浅析油气田重点用能系统能效评价方法——以塔里木油田为例

曹莹 宋美华 赵卫东 徐秀芬 林国强

1.东北石油大学机械科学与工程学院 2.中国石油塔里木油田公司油气工程研究院

目前，石油天然气行业内关于油气田生产系统的能效分析与评价主要依据为GB/T 31453-2015《油田生产系统节能监测规范》、SY/T 7319-2016《气田生产系统节能监测规范》等。随着长庆、塔里木等大型气田区块的开发，以及相关新技术、新工艺的不断发展，石油工业的相关标准体系框架也随之不断修订和完善，但整体上，对于气田生产的相关测试与评价工作，仍存在标准制修订工作相对滞后的问题。此外，由于大多数油田企业同时涵盖油田、气田生产业务，常用的评价方法在具体执行时，存在范围界定不清晰、评价指标(及限值)交叉和不统一等情况，导致评价结果的可信度降低，不能准确反映系统实际的用能水平，在一定程度上限制了节能工作的有效开展。本研究旨在通过对油气田企业重点用能系统的能耗构成及用能评价现状的分析，针对目前常用评价方法存在的问题，结合现行标准，建立一套科学、合理的评价指标体系和评价方法，用以指导相关节能评价工作更加规范、高效地开展，同时对标准体系完善以及标准制修订等相关工作起到相互敦促的作用。

1 油气生产系统能耗构成及用能评价现状

1.1 重点用能系统能耗构成分析

根据油气田企业的生产特点和业务范围，油气生产系统主要包括4大类重点用能系统：机械采油、注水、原油集输以及天然气集输与处理。各用能系统的工艺及耗能设备、能耗种类等见表1[1-5]。

由表1可知，油气田4大重点用能系统的能耗主要为电力、天然气，其中天然气消耗最大，其次为电力。在油气田实际生产过程中，还会涉及到其他的能源消耗，如原油、热力等，但整体能耗占比很少。

1.2 用能评价现状分析

目前，油气田重点用能系统的能效分析与评价属于节能监测评价的工作范畴，相应的评价指标、评价方法等均按5项现行国家标准和石油天然气行业标准的规定执行，但在具体的执行过程中，存在一定的问题(见表2)。

表1 油气田重点用能系统工艺及能耗组成特点用能系统工艺/流程耗能设备能耗种类机械采油抽油机、电潜泵、螺杆泵(较少)泵机组电力油田注水利用清水或处理合格的采油污水经注水泵加压后,经注水管网输送到各配水间,再经管线注入各注水井注水泵、增压泵电力原油集输主要包括:油气分离、油气计量、原油脱水、天然气净化、原油稳定、轻烃回收等工艺泵机组加热炉/锅炉电力天然气气田天然气集输与处理将气井中的天然气采集、输送、处理成合格天然气并外输。辅助系统包含污水处理回注、加热集输等工艺,与油田注水、原油集输系统工艺基本相同压缩机、泵机组加热炉/锅炉/导热油炉、塔底重沸器电力天然气

