中各部的能耗量。利用该评价方法可了解地面注气系统的能耗情况，为地面注气系统节能优化提供参考与支持。

Description

一种油田地面注气系统能耗评价方法

技术领域

本发明涉及注气系统能耗领域，具体涉及一种油田地面注气系统能耗评价方法。

背景技术

近年来，随着国家节能减排战略的持续推进，节约能源，降低生产成本的问题在油田行业也日益严峻，而我国稠油开采部分地区已经进入了后期，含水率较高，产量递减，采收效益差，因此提出了油田注氮气工艺，事实证明此技术可以有效改善开采后期亏空大、出水率高的难题，但是地面注气系统能耗较高，单纯降低功率又会影响工艺效果。因此需要一套综合的能耗评价方法来指导现场进行经济运行。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种油田地面注气系统能耗评价方法，利用该评价方法可了解地面注气系统的能耗情况，为地面注气系统节能优化提供参考与支持。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种油田地面注气系统能耗评价方法，其特征在于，

将注气系统划分为压缩系统、制氮系统和泵机组系统，其中所述压缩系统包括空气压缩机和氮气压缩机，并分别对各系统进行下述参数的测试和能耗评价；

(1)所述压缩系统的压缩机效率；

m＝Q·ρ/3600

N_e＝η_mP_i

式中，

Q为气体标准状况即0.1MPa，0℃下的压缩机体积流量，Nm³/h；ρ为气体在标准状况下的密度，kg/m³；m为气体质量流量，kg/s；h₁为气体进口比焓，kJ/kg；h_2s为气体等熵过程出口比焓，kJ/kg；v₁为气体进口比容，m³/kg；v_2s为气体等熵过程出口比容，m³/kg；R为通用气体常数，8.314J/(K·moL)；M为气体摩尔质量，kg/mol；f为苏尔兹修正因子；R_g为气体常数，与气体种类有关，J/(kg·K)；Z₁、Z₂为气体进出口压缩因子，与温度、压力以及气体种类有关；T₁为压缩机吸气温度，K；T₂为压缩机出气温度，K；n为平均多变指数；P₂、P₁为压缩机气体进出口绝对压力，MPa；N_i为压缩机指示功率，kW；N_e为压缩机轴功率，kW；P_i为电驱压缩机电机输入功率或透平驱内功率，kW；透平机械效率或电机效率η_m，透平机械效率一般取值0.98，电机效率一般取值0.90；压缩机效率η_c；

(2)制氮系统中的PSA制氮设备的单位产品氮气电耗：

N_c＝N_eη_m

N_all＝N_c+N_j

式中，I为电机输入电流，A；U为电机输入电压，V；为功率因子；N_e为电机输入功率，kW；η_m为电机效率，一般取0.90；N_c为压缩机输入功率，kW；N_j为辅机功率，kW；N₀为单位产品氮气电耗，kW·h/Nm³；y为产品气体纯度，％；N_all为总功率，kW；Q₀为标准状态下氮气产量，Nm³/h；

(3)所述泵机组系统的泵机组额定效率：

P_u＝ρgHQ×10^-3

式中，P_p1、P_p2为泵进出口压力，Pa；h_e1、h_e2为泵进出口压力表高度，m；w₁、w₂为泵进出口液体流速，m/s；ρ为液体密度，kg/m³；g为重力加速度，9.81m/s²；H为泵的总扬程，m；Q为泵实际排量，m³/s；P_u为泵输出功率，kW；P_d为电机输出功率，kW；η_p为泵机组实际运行效率；η_re为泵机组额定效率；P_re,o为额定运行状态下机组输出有效功率，kW；P_re,i为额定运行状态下电源输入有效功率，kW；

(4)当η_c、N₀、r同时符合以下条件时，所述注气系统为经济运行：

若压缩机额定功率小于750kw，往复式η_c>0.6、离心式η_c>0.65、轴流式η_c>0.7；若压缩机额定功率在750kw至6000kw之间时，往复式η_c>0.6、离心式η_c>0.65、轴流式η_c>0.70；若压缩机额定功率在6000kw至12000kw之间时，往复式η_c>0.67、离心式η_c>0.72、轴流式η_c>0.77；若压缩机额定功率在12000kw至25000kw之间时，往复式η_c>0.72、离心式η_c>0.77、轴流式η_c>0.82；若压缩机额定功率在25000kw至50000kw之间时，往复式η_c>0.75、离心式η_c>0.80、轴流式η_c>0.85；

