煤层气地面集输系统压缩机能效提升方案研究

煤层气地面集输系统压缩机能效提升方案研究

王宁

新疆维吾尔自治区煤田地质局一五六煤田地质勘探队 阜康市通源新能源科技开发有限责任公司830000

摘要:煤层气是一种天然气，在我国具有丰富的储量和开采量。然而煤层气开采过程中存在着能源浪费、约束因素等问题，对于煤层气地面集输系统中的压缩机能效提升方案研究具有极其重要的意义。

关键词:煤层气;地面集输;压缩机;效能提升

引言： 华北油田山西煤层气地面集输系统历经 10 余年开发运行，煤层气单井产量已经逐渐趋于平稳。随着集输管道气体压力的降低，集气站内压缩机的生产运行工况严重偏离原系统设计压力，导致出现实际运行效率低、能耗高的问题 。目前，压缩机节能降耗相关研究主要集中在优化控制运行、并联运行的多台压缩机负荷分配与输气管路匹配等方面。为保证压缩机高效平稳运行，对煤层气开采后期的气井提出了负压排采的建议。近年来，为降低所属区块的煤层气井口背压，以维持单井产气量，各集气站普遍维持原有压缩机开启的数量或规模，造成煤层气集输系统能耗成本和煤层气产量的持续矛盾。在国家“双碳”战略和中石油打造提质增效升级版大背景下，如何在保持煤层气稳产增产的前提下，尽量降低单位煤层气产量对应的能量消耗 ，尤其是提高能耗占比最高的压缩机组能效，成为亟需解决的技术问题。为此，通过压缩机运行现状调研，提出了基于历史运行数据的压缩机能效提升方式，结合负压集输的思路开展了阀组-集气站两级增压设计的可行性分析，为集气站压缩机节能降耗和集输模式改进提供参考。

一、煤层气地面集输系统压缩机能效提升的必要性

煤层气俗称“瓦斯”属于非常规天然气，是近一二十年在国际上崛起的清洁优质的新能源和化工原料。煤层气是以甲烷为主要成分的烃类气体，在成煤过程中生成并赋存于煤层中，主要吸附在煤基质颗粒表面、部分溶解于煤层水或游离于煤孔隙中。最新的全国煤层气资源预测结果显示，我国煤层气资源总量与陆上常规天然气资源量相当，约为 36.8 万亿立方米，是世界第三大煤层气储量国，其中埋深在 1000m 以内的浅资源量为 17.9 万亿立方米，主要分布在山西、陕西、东北、新疆和内蒙古等地区。在煤层气开采过程中，需要将煤层气从井口输送到市场或燃气发电厂等用气单位，这就需要涉及到大量的输气管道和压缩机等设备。而在煤层气地面集输系统中，输气管道的长距离输送和压缩机的连续工作给能源消耗带来了极大

的压力。在煤层气地面集输系统中，压缩机的能效提升对于节约能源、减少环境污染、降低生产成本等方面都具有重要意义。

二、煤层气地面集输系统压缩机能效提升存在问题

上世纪 60 年代开始，不断有国内外学者对油气管网优化进行研究，有的针对管网的局部（如管径，管网连接方式等）提出了优化方法，有的在一定程度上实现了全局优化等，在优化过程中学者们也应用了大量的求解算法，如非线性规划、动态规划等，并取得了一定的效果。然而这些方法通用性较差，往往同一种方法换一种情况应用结果就会出现偏差。与常规天然气相比，我国煤储层“三低一高”的特点决定了煤层气地面集输管网系统的庞大。随着煤层气田的滚动开发，集输管网日趋复杂，各气井间运行操作相互影响，给集输管网的优化带来了更大的难题。