表2 油气田重点用能系统用能评价现状分析用能系统测试项目、评价指标执行标准执行中存在的问题机械采油①系统效率(稠油井/稀油井)②电动机功率因数③平衡度油田注水①系统效率②节流损失率③泵机组效率(离心式/往复式)原油集输①泵机组效率(输油泵/掺水泵/热洗泵,有调速/无调速)②加热炉(燃气/燃油/燃煤)、锅炉的热效率、排烟温度、空气系数、炉体外表面温度GB/T 31453-2015《油田生产系统节能监测规范》[6]①电动机功率因数表征性较差②平衡度指标表征性较差③未考虑现场关注的用电单耗指标①系统效率指标的表征性较差②包含污水回注系统,但指标与SY/T 7319-2016内容不一致③泵机组效率缺少有调速、无调速两种不同工况的指标细化①缺少表征集输系统整体用能情况的指标②炉体外表面温度指标表征性差,未考虑环境温度对加热炉、锅炉热效率的影响③未考虑负荷率对加热炉、锅炉热效率的影响气田天然气集输与处理①天然气压缩机组效率(燃气驱/电驱)②加热炉热效率、排烟温度、空气系数、环表温差③锅炉热效率、排烟温度、空气系数、炉侧表面温度、炉顶表面温度④导热油炉热效率、排烟温度、空气系数、炉体外表面温度⑤泵机组效率(黏性/非黏性)⑥回注泵机组效率(离心式/往复式)SY/T 7319-2016《气田生产系统节能监测规范》 [7]①天然气压缩机的评价指标限值界定与GB/T 34165-2017《油气输送管道系统节能监测规范》规定不一致②加热炉未按燃料种类进行细化③锅炉、导热油炉的指标项目与加热炉的指标不一致④锅炉的炉侧、炉顶表面温度表征性较差⑤回注系统指标参照GB/T 31453-2015,但仅为泵机组效率,且与GB/T 31453-2015区间划分及限值要求不一致⑥回注系统缺少表征系统整体用能情况的指标;回注泵机组效率缺少有调速、无调速两种不同工况的指标细化

由表2分析可知，由于部分油气田业务范围的界定不够清晰，以及气田相关标准制修订工作相对滞后和标准之间协调一致程度不高等原因，导致用能系统的能效评价存在交叉和不一致等现象，在一定程度上影响了评价结果的真实性和可靠性。此外，在具体评价时，主要按照GB/T 31453-2015、SY/T 7319-2016规定，从设备和系统两方面进行评价。对于单台设备，直接根据各项指标的达标情况判定设备为不合格、合格或节能运行设备；对于用能系统，通过各项指标的达标情况判定系统为不合格、合格或节能运行系统。此种评价方法对于开展多系统以及多台设备的横向、纵向对比分析在适用性、准确性等方面仍有待提高。

针对上述问题，结合各油气田企业实际情况，研究确定出一套科学、合理、统一协调的用于分析评价重点用能系统的指标体系和评价方法。

2 油气田重点用能系统能效指标体系

2.1 指标体系构架及指标体系

根据油气田生产实际特点，构建了油气田重点用能系统的能效指标体系框架，共分为3个层级[8-9]，即宏观综合、生产系统、终端设备。在此基础上，根据GB/T 33653-2017《油田生产系统能耗测试和计算方法》[10]、GB/T 33754-2017《气田生产系统能耗测试和计算方法》[11]，进一步结合现场实际工况和测试条件等多方面因素，遵循科学合理、协调统一、适用性强、可操作性强等原则，建立了油气田重点用能系统能效指标体系，共包含3个层级16项指标(见图1)。

2.2 指标计算执行方法

宏观综合指标为油气田生产综合能耗，具体包括以下2项指标。

表3 生产系统及终端设备指标汇总及执行方法系统能效指标执行标准及条款指标意义区分说明机械采油生产系统机采系统效率、吨液百米耗电终端设备电动机功率利用率GB/T 33653-2017第7章吨液百米耗电与机采系统效率互为倒数关系①油田注水生产系统注水系统效率单位压力注水量电耗终端设备注水泵机组效率GB/T 33653-2017第9章对于同一注水系统,单位压力注水量电耗与注水系统效率互为倒数关系②原油集输生产系统单位液量集输综合能耗终端设备输油泵机组效率、加热炉热效率GB/T 33653-2017第8章气田天然气集输与处理生产系统单位气田气集输综合能耗单位天然气处理综合能耗终端设备泵机组效率、压缩机机组效率加热炉、锅炉热效率GB/T 33754-2017SY/T 6381-2016[12] 注:① 吨液百米耗电更注重反映系统的耗电情况,是直观的量化指标,较符合现场人员的理解和认知。②注水系统效率是从系统整体能耗情况入手,着重系统的能效;单位压力注水量电耗是从系统的单耗情况入手,着重系统的耗电情况,是直观的量化指标,更符合现场人员的理解和认知习惯。虽然这两项指标都不能完全合理反映注水系统的能效水平,在油田企业间的横向对比分析中表征性较差,但对于企业内部的纵向对比分析仍具有重要的参考价值。

