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。
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。
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)。
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。
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)。
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。
(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1×104 m3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。
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。
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)。
终端设备评价采用标准对照法，其评价指标及来源见表 5。
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)：
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)：
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)：
式中：C为某生产系统的能效加权综合评价函数值。
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。
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。
各站场主要耗能设备能效评价的基本情况见表 6。
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。
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。
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。
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。
(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。
2020, Vol. 49 Issue (3): 106-114
2020, Vol. 49 Issue (3): 106-114