“十三五”期間油氣輸送管道系統主要耗能設備節能監測分析

劉國豪 侯磊 魏甲強 王雷 楊楊 徐姍 潘騰 李東陽

1中國石油大學（北京）·油氣管道輸送安全國家工程實驗室

2國家石油天然氣管網集團研究總院技術推廣中心（節能測試中心）

3國家管網集團北方管道有限責任公司

油氣輸送管道是我國家第五大能源通道。輸油泵機組、加熱爐、鍋爐、天然氣壓縮機組是油氣輸送管道企業的關鍵設備，也是能源消耗的主要設備，總裝機容量超過9 000 MW。2020 年油氣管輸企業總能耗超過400×104t 標煤，總體耗能十分巨大，能耗費用約占企業全部運行成本的四分之一。其中耗能設備集中的西部管道能耗費用占企業全部運行成本50%以上，主要耗能設備的能效水平對集團公司生產運行成本影響巨大。節能監測作為多年來能源管理工作中主要的技術支持手段，在摸清能耗現狀、挖掘節能潛力、提出節能建議等方面發揮著重要的作用。對“十三五”期間五年來主要耗能設備的監測數量、合格率、運行效率等進行分析，提出針對性的建議，對于“十四五”節能監測工作有重要的指導和借鑒作用。

1 監測總體情況

“十三五”期間，管道節能監測中心根據國家標準GB/T 15316—2009《節能監測技術通則》[1]，按照重點用能企業主要耗能設備年節能監測率不低于20%的要求，結合油氣管輸企業自身耗能情況，每年約完成260 臺套各類設備節能監測工作。5 年間共完成油氣管輸企業620 臺輸油泵機組、181 臺加熱爐、90 臺鍋爐、404 臺天然氣壓縮機組，共1 295臺各類耗能設備節能監測工作。

2 節能監測依據標準

標準按作用分為測試計算用、指標評價用共兩類?！笆濉逼陂g，監測機構和管輸企業緊密結合，加大了國內能耗類標準的制修訂力度，對加熱爐、天然氣壓縮機組測算標準進行了修訂，測算方法更科學和準確。評價標準從行業標準升級為國家標準[2]，評價指標限值和評價項目均進行了調整和完善[3]，指標調整后會對設備合格率的縱向比較有一定影響。特別是SY/T 6637—2012[4]升級到2018版后[5]，解決了天然氣壓縮機組在多變指數、焓值以及多變壓縮功計算等方面與國際主流標準存在較大差異的問題，保證了計算方法與廠家、國外標準保持一致，將有力支持能效對標和優化運行工作；完善后的測算方法更適合國內站場能耗計量儀表和測試位置的現狀，為國內天然氣壓縮機組提供了科學的能效測算方法[6]。

測算類標準包括：GB/T 12497—2006《三相異步電動機經濟運行》[7]，GB/T 16666—2012《泵機組液體輸送系統節能監測》[8]，SY/T 6381—2008《加熱爐熱工測定》（2016 年5 月30 日停止使用）[9]，SY/T 6381—2016《石油工業用加熱爐熱工測定》（2016 年6 月1 日起實施）[10]，SY/T 6637—2012《天然氣輸送管道系統能耗測試和計算方法》（2019 年2 月28 日停止使用），SY/T 6637—2018《天然氣輸送管道系統能耗測試和計算方法》（2019年3月1日起實施）。

評價類標準包括：SY/T 6837—2011《油氣輸送管道系統節能監測規范》（2018年3月30 日停止使用），GB/T 34165—2017《油氣輸送管道系統節能監測規范》（2018年4月1日起實施）。

3 監測結果及評價分析

3.1 輸油泵機組

輸油泵機組共測試620 臺，其中原油泵459臺，成品油泵161 臺。原油泵合格359 臺，合格率78.21%；在各分項指標評價中，機組效率合格369臺，合格率80.39%，節流率合格409 臺，合格率89.11%。成品油泵合格85臺，合格率52.8%；在各分項指標評價中，機組效率合格105 臺，合格率65.22%，節流率合格128 臺，合格率79.5%。具體監測結果見表1。