(1) 对于油田而言，即单位油(气)生产综合能耗反映油田每产出1 t原油(原油当量)时能源的消耗量，是统计期内油田生产能源消耗总量与油气当量的比值。

(2) 对于气田而言，即单位天然气生产综合能耗反映气田产出1×104m3商品天然气时能源的总消耗量，是统计期内气田生产能源消耗量与天然气产量的比值。

生产系统及终端设备指标具体包括4大类生产系统及其设备的能效指标14项，各项指标测试和计算方法见表3。

3 用能系统能效评价方法

通过对油气田企业主要用能系统的工艺、用能特点、能效评价现状的调研及分析表明，各油气田企业的业务范围及其所辖区块的地质条件、油气物性、含水率、系统布局规模等不尽相同，导致能效指标体系中的5项指标(2项宏观综合指标；3项生产系统指标：单位液量集输综合能耗、单位气田集输综合能耗、单位天然气处理综合能耗)相对来说横向可比性较差，更适用于油气田企业开展纵向对标分析时选用。实质上，该5项指标在对应的生产系统和终端设备指标中均有体现。因此，在对用能系统进行能效分析与评价时，为便于操作，可暂不考虑这5项指标，而主要从生产系统、终端设备两个层级进行能效分析与评价。

具体开展评价工作时，主要通过对能耗数据进行现场测试或在线监测，计算得到各项能效指标实际值，结合各生产系统的实际情况，采用标准对照、加权综合评价方法进行指标及系统能效的分析与评价。

3.1 生产系统评价

生产系统评价主要采用标准对照、加权综合评价相结合的方式进行。

机采、注水系统的能效评价采用标准对照法，原油集输和天然气集输与处理系统采用加权综合评价法进行评价(见表4)。

3.2 终端设备评价

终端设备评价采用标准对照法，其评价指标及来源见表5。

表4 生产系统能效评价方法能效指标名称评价方法评价标准具体条款机械采油系统效率标准对照GB/T 31453-20154.1油田注水原油集输气田天然气集输与处理系统效率标准对照系统能效加权综合评价系统能效加权综合评价系统能效加权综合评价GB/T 31453-20154.3见本文第3.3节

表5 终端设备评价方法能效指标名称评价范围界定评价标准具体条款电动机功率利用率抽油机、电潜泵、螺杆泵SY/T 6374-2016[13]5.1.1泵机组效率油田原油集输系统用泵机组GB/T 31453-20154.2.1油田伴生气、气田集输处理系统用泵机组SY/T 7319-20164.3.1,4.4加热炉/锅炉/导热油炉热效率油田供热系统用热力设备GB/T 31453-20154.2.2油田伴生气处理、气田供热系统用热力设备SY/T 7319-20164.2.1,4.3.2,4.3.3天然气压缩机组效率油气田长输管道、油田生产系统用压缩机GB/T 34165-2017[14]4.2.7油田伴生气/气田天然气处理和外输、注气系统用压缩机SY/T 7319-20164.1

3.3 加权综合评价方法

3.3.1加权综合评价函数计算

在建立加权综合评价函数之前，首先对权重矩阵与各分项计算矩阵分别进行计算。

(1) 权重矩阵。各类系统中的设备权重矩阵的计算方法见式(1)：

(1)

式中：A为权重矩阵；m为各类系统对应的设备种类数目。如原油集输系统主要包括泵和加热炉，则m=2；i为某系统内对应设备种类的变量，i=1,2,…,m；Pi为某系统内第i类设备的额定功率之和，kW；PΣ为某系统内所有设备的额定功率之和，kW。

