CC BY
50
Ключевые слова:
показатели
энергетической
эффективности,
дожимная
компрессорная
станция,
сопоставимые
условия
сравнения энергоэффективности.
УДК 622.279.012
Обоснование сопоставимых условий сравнения показателей энергоэффективности на примере промысловых дожимных компрессорных станций
М.А. Воронцов1*, Г.А. Хворов1**
1 ООО «Газпром ВНИИГАЗ», Российская Федерация, 142717, Московская обл., Ленинский р-н, с.п. Развилковское, пос. Развилка, Проектируемый пр-д № 5537, вл. 15, стр. 1 * E-mail: M_Vorontsov@vniigaz.gazprom.ru ** E-mail: G_Khvorov@vniigaz.gazprom.ru
Тезисы. Рассмотрены вопросы сравнения показателей энергоэффективности и энергоемкости промысловых дожимных компрессорных станций (ДКС). Конкретизировано понятие «сопоставимые условия сравнения показателей энергоэффективности» для компрессорных станций.
В статье представлены методические принципы выявления сопоставимых условий сравнения показателей энергоэффективности для технологических объектов. Приводится пример обоснования сопоставимых условий работы для ДКС. Показано, что сопоставимыми условиями сравнения показателей энергоэффективности ДКС являются условия равенства отношений давлений, начальной температуры процесса сжатия и производительности.
Вопросы энергосбережения в газодобывающих обществах приобретают все большую актуальность на фоне повышения себестоимости добычи газа вследствие перехода крупных месторождений в стадию падающей добычи, увеличения ставки НДПИ и т.п. [1]. Кроме того, добыча газа в ПАО «Газпром» является вторым по энергоемкости видом деятельности Группы Газпром.
Энергоемкость газодобывающих организаций изменяется в процессе жизненного цикла месторождений, при этом энергетическая эффективность всей организации в основном определяется эффективностью процесса компримирования газа на до-жимной компрессорной станции (ДКС) [1]. В качестве примера на рис. 1 представлен график изменения удельного расхода топливного газа ДКС ООО «Газпром добыча Ноябрьск» на единицу товарного газа за десять лет.
Из графика следует, что показатель удельного расхода топливного газа ДКС по мере выработки месторождения в основном возрастает, т.е. энергоэффективность
Рис. 1. Динамика удельного расхода топливного газа ДКС ООО «Газпром добыча Ноябрьск»
компримирования газа ДКС непрерывно снижается.
На рис. 2 показаны графики удельного расхода топливного газа на ДКС Комсомольского газового промысла (ГП) ООО «Газпром добыча Ноябрьск» по месяцам в 2010 и 2011 гг.
Представленные данные иллюстрируют важные особенности газодобывающего общества - налицо тенденция увеличения удельного показателя расхода топливного газа (рис. 1) и его зависимость от внешних эксплуатационных условий (рис. 2, 3), поэтому для практики эксплуатации технологических объектов важно не только формальное фиксирование информации об изменениях показателей энергоэффективности, но и оперативное выявление
причин произошедших изменений. Понимание причин необходимо для объективной оценки работы эксплуатационных служб в области энергосбережения и определения возможных способов поддержания показателей энергоэффективности на проектном уровне и/или их кардинального улучшения.
Для объективной оценки причин изменения и выявления способов улучшения энергоэффективности необходимы специализированные методические подходы, позволяющие оценивать степень влияния на показатели энергоэффективности двух групп параметров - внешних и внутренних по отношению к технологической системе. Это обусловлено тем, что эксплуатационный персонал имеет
Рис. 2. Динамика удельного расхода топливного газа ДКС Комсомольского ГП на единицу компримируемого газа в 2010 и 2011 гг.
Рис. 3. Динамика изменения давления газа на входе ДКС Комсомольского ГП в 2010 и 2011 гг.
возможность непосредственно воздействовать только на внутренние параметры технической системы, в то время как значения внешних параметров обусловлены изменением окружающей среды (например, температура и давление атмосферного воздуха) и решениями, принимаемыми на более высоком управленческом уровне (объемы продукции, сроки и т.п.). Оценка степени влияния каждого из параметров системы на ее энергоэффективность позволит оценить вклад изменения внешних условий эксплуатации, определить наличие возможности улучшения показателей расхода топливно-энергетических ресурсов путем воздействия на внутренние параметры и таким образом сделать вывод об эффективности работы эксплуатационных служб и о потенциале повышения энергоэффективности.