2.1压缩机能效提升方式分析

集气站在运行中最关心的两个参数是进站压力 和外输量。进站压力与区块产气量直接关联，进站压力降低将导致压缩机进口压力下降，甚至触发阈值警报。外输量直接反应集气站所属区块的煤层气产量，关乎企业经济利益。当前各集气站压缩机的运行工况已明显偏离设定工况，在进站压力和外输 气量均难以在短期内提高的情况下，较低成本的提升集气站能效方式是通过收集、分析集气站的历史运行数据，寻找集气站在不同进气压力和外输量下对应的电耗最低值，并将对应时间段的压缩机气量分配和运行策略作为指导集气站后续压缩机运行的参考。分别以郑二、樊三站的单台 DTY1000 型往复式压缩机运行，以及樊三站的 DTY1000 型与LGN40型往复机和螺杆机并联运行为例，从进气压力和外输气量两方面对压缩机的实际运行特性进行分析。

2.2单台往复式压缩机运行特性

采集郑二集气站 2022年 1月至 5月每日的历史数据点132个，绘制DTY1000型压缩机组效率与进气压力和外输气量的关系曲线。由关系曲线发现，每日进气压力和压缩机进气量均在一定范围内波动，但进气压力与效率之间没有明显的规律性，而外输量与效率之间在忽略极少数离散点后存在一定的线性关系，可认为外输量是制约压缩机做功和效率的关键参数。

三、煤层气地面集输系统压缩机能效提升有效途径

煤炭资源是我国主要的能源之一，而煤层气则是其中的重要组成部分。煤层气的开发利用是我国能源发展的战略选择之一，尤其在满足能源需求与保护环境的平衡中更具有重要的地位。因此，煤层气地面集输系统压缩机能效提升有效途径应分五步完成。

3.1

两级增压方式设计思路

为有效解决上述问题，提出了在阀组处布置增压设备的阀组-集气站两级增压集输模式。在阀组设置增压设备，可显著提升阀组至集气站管段的煤 层气压力，不仅降低了阀组至集气站管线的沿程阻力损失，并且使集气站压缩机的实际进气压力更接近设计工况，进而提高压缩机效率。此外，阀组处增压设备可及时引出煤层气井口的气体，通过降低井口背压增加或稳定煤层气井的产量。两级增压集输模式虽然会因为投入增压设备而增加采购成本和阀组能耗，但可以实现站内压缩机组在设计条件下运行，降低站内压缩机的电耗成本，以及降低阀组至集气站管线的沿程阻力损失。在合理设计压比的前提下，可降低集输系统整体能耗，进而缓解煤层气产气量与集输系统能耗的矛盾。

3.2提高能源管理

采用先进的能源管理技术，通过采集压缩机相关数据并进行分析优化压缩机的运行参数，减少能源消耗近年来，为降低所属区块的煤层气井口背压，以维持单井产气量，各集气站普遍维持原有压缩机开启的数量或规模，造成煤层气集输系统能耗成本和煤层气产量的持续矛盾。在国家“双炭”战略和中石油打造提质增效升级版大背景下，如何在保持煤层气将产增产的前提下，尽量降低单位煤层气产量对应的能肖耗口，尤其是提高能耗占比最高的压缩机组能效，成为巫需解决的技术问题。为此，通过压机运行现状调研，提出了基于历史运行数据的压缩机能效提升方式，结合负压集输的思路开展了阀组-集气站两级增压设计的可行性分析，为集气站压统机节能降耗和集输模式改进提供参考。

结语： （1） 在当前单井产气量下降、压缩机运行偏离设计工况的背景下，集气站不宜采用多开压缩机来

稳定产量，需结合集气站所属区块产气量和不同压缩机设计处理气量，实施更为合理的负荷分配

方案。

（2） 基于历史数据获得了单台往复式压缩机以及往复式压缩机与螺杆式压缩机并联的特性曲线，得出了基于外输气量确定最优节能区间的实施方案，案例分析证明其节能效果明显，可基于此制定集气站的压缩机组启停和负荷分配方案。

（3） 提出了阀组-集气站两级增压集输模式，通过集气站案例分析，验证了该集输模式在提高集

输系统压缩机能效的同时，可降低集输管线的阻力损失和游离水沉积风险。

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