在制氮纯度≥99.5％、氮气压力≥0.6MPa、启动时间≤40min条件下，在PSA产氮量为5-10Nm³/h时，N₀≤0.76；PSA产氮量为20-50Nm³/h时，N₀≤0.73；PSA产氮量为100-200Nm³/h时，N₀≤0.70；PSA产氮量为300-600Nm³/h时，N₀≤0.68；PSA产氮量为800-1500Nm³/h时，N₀≤0.65；PSA产氮量为1800-3000Nm³/h时，N₀≤0.60；

r≥0.7。

优选的，(1)中压缩机测试方法为：在压缩机稳定运行时进行测试，每种运行工况期间最少测试五次，每次测定参数同时读取；环境温度和大气压力的测量距离压缩机吸气口1m处；压缩机进、排气温度的测量在压缩机标准进、排气位置；压缩机进、排气压力的测量在压缩机标准进、排气位置；压缩机排气量的测量采用精度不低于喷嘴法的测量方法；电机输入功率在配电箱的进线处测量。

优选的，(2)中PSA制氮设备测试方法为：在制氮设备稳定运行时测试，功率连续测量3次取平均值，每次间隔2小时；流量、纯度连续测量5次取平均值，每次间隔1小时；氮气纯度采用氧化锆分析仪进行测定，取样点在吸附系统平衡器出口管道处；进行流量测量时流量计在吸附系统平衡器出口处，标准状态下氮气流量按下式计算：

式中，Q为氮气在标准状态下体积流量，Nm³/h；Q₁为实际测量工况下的氮气流量，m³/h；p₁为流量计前缘氮气的实际压力，MPa，绝压；p为标准状态下大气压力，p＝0.101325MPa，绝压；T₁为流量计前缘氮气的实际温度，K；T为标准状态下大气温度，取T＝273.15K；Z_s为氮气在(T₁，p₁)状态下压缩因子；ρ_A为标准状态下空气的密度，kg/Nm³；ρ_N为标准状态下氮气的密度，kg/Nm³；Z_H为氮气在标准状态下压缩因子。

优选的，(3)中泵机组测试方法为：对于380V电气设备，在电机配电箱入口母线处使用3169钳形电力计直接测量，记录测量时间内三相电压、电流、有功功率、无功功率和功率因子并取平均值，同时记录泵机组压力、流量和温度参数；对于6/10kV高压电气设备，在配电室直接读取电机综合保护仪的电参数据或使用测量仪器通过开关柜的电压、电流互感器二次侧进行测量，根据互感器变比及接线方式折算成一次侧电参数。

优选的，所述辅机功率包括预冷机组功率、仪表气压缩机功率、真空泵功率。

优选的，r≥0.85更为经济。

本发明技术效果如下：

本发明所提供的一种油田地面注气系统能耗评价方法，能够直观的评价油田地面注气系统能耗水平，首先将注气系统中决定能耗的设备分为压缩系统、制氮系统和泵机组系统，然后通过对各系统可测或已知参数设计了效率参数的能耗评价模型分别进行能耗评价，能够准确了解整个系统中的非经济运行子系统，综合各系统的能耗情况来实现表达整体的能耗需求，一方面可以精准定位高能耗设备，另一方面通过整体系统的协同控制保证系统能耗状况，不局限于个别参数。本发明以油田地面注气系统为对象，在对注气工艺及注气系统能耗设备分析的基础上，建立了一套基于关键耗能部件的注气系统能耗评价方法，为油田地面注气作业提供了一套高效、准确的节能降耗的能耗评价方法。

附图说明

图1为本发明的一种油田地面注气系统能耗评价方法中注气工作的基本流程图；

图2为本发明的一种油田地面注气系统能耗评价方法的基本流程图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合具体实施例和附图对本发明进行进一步的解释。

根据如图1所示的地面注气系统基本流程，了解耗能设备，确定耗能设备类型，将注气系统划分为压缩系统、制氮系统和泵机组系统三个子系统，其中所述压缩系统包括空气压缩机和氮气压缩机，并分别对各系统进行测试和能耗评价，如图2所示：