Такой подход основывается на принципе сравнения показателей энергоэффективности технических объектов в сопоставимых условиях эксплуатации, который уже принят для оценки расхода ресурсов государственными (муниципальными) учреждениями.1 Это актуально и для промышленных технологических объектов, особенно для технологических объектов добычи газа, условия функционирования которых существенно изменяются в течение всего периода эксплуатации.
Для практического применения данного подхода необходимо разработать методику количественной оценки влияния каждого отдельно взятого эксплуатационного параметра на показатель энергоэффективности, а также конкретизировать понятие «сопоставимые условия работы» (СУР) технологического объекта.
Оценка степени влияния каждого из параметров системы определяется по результатам факторного анализа, который может осуществляться комбинированием статистических и аналитических методов. Применение только статистических методов оправдано в том случае, когда не известны физические законы функционирования системы. Статистические методы позволяют обобщить фактическую информацию, выявить закономерности процессов, реализованных в истекший период, но крайне ограниченно подходят для прогнозирования.
На практике целесообразно совместное использование статистических и аналитических методов. Для действующих объектов газовой добычи известны основные закономерности и функциональные зависимости между параметрами, на практике требуется учитывать индивидуальные особенности объектов - техническое состояние, особенности компоновки оборудования, его изготовления и т. п. Статистические данные о фактических режимах работы позволяют уточнять аналитические зависимости, что повышает точность технологических расчетов.
Независимо от принятого способа проведения факторного анализа для разработки методики сравнения показателей энергоэффективности требуется предварительно обосновать перечень СУР.
В нормативном документе2 ПАО «Газпром» принято следующее определение СУР: «...совокупность значений параметров технологического процесса (в том числе выход продукции) и/или диапазона их изменения в базовом периоде эксплуатации, обусловливающих уровень энергопотребления оборудования». Под СУР будем понимать совокупность таких эксплуатационных показателей, которые оказывают влияние на величину энергопотребления и при этом обусловлены внешними причинами, не зависящими от эксплуатационных служб. Влияние факторов, на которые эксплуатационные службы не имеют возможности оперативно воздействовать, следует учитывать отдельно, когда требуется оценить работу персонала. Как правило, это внешние параметры по отношению к рассматриваемой технологической системе, и для каждого объекта перечень таких параметров будет зависеть от особенностей технологического процесса.
Обоснование сопоставимых условий для каждого технологического объекта может быть осуществлено в три этапа:
1) обозначение основного показателя энергоемкости процесса;
2) установление факторов, определяющих энергопотребление с учетом особенностей самого процесса и работы основного технологического оборудования;
3) выявление показателей эксплуатации, определяющихся внешними условиями.
1 См. Приказ Министерства экономического развития
РФ от 24.10.2011 № 591 «О порядке определения объемов снижения потребляемых государственным (муниципальным) учреждением ресурсов в сопоставимых условиях».
См. Р Газпром 2-1.20-819-2014. Методика расчета величины экономии расхода топливно-энергетических ресурсов при внедрении энергосберегающих мероприятий в дочерних обществах.
Далее представим процесс обоснования СУР для основного потребителя ТЭР на промысле - дожимной компрессорной станции. Особенности данного объекта указывают на целесообразность сравнения показателей энергоэффективности в сопоставимых условиях. Так, показатели эксплуатации ДКС непрерывно изменяются в ходе разработки месторождения, причем удельный показатель энергозатрат на единицу объема добываемого газа непрерывно увеличивается по мере снижения пластового давления [1]. При этом ухудшение показателей энергоэффективности во многом обусловлено динамикой внешних показателей. Эксплуатационные службы могут только снизить темп роста удельного показателя расхода топливного газа по мере снижения давления газа на входе ДКС (увеличение отношения давлений ступени сжатия). В работах [1, 2] обосновано, что кардинально изменить такую ситуацию в условиях промысла не представляется возможным. Объективная оценка работы эксплуатационных служб в области энергосбережения может быть решена при сравнении показателей энергоэффективности в сопоставимых условиях [1].