(2) 各分项计算矩阵。对于某生产系统中的各类设备，其各分项矩阵的计算方法见式(2)、式(3)：

(2)

B=[b1…bi…bm]T

(3)

式中：bi为第i类设备的能效加权值；Pij为第i类设备中第j台的额定功率，kW；n为各系统中某类设备的台数，如原油集输系统共有5台泵，则n=5，j为对应的某类设备台数的变量，j=1,2…,n；ηij为第i类设备中第j台的实际运行效率，%，如第j台设备为输油泵机组，实际运行效率为45%，即ηij=45%；ηi0j为第i类设备中第j台的效率合格值，%，如第j台设备对应标准中该型号设备的机组效率合格值为55%，即ηi0j=55%；B为各分项计算矩阵。

(3) 某生产系统的能效加权综合评价函数。对于某生产系统而言，其能效加权综合评价函数应为权重矩阵与各分项计算矩阵的乘积，计算方法见式(4)：

C=BA

(4)

式中：C为某生产系统的能效加权综合评价函数值。

3.3.2能效加权综合评价方法

能效综合评价的具体步骤如下：

(1) 对各类系统单独分析：根据第3.3.1节的计算方法，分别计算得到各类生产系统的加权综合评价函数C1，C2，…，Ck。

(2) 排序：将需评价的k个系统(如机采、注水等)的所有C值按由高到低进行排序。

(3) 指标限值确定：根据C值排序后，限值的确定方法分为两种情况：①若测试数据量大，具有统计规律，则取排序前30%的数值作为优良值，取前60%的数值作为合格值，低于该值即为不合格；②若测试数据不足，则只对加权综合评价函数C1，C2，…，Ck按由高到低进行排序，不进行优良、合格、不合格限值的选取与确定。

(4) 评价结果：根据步骤(3)的结果，最终评价结果也分为两种情况：①若测试数据量大，则根据步骤(3)中确定的限值判定相应的能效水平为优良、合格或不合格；②若测试数据不充足，则通过C1，C2，…，Ck的排序情况，可初步分析判断各生产系统的能效水平高低及系统间的差异情况，为后续有针对性地开展系统的改进措施提供方向。

4 应用实例

以塔里木油田6个站场共30台主要耗能设备为例，分别依据目前现场执行GB/T 31453-2015以及本研究提出的执行SY/T 7319-2016指标评价限值得到两种评价结果。在此基础上，采用本研究提出的能效加权综合评价方法，将30台主要耗能设备分为泵、压缩机、加热炉3类(即i=3)，对6个站场的能效水平进行分析与评价，以进一步验证本方法相较于目前现场的评价标准和评价方法更具合理性。

4.1 计算结果

各站场主要耗能设备能效评价的基本情况见表6。

表6 各站场的主要耗能设备情况站场主要耗能设备额定功率/kW额定排量/(m3·h-1)运行负荷率/%实际运行效率/%目前执行评价限值本文评价限值效率合格值/%评价结果效率合格值/%评价结果一致性程度1#热油泵50 21020.152不合格52不合格导热油炉6 70066.587不合格84不合格2#TEG循环泵机组A55 5～2052.030合格36合格TEG循环泵机组B555～2053.430合格36合格循环水泵机组45 100～15058.648合格46合格3#导热油炉A1 50089.880合格80合格导热油炉B1 50082.080合格80合格导热油炉C1 50089.380合格80合格4#凝析油外输泵194038.533合格40不合格不一致脱乙烷塔顶气压缩机3#71089.775合格55合格脱乙烷塔顶气压缩机5#71085.575合格55合格脱乙烷塔顶气压缩机4#71090.475合格55合格凝析油稳定气压缩机31560.775不合格55合格不一致导热油炉A7 20085.287不合格84合格不一致导热油炉B7 20084.287不合格84合格不一致导热油炉C7 20083.587不合格84不合格热水锅炉1 750 29.585.680合格78合格