(1)测试并计算所述压缩系统的压缩机效率；

m＝Q·ρ/3600

N_e＝η_mP_i

式中，

Q为气体标准状况即0.1MPa，0℃下的压缩机体积流量，Nm³/h；ρ为气体在标准状况下的密度，kg/m³；m为气体质量流量，kg/s；h₁为气体进口比焓，kJ/kg；h_2s为气体等熵过程出口比焓，kJ/kg；v₁为气体进口比容，m³/kg；v_2s为气体等熵过程出口比容，m³/kg；R为通用气体常数，8.314J/(K·moL)；M为气体摩尔质量，kg/mol；f为苏尔兹修正因子；R_g为气体常数，与气体种类有关，J/(kg·K)；Z₁、Z₂为气体进出口压缩因子，与温度、压力以及气体种类有关；T₁为压缩机吸气温度，K；T₂为压缩机出气温度，K；n为平均多变指数；P₂、P₁为压缩机气体进出口绝对压力，MPa；N_i为压缩机指示功率，kW；N_e为压缩机轴功率，kW；P_i为电驱压缩机电机输入功率或透平驱内功率，kW；透平机械效率或电机效率η_m，透平机械效率一般取值0.98，电机效率一般取值0.90；压缩机效率η_c；

(2)测试并计算制氮系统中的PSA制氮设备的单位产品氮气电耗：

N_c＝N_eη_m

N_all＝N_c+N_j

式中，I为电机输入电流，A；U为电机输入电压，V；为功率因子；N_e为电机输入功率，kW；η_m为电机效率，一般取0.90；N_c为压缩机输入功率，kW；N_j为辅机功率，kW；N₀为单位产品氮气电耗，kW·h/Nm³；y为产品气体纯度，％；N_all为总功率，kW；Q₀为标准状态下氮气产量，Nm³/h；

(3)测试并计算所述泵机组系统的泵机组额定效率：

P_u＝ρgHQ×10^-3

式中，P_p1、P_p2为泵进出口压力，Pa；h_e1、h_e2为泵进出口压力表高度，m；w₁、w₂为泵进出口液体流速，m/s；ρ为液体密度，kg/m³；g为重力加速度，9.81m/s²；H为泵的总扬程，m；Q为泵实际排量，m³/s；P_u为泵输出功率，kW；P_d为电机输出功率，kW；η_p为泵机组实际运行效率；η_re为泵机组额定效率；P_re,o为额定运行状态下机组输出有效功率，kW；P_re,i为额定运行状态下电源输入有效功率，kW；

(4)当η_c、N₀、r同时符合以下条件时，所述注气系统为经济运行：

若压缩机额定功率小于750kw，往复式η_c>0.6、离心式η_c>0.65、轴流式η_c>0.7；若压缩机额定功率在750kw至6000kw之间时，往复式η_c>0.6、离心式η_c>0.65、轴流式η_c>0.70；若压缩机额定功率在6000kw至12000kw之间时，往复式η_c>0.67、离心式η_c>0.72、轴流式η_c>0.77；若压缩机额定功率在12000kw至25000kw之间时，往复式η_c>0.72、离心式η_c>0.77、轴流式η_c>0.82；若压缩机额定功率在25000kw至50000kw之间时，往复式η_c>0.75、离心式η_c>0.80、轴流式η_c>0.85；

在制氮纯度≥99.5％、氮气压力≥0.6MPa、启动时间≤40min条件下，在PSA产氮量为5-10Nm³/h时，N₀≤0.76；PSA产氮量为20-50Nm³/h时，N₀≤0.73；PSA产氮量为100-200Nm³/h时，N₀≤0.70；PSA产氮量为300-600Nm³/h时，N₀≤0.68；PSA产氮量为800-1500Nm³/h时，N₀≤0.65；PSA产氮量为1800-3000Nm³/h时，N₀≤0.60；

对于泵机组实际运行效率与额定效率的比值r＝η_p/η_re，当r≥0.85时为经济运行；当0.7≤r<0.85时也可以视为合理运行。

作为一种可选实施例，其中，所述步骤(1)中压缩机测试方法为：在压缩机稳定运行时进行测试，每种运行工况期间最少测试五次，每次测定参数应尽量同时读取；环境温度和大气压力的测量应距离压缩机吸气口1m处；压缩机进、排气温度的测量应在压缩机标准进、排气位置(距进、排气法兰前两倍管直径处)；压缩机进、排气压力的测量应在压缩机标准进、排气位置(距进、排气法兰前一倍管直径处)；压缩机排气量的测量应采用喷嘴法或精度高于此的其他测量方法；电机输入功率应在配电箱的进线处测量；