表1 “十三五”期間輸油泵機組監測結果Tab.1 Monitoring results of oil pump unit during the 13th Five-Year Plan period

輸油泵機組存在的主要問題：由于受正常輸油生產條件的限制，多數管線不允許調量，輸油泵未能在髙效區運行，部分輸油泵的實際測試流量比額定流量低很多，個別輸油泵實際測試流量比額定流量高很多，泵特性和管道特性不匹配，導致輸油泵運行效率偏低；部分電動機實際功率因數偏低，電動機有用功輸出偏少；沒有加裝變頻機組的輸油站，為控制出站壓力，設定出站調節閥的關度較大，出站節流閥節流嚴重，造成管道輸送系統的節流損失較高，電能浪費嚴重；運行時間較長的泵機組，可能因雜質較多造成內部構件磨損，導致泵效降低；個別電動機效率偏低，額定流量附近的泵效率偏低，機組效率不高[11]。

建議采取的措施：各管線根據輸量計劃優化輸送工藝，合理安排輸量和各站機組運行方式，盡量使輸油泵在額定排量附近的高效工作區域運行，減少低輸量或超負荷運行情況，提高輸油泵機組效率，降低能耗[12]；對電動機加強就地無功功率補償，投用就地無功功率補償裝置，提高電動機側功率因數，并定期督促投用；加強輸油泵的日常維護和定期檢修，注意機組的振動情況及軸承溫度的實時監控數據，加強密封泄漏現場巡檢工作，及時維修運行時間較長的泵機組，避免泵機組在異常狀態下運行；技術改造時，在生產工藝條件允許的情況下，優選加裝變頻調速裝置，考慮更換揚程低的泵或切削葉輪等，使泵機組性能與管道匹配，減小出站調節閥的關度，減少節流損失，降低電能浪費；定期進行現場計量儀表檢查、校準，保證變電所控制柜電能參數顯示準確，便于單體電動機能耗管理，避免現場人員記錄電量不準確的問題；加大與調度部門溝通力度，測試前申報作業計劃，測試時調節輸量，增加測試工況，便于測試性能曲線；測試結果及時反饋分公司及調度部門，根據監測結果，盡量使用效率較高的泵機組，爭取節能效益最大化。

3.2 加熱設備

油氣輸送管道系統使用的加熱設備主要有直接爐、熱媒爐和鍋爐，燃料均為燃油或燃氣。

3.2.1 直接爐

共測試直接爐129 臺，節能監測合格設備95臺，合格率73.64%。在各分項評價中，熱效率合格103 臺，合格率79.84%；排煙溫度合格121 臺，合格率93.8%；過?？諝庀禂岛细?24 臺，合格率96.12%；表面溫度合格127臺，合格率98.45%。直接爐具體監測結果見表2。

表2 “十三五”期間直接爐監測結果Tab.2 Monitoring results of direct furnace during the 13th Five-Year Plan period

直接爐存在的主要問題：燃燒器配風比例調節不當，因助燃風量過大造成過?？諝庀禂党瑯?；燃燒器火嘴霧化效果不好，導致燃燒不充分，不完全燃燒損失較大；改造前部分爐體爐管積灰偏重，排煙溫度過高，排煙熱損失較大，局部區域表面溫度較高，爐膛段外表面溫度整體偏高，輻射室底部的外表面溫度超標；燃料油流量計失真問題普遍存在，儀表控制系統監控數據不準確。

建議采取的措施：對于進口燃燒器，尤其是最近更新或油改氣后的油氣兩用燃燒器，需要增加廠家進行油風或氣風配比調試的頻率，適當調節燃燒器配風比例，以保持良好的霧化燃燒效果，提高燃燒效率[13]；檢修吹灰除塵裝置，嚴格落實對爐膛、煙道和預熱器進行清灰除塵的規定，降低排煙溫度，加強保溫措施；加強煙氣過濾器的維護，進行節能改造，提高余熱利用率；校準燃料油進油、出油流量計，并將累計值準確上傳到爐前的控制柜畫面上，檢修、校正儀表控制系統監控參數，確保在線儀表傳輸準確率。