续表6站场主要耗能设备额定功率/kW额定排量/(m3·h-1)运行负荷率/%实际运行效率/%目前执行评价限值本文评价限值效率合格值/%评价结果效率合格值/%评价结果一致性程度5#中压机组1#265 41 66724.722合格29不合格不一致中压机组3#265 41 66724.222合格29不合格不一致稳压机组2#265 41 66725.622合格29不合格不一致稳压机组3#265 41 66724.722合格29不合格不一致外输压缩机机组1#1 24883 33317.422不合格29不合格外输压缩机机组2#1 24883 33313.522不合格29不合格导热油炉B4 00090.387合格82合格导热油炉C4 000 89.487合格82合格热水锅炉70050.087.375合格82合格6#注气压缩机(电驱)4 500 73.175不合格55合格不一致注气压缩机1#1 976 41 66733.622合格29合格注气压缩机6#1 976 41 66732.322合格29合格注气压缩机7#1 976 41 66730.022合格29合格

表7 能效加权综合评价方法计算结果站场现场目前执行评价限值标准计算结果本方法执行评价限值标准计算结果权重矩阵A各分项计矩阵B能效加权综合评价函数值C权重矩阵A各分项计算矩阵B能效加权综合评价函数值C1#[0.007 4 0 0.992 6][0.386 5 0 0.764 4]T0.761 6[0.007 4 0 0.992 6][0.386 5 0 0.791 7] T0.788 72#[1 0 0][1.601 1 0 0] T1.601 1[1 0 0][1.408 7 0 0] T1.408 73#[0 0 1][0 0 1.087 9] T1.087 9[0 0 1][0 0 1.087 9] T1.087 94#[0.000 7 0.094 7 0.904 5][1.166 7 1.132 6 0.976 5]T0.991 3[0.000 7 0.094 7 0.904 5][0.962 5 1.544 5 1.010 6]T1.061 15#[0 0.290 1 0.709 9][0 0.829 0 1.043 3]T0.981 1[0 0.290 1 0.709 9][0 0.628 9 1.093 2]T0.958 56#[0 1 0][0 1.246 6 0] T1.246 6[0 1 0][0 1.200 2 0] T1.200 2

对上述6个站场的能效加权综合评价函数值分别进行计算，计算结果见表7。

4.2 结果分析

通过对表7中6个站场主要耗能设备的能效加权综合评价函数C的结果分析可知：

(1) 若按目前现场执行GB/T 31453-2015的评价限值标准进行评价时，C的排序为：2#>6#>3#>4#>5#>1#。

(2) 若按本研究提出的执行SY/T 7319-2016的评价限值标准进行评价时，C的排序为：2#>6#>3#>4#>5#>1#。

(3) 虽然采用两种不同评价限值得到的C值排序相同，但结合表6中设备的评价结果可知，30台设备中9台设备评价结果不一致，即两种不同评价标准得到的单台设备能效评价结果不一致程度为30%。

(4) 综合考虑设备合格率以及总功率等因素，若采用目前现场执行GB/T 31453-2015的评价标准，则理论上，6个站场能效水平的高低排序应为：2#>3#>5#>6#>4#>1#，与目前分析计算结果不符。同理，分析本研究提出的按执行SY/T 7319-2016的评价限值情况，得到表8。

表8 各站场耗能设备运行结果分析站场设备合格率/%总功率(平均功率)/kW平均限定值差值/%高于限值低于限值1#0.006 750.00(3 375.00)-24.702#100.00155.00(51.67)15.333#100.004 500.00(1 500.00)7.034#77.7825 814.00(2 868.22)16.47-1.005#66.6712 256.00(1 361.78)7.00-7.326#100.0010 428.00(2 607.00)6.75