作为一种可选实施例，其中，所述步骤(2)中PSA测试方法为：在制氮设备稳定运行时测试，功率应连续测量3次取平均值，每次间隔2小时；流量、纯度应连续测量5次取平均值，每次间隔1小时；氮气纯度采用氧化锆分析仪进行测定，取样点应在吸附系统平衡器出口管道处；进行流量测量时流量计应在吸附系统平衡器出口处，标准状态下氮气流量可按下式计算：

式中，Q为氮气在标准状态下体积流量，Nm³/h；Q₁为实际测量工况下的氮气流量，m³/h；p₁为流量计前缘氮气的实际压力，MPa(绝压)；p为标准状态下大气压力，p＝0.101325MPa(绝压)；T₁为流量计前缘氮气的实际温度，K；T为标准状态下大气温度，取T＝273.15K；Z_s为氮气在(T₁，p₁)状态下压缩因子；ρ_A为标准状态下空气的密度，kg/Nm³；ρ_N为标准状态下氮气的密度，kg/Nm³；Z_H为氮气在标准状态下压缩因子。

作为一种可选实施例，其中，所述步骤(3)中泵机组测试方法为：对于380V电气设备，在电机配电箱入口母线处使用3169钳形电力计直接测量，记录测量时间内三相电压、电流、有功功率、无功功率和功率因子并取平均值，同时记录泵机组压力、流量和温度等参数；对于6/10kV高压电气设备，可在配电室直接读取电机综合保护仪的电参数据，也可使用测量仪器通过开关柜的电压、电流互感器二次侧进行测量，根据互感器变比及接线方式折算成一次侧电参数。

以上实施例以油田地面注气系统为对象，能耗计算首先从压缩机开始，包括空压机和增压机，首先确定压缩机型号，不同类型的压缩机对应不同的评价方法；确定制氮设备为变压吸附制氮(PSA)，选择不同的能耗计算方法；最后对泵机组的能耗进行评价计算。本发明针对注气系统主要的四个设备分别建立了能耗评价模型，能够对空气进入注气系统到高压氮气输出期间的能耗进行准确评价，直观地表现出注气系统中各部的能耗量。在对注气工艺及注气系统能耗设备分析的基础上，根据基于关键耗能部件的注气系统能耗评价方法，调控参数使η_c、N₀、r处于前述的范围内，可使得注气系统在满足工作需求的情况下其能耗始终处于标准之内的较低状态，满足效率与能耗能整体处于平衡状态，为油田地面注气作业提供了一套高效、准确的节能降耗的能耗评价方法，为地面注气系统节能优化提供参考与支持。

本发明以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的修改或者对部分技术特征进行等同替换，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种油田地面注气系统能耗评价方法，其特征在于，

将注气系统划分为压缩系统、制氮系统和泵机组系统，其中所述压缩系统包括空气压缩机和氮气压缩机，并分别对各系统进行下述参数的测试和能耗评价；

(1)所述压缩系统的压缩机效率；

m＝Q·ρ/3600

N_e＝η_mP_i

式中，

Q为气体标准状况即0.1MPa，0℃下的压缩机体积流量，Nm³/h；ρ为气体在标准状况下的密度，kg/m³；m为气体质量流量，kg/s；h₁为气体进口比焓，kJ/kg；h_2s为气体等熵过程出口比焓，kJ/kg；v₁为气体进口比容，m³/kg；v_2s为气体等熵过程出口比容，m³/kg；R为通用气体常数，8.314J/(K·moL)；M为气体摩尔质量，kg/mol；f为苏尔兹修正因子；R_g为气体常数，与气体种类有关，J/(kg·K)；Z₁、Z₂为气体进出口压缩因子，与温度、压力以及气体种类有关；T₁为压缩机吸气温度，K；T₂为压缩机出气温度，K；n为平均多变指数；P₂、P₁为压缩机气体进出口绝对压力，MPa；N_i为压缩机指示功率，kW；N_e为压缩机轴功率，kW；P_i为电驱压缩机电机输入功率或透平驱内功率，kW；透平机械效率或电机效率η_m，透平机械效率一般取值0.98，电机效率一般取值0.90；压缩机效率η_c；