3.2.2 熱媒爐

共測試熱媒爐52 臺，節能監測合格設備35臺，合格率67.31%。在各分項評價中，熱效率合格46臺，合格率88.46%；排煙溫度合格47臺，合格率90.38%；過?？諝庀禂岛细?4 臺，合格率84.62%；表面溫度合格49 臺，合格率94.23%。熱媒爐具體監測結果見表3。

表3 “十三五”期間熱媒爐監測結果Tab.3 Monitoring results of heat medium furnace during the 13th Five-Year Plan period

熱媒爐存在的主要問題：燃燒器配風比例不當，空氣系數超標，或配風比過低，導致燃燒不充分，氣體不完全燃燒損失較高；個別熱媒爐保溫層的保溫性能趨于惡化，造成爐膛段外表面溫度多處超標，平均溫度偏高，尤其前后墻保溫薄弱區域表面溫度較高；受熱面積灰嚴重，造成排煙溫度較高；熱媒爐可調節負荷范圍較小，不能滿足高負荷運行及測試條件的需要；爐前就地柜“含氧量”與“排煙溫度”監控參數不夠準確，在線儀表沒有定期進行檢定；部分爐未配備燃料油流量計。

建議采取的措施：對油氣兩用型燃燒器，需要定期進行配風比例的適當調節，特別是燃油轉燃氣狀態后及時進行配風比例重新調節，以保持良好的霧化燃燒效果并滿足運行負荷調節范圍；適度矯正燃燒器，控制火苗長度及形狀，避免火焰偏燒及燎后墻現象；加強爐體前后墻及局部區域的保溫性能，爐管噴涂節能涂料，增強換熱效果，降低排煙溫度；更換不準確的溫度表、壓力表等在線儀表，按要求配備燃油流量計，并對流量計等儀表定期進行檢定，檢修或校正儀表系統遠傳監控參數；保證吹灰除塵裝置能夠正常運行，且定期進行吹灰操作。

3.2.3 鍋爐

共測試鍋爐90 臺，節能監測合格設備52 臺，合格率57.78%。在各分項評價中，熱效率合格70臺，合格率77.78%；排煙溫度合格84 臺，合格率93.33%；過?？諝庀禂岛细?8 臺，合格率75.56%；表面溫度合格86 臺，合格率95.56%。鍋爐具體監測結果見表4。

表4 “十三五”期間鍋爐監測結果Tab.4 Monitoring results of boiler during the 13th Five-Year Plan period

熱效率偏低和過?？諝庀禂挡贿_標是導致合格率低的主要原因。鍋爐存在的主要問題：多數蒸汽鍋爐前、后墻保溫薄弱區域的表面溫度較高，部分鍋爐的爐側和爐頂表面平均溫度超高，超過了標準限定值；多數熱水鍋爐燃燒器的配風量過大，煙氣含氧量較高致使過?？諝庀禂党瑯?，排煙熱損失較大，個別鍋爐的燃燒器配風量不足，燃燒不夠充分；個別蒸汽鍋爐大負荷運行時排煙溫度超高，排煙熱損失較大；有的蒸汽鍋爐的設計熱效率偏低，本身就達不到相應評價指標的要求。

建議采取的措施：對于油氣兩用型燃燒器，應定期調節其配風比例，使助燃風量大小保持適量，提高霧化燃燒效率；定期清除爐膛及煙道內的積灰與積垢，降低有害氣體與污染物排放，降低排煙溫度，提高運行維護水平；加強表面溫度較高區域的保溫措施，提高爐體保溫性能；逐步淘汰老舊且效率偏低的鍋爐，更換新型高效鍋爐[14]。