由表8分析可知：

(1) 2#、3#、6#站场耗能设备的效率合格率为100%，其中2#站场设备总功率较小，但设备的实际运行效率值远远高于合格值，差值为15.33%，其能效水平是6个站场中最高的；6#站场设备总功率较大，但实际运行效率值与限定值差值较小(6.75%)，能效水平仅次于2#站场；3#站场设备实际运行效率值与限定值差值为7.03%，略高于6#站场，但设备总功率远小于6#站场。3个站场能效排序为：2#>6#>3#，与能效加权综合评价函数值C的排序相同。

(2) 1#、4#、5#站场均存在不合格的耗能设备，合格率分别为0%、77.78%、66.67%，能效排序为：4#>5#>1#，与能效加权综合评价函数值C的排序相同。

(3) 6个站场的能效加权综合评价函数值C由大到小排序依次为：2#>6#>3#>4#>5#>1#。

结合表7的数据分析结果，可得出以下结论：

(1) 设备合格率直接影响系统的能效水平，设备合格率越高，则系统能效越高。

(2) 在设备合格率相同的情况下，系统能效与某类设备的功率、限定值差值的幅值大小有关，功率越大，与限定值差值幅值越大，能效水平则越高。

(3) 能效加权综合评价函数C值越大，站场(系统)的总体能效水平就越高。同时,证明了提出的能效加权综合评价方法具有一定的合理性与科学性。

4.3 问题与建议

结合塔里木油田6个站场30台耗能设备的能效评价结果分析可知，本研究提出的能效指标体系和评价方法能更合理地反映系统(设备)整体的真实能效水平。但在实例应用分析的过程中发现，随着节能工作的不断推进，目前现场采取的大型耗能设备，如泵机组、压缩机组等大多采用变频改造技术，实现设备变频运行，取得了较好的节能效果。在设备能效评价时，GB/T 31453-2015中部分泵机组的指标评价限值考虑了有调速、无调速两种情况，但SY/T 7319-2016中并未进行不同工况的区分，主要原因为在SY/T 7319-2016的标准研制之初，气田生产系统的节能措施相对较少，同时兼顾标准的通用性，因此未对该项内容进行详细区分。

随着节能设备产品的不断更新、升级以及节能技术的不断发展，GB/T 31453-2015、SY/T 7319-2016中各项指标的区间划分以及限值界定，在后续标准修订过程中，都需要根据现场实际应用情况进行调整。同时，建议两项标准同期进行修订，以保证标准之间能够协调统一，消除目前存在的交叉、不一致现象，进而真正实现标准对油气田企业在实际生产和节能管理工作中节能降耗及能效水平提升的促进作用。

5 结论

(1) 通过对油气田重点用能系统能耗构成及能效评价现状分析，针对目前存在的关键问题，建立了涵盖宏观综合、生产系统、终端设备3个层级共16项指标的油气田重点用能系统能效评价指标体系，并明确了各项指标的测试和计算方法。

(2) 提出了基于矩阵运算的能效加权综合评价方法，并清晰界定了油气田重点用能系统的范围、评价依据和指标限值要求等，结合建立的指标体系以及现场实际情况，油气田企业可进行系统能效水平的纵向、横向对比，便于分析查找问题，提出有效的节能改进措施和建议。

(3) 以塔里木油田6个站场、30台耗能设备为例进行应用效果分析与验证。结果表明，本研究提出的指标体系及能效加权综合评价方法能更加合理地反映相应系统的能效水平，相对于目前常用的评价方法，更加科学合理，便于操作和分析，同时可为后续节能改进措施的提出及相关节能工作的开展提供依据。

(4) 应用结果发现，现行标准中仍存在标准之间协调性差、标准中指标限值划分不细致、无法覆盖所有典型工况、部分标准制修订工作相对滞后等问题。针对存在的问题，提出标准后续修订完善的方向和主要内容，建议对GB/T 31453-2015、SY/T 7319-2016同期修订，标准内容主要考虑从设备功率区间调整、有无调速情况细化等方面着手进行调整，以保证标准的合理性、适用性和先进性，有效促进相关节能管理工作的持续改进和提升。