(2)制氮系统中的PSA制氮设备的单位产品氮气电耗：

N_c＝N_eη_m

N_all＝N_c+N_j

式中，I为电机输入电流，A；U为电机输入电压，V；为功率因子；N_e为电机输入功率，kW；η_m为电机效率，一般取0.90；N_c为压缩机输入功率，kW；N_j为辅机功率，kW；N₀为单位产品氮气电耗，kW·h/Nm³；y为产品气体纯度，％；N_all为总功率，kW；Q₀为标准状态下氮气产量，Nm³/h；

(3)所述泵机组系统的泵机组额定效率：

P_u＝ρgHQ×10^-3

式中，P_p1、P_p2为泵进出口压力，Pa；h_e1、h_e2为泵进出口压力表高度，m；w₁、w₂为泵进出口液体流速，m/s；ρ为液体密度，kg/m³；g为重力加速度，9.81m/s²；H为泵的总扬程，m；Q为泵实际排量，m³/s；P_u为泵输出功率，kW；P_d为电机输出功率，kW；η_p为泵机组实际运行效率；η_re为泵机组额定效率；P_re,o为额定运行状态下机组输出有效功率，kW；P_re,i为额定运行状态下电源输入有效功率，kW；

(4)当η_c、N₀、r同时符合以下条件时，所述注气系统为经济运行：

若压缩机额定功率小于750kw，往复式η_c>0.6、离心式η_c>0.65、轴流式η_c>0.7；若压缩机额定功率在750kw至6000kw之间时，往复式η_c>0.6、离心式η_c>0.65、轴流式η_c>0.70；若压缩机额定功率在6000kw至12000kw之间时，往复式η_c>0.67、离心式η_c>0.72、轴流式η_c>0.77；若压缩机额定功率在12000kw至25000kw之间时，往复式η_c>0.72、离心式η_c>0.77、轴流式η_c>0.82；若压缩机额定功率在25000kw至50000kw之间时，往复式η_c>0.75、离心式η_c>0.80、轴流式η_c>0.85；

在制氮纯度≥99.5％、氮气压力≥0.6MPa、启动时间≤40min条件下，在PSA产氮量为5-10Nm³/h时，N₀≤0.76；PSA产氮量为20-50Nm³/h时，N₀≤0.73；PSA产氮量为100-200Nm³/h时，N₀≤0.70；PSA产氮量为300-600Nm³/h时，N₀≤0.68；PSA产氮量为800-1500Nm³/h时，N₀≤0.65；PSA产氮量为1800-3000Nm³/h时，N₀≤0.60；

r≥0.7。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(1)中压缩机测试方法为：在压缩机稳定运行时进行测试，每种运行工况期间最少测试五次，每次测定参数同时读取；环境温度和大气压力的测量距离压缩机吸气口1m处；压缩机进、排气温度的测量在压缩机标准进、排气位置；压缩机进、排气压力的测量在压缩机标准进、排气位置；压缩机排气量的测量采用精度不低于喷嘴法的测量方法；电机输入功率在配电箱的进线处测量。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(2)中PSA制氮设备测试方法为：在制氮设备稳定运行时测试，功率连续测量3次取平均值，每次间隔2小时；流量、纯度连续测量5次取平均值，每次间隔1小时；氮气纯度采用氧化锆分析仪进行测定，取样点在吸附系统平衡器出口管道处；进行流量测量时流量计在吸附系统平衡器出口处，标准状态下氮气流量按下式计算：

式中，Q为氮气在标准状态下体积流量，Nm³/h；Q₁为实际测量工况下的氮气流量，m³/h；p₁为流量计前缘氮气的实际压力，MPa，绝压；p为标准状态下大气压力，p＝0.101325MPa，绝压；T₁为流量计前缘氮气的实际温度，K；T为标准状态下大气温度，取T＝273.15K；Z_s为氮气在(T₁，p₁)状态下压缩因子；ρ_A为标准状态下空气的密度，kg/Nm³；ρ_N为标准状态下氮气的密度，kg/Nm³；Z_H为氮气在标准状态下压缩因子。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(3)中泵机组测试方法为：对于380V电气设备，在电机配电箱入口母线处使用3169钳形电力计直接测量，记录测量时间内三相电压、电流、有功功率、无功功率和功率因子并取平均值，同时记录泵机组压力、流量和温度参数；对于6/10kV高压电气设备，在配电室直接读取电机综合保护仪的电参数据或使用测量仪器通过开关柜的电压、电流互感器二次侧进行测量，根据互感器变比及接线方式折算成一次侧电参数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述辅机功率包括预冷机组功率、仪表气压缩机功率、真空泵功率。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于r≥0.85。