3.3 天然氣壓縮機組

共測試各類壓縮機組364臺次，其中，燃氣輪機驅動離心式壓縮機組179臺，電動機驅動離心式壓縮機組151臺，燃氣發動機驅動往復式壓縮機組34臺。

3.3.1 燃氣輪機驅動離心式壓縮機組

共測試燃氣輪機驅動離心式壓縮機組179 臺，合格165臺，合格率92.18%。具體監測結果見表5。

表5 “十三五”期間燃氣輪機驅動離心式壓縮機組監測結果Tab.5 Monitoring results of gas turbine driven centrifugal compressor unit during the 13th Five-Year Plan period

造成燃驅機組效率偏低的主要原因是機組運行在壓縮比偏低的工況下，出站壓力已經超過允許值，導致目前運行模式下無法提高壓縮比[15]。其次，部分機組中天然氣經壓縮后溫升偏大，導致壓縮機組的機組效率偏低。造成壓縮后溫升偏大的因素可能有：溫度測量誤差偏大；機組振動偏大；葉片光潔度受損或葉片頂端與通道壁之間的空隙偏大導致渦流嚴重增大。

建議采取的措施：考慮全線優化、隔站運行模式的可行性，提高壓縮機組壓縮比，經實踐證明，壓縮比1.25 以上運行效率較好[16-17]；查找天然氣壓縮后溫升偏大的原因，校準溫度傳感器，檢查機組振動情況，檢查葉片的光潔度，若是光潔度受損的原因，還應檢查過濾器的過濾效果。

3.3.2 電動機驅動離心式壓縮機組

共測試電驅離心式壓縮機組151 臺，合格128臺，合格率84.77%。具體監測結果見表6。

表6 “十三五”期間電動機驅動離心式壓縮機組監測結果Tab.6 Monitoring results of motor driven centrifugal compressor unit during the 13th Five-Year Plan period

部分電驅機組目前正常運行狀態下壓縮比偏低，在1.15～1.25之間，原因是下游站場的進站壓力較高，本站無法提高壓縮比，導致計算出的機組效率偏低。在運行模式下無法提高壓縮比時，建議考慮隔站運行模式的可行性[18-19]。

3.3.3 燃氣發動機驅動往復式壓縮機組

共測試燃氣發動機驅動往復式壓縮機組34臺，合格29 臺，合格率85.29%。具體監測結果見表7。

表7 “十三五”期間燃氣發動機驅動往復式壓縮機組監測結果Tab.7 Monitoring results of gas engine driven reciprocating compressor unit during the 13th Five-Year Plan period

儲氣庫用燃氣發動機驅動往復式壓縮機組效率均合格，不合格的機組集中在鄯烏壓氣首站。該站燃氣發動機驅動往復式壓縮機組為1997 年投產使用，已經運行25 年，設備性能老舊，已經建議企業盡快更換新型設備。

4 結論

“十三五”期間，各管道節能監測機構通過持之以恒的標準制修訂、監測機構能力建設等基礎工作，完善測算方法、細化評價指標，圓滿完成了管輸企業主要耗能設備節能監測任務，為管輸企業節能降耗工作提供了應有的技術支持，保障了管輸企業“十三五”任務的完成。但是還存在人工監測工況少，無法做到各類工況全覆蓋，且監測結果反饋時間長，數據利用率不及時，無法實時支持生產運行等實際問題。

“十四五”期間，隨著國家油氣管網集團的成立和運行，全國一張網加速形成，油氣管道站場各類主要耗能設備數量、能耗量及其能效數據量將成倍增加，對節能監測工作也提出了新的要求和更多挑戰。在國家“碳中和”“碳達峰”的政策機遇下，需要更好地保持主要耗能設備經濟、高效運行，節能監測工作是管輸企業提質增效、節能減排的重點技術手段。油氣管輸企業節能監測工作應首先做好節能監測模式向信息化轉變，在智慧管網背景下，開展主要耗能設備的能效實時監測研究和應用，做到全工況監測和實時優化調節；其次，利用大數據分析等先進手段，加大能效數據規律研究，掌控主要耗能設備能效數據之間的規律，盤活能效數據資產的價值，為管輸企業節能、減排、降碳工作作出更大的技術支持。