Рассмотрим три этапа выявления и обоснования сопоставимых условий работы для ДКС.
На первом этапе осуществляется выбор основных показателей энергоемкости процесса для компримирования - это политропная работа сжатия (ПРС) газового потока. Данный параметр правомерно считать основным показателем энергоемкости процесса сжатия, так как при расчете полной политропной работы учитываются и производительность, и уровень повышения давления (напорность) промысловой технологической системы.
На втором этапе детально анализируется показатель энергоемкости, определенный на первом этапе. В общем случае политропная работа сжатия ДКС (¿рс, кВтч) определяется как сумма ПРС отдельных ступеней:
^прс = ^ ^прс , где тст - количество ступеней
1=1
сжатия; работа каждой ступени рассчитывается по формуле3
= 320,25• QCT Г1 ZCT(em -1),
ПРС > ¿^компр н н V ст
где бсГмпр - объемы газа, поступающие в ступень для компримирования, млн м3; Тс - температура газа на входе ступени сжатия ДКС, К; 2нст - коэффициент сжимаемости газа при термобарических условиях входа в ступень сжатия ДКС; ест - отношение давлений на входе (Р™, МПа) и на выходе (Р^, МПа) ступени сжатия,
; mv - объемный показатель политропы.
Далее проведем анализ показателя. Для этого представим (1) в виде
ТСТ _ /""СТ ГТст _
LnPC _ ^компрИ п _
4 • Q
компр 7-7-ст
И„
R
(2)
где бк^мпр - массовый расход газа, кг/с; Нпст - по-литропная работа ступени ДКС, необходимая для сжатия одного килограмма газа (удельная), кДж/кг; Я - газовая постоянная, кДж/(кг К).
Таким образом, ¿ПРс является результатом произведения массового расхода и удельной политропной работы, затрачиваемой на сжатие одного килограмма газа, и по физическому смыслу ¿П1РС - политропная работа, затрачиваемая для компримирования всего потока газа. Далее для удобства будем называть ¿ПРС полной ПРС и Нпст - удельной ПРС, которую рассчитывают по формуле для политропной работы центробежного компрессора
япи = r— с (Em -1).
m„
(3)
(1)
См. СТО Газпром 2-1.20-114-2007. Методика энергоаудита газотранспортной системы.
Правомерно использовать понятие удельной ПРС для ДКС в целом - НДКС. Ее значение определяется аналогично значению как сумма удельных ПРС отдельных ступеней:
Я^кс = ^ H"; и: - работа каждой ступени.
i=1
Хотя полная политропная работа сжатия является комплексным показателем энергоемкости процесса компримирования газа, неверно принимать условие равенства полных политропных работ компрессорных станций для обоснования СУР для ДКС. При условии L^pc = idem не будут учтены особенности физики процесса сжатия. Так, на величину КПД газового компрессора помимо конструктивного совершенства влияют его производительность и отношение давлений, поэтому условие = idem необходимо дополнить условием равенства сомножителей
Рис. 4. Сопоставимые условия сравнения показателей энергоэффективности промысловых ДКС
формулы (2): = idem, Я^ = idem.
Используя аналогичные рассуждения с учетом формулы (3) и физики процесса сжатия, условие Я^^р = idem требуется уточнить в виде еДКС = idem; ТДКС = idem. Так, с точностью до состава компримируемого газа СУР для сравнения показателей энергоэффективности ДКС определяются тремя условиями: £дКС = idem; ТД КС = idem ; = idem.
Условия равенства полной и удельной по-литропной работ уточняются условиями равенства показателей эксплуатации. Структурно это представлено на рис. 4.
На третьем этапе из ранее обоснованного перечня СУР выделяются параметры, на которые эксплуатационный персонал не оказывает влияния. Для ДКС производительность, температура на входе и отношение давлений определяются внешними условиями эксплуатации (темпы падения давления и план добычи, температура пластового газа и окружающего воздуха), на которые эксплуатационный персонал станции не может оказывать оперативного воздействия. При наличии теплообменно-го аппарата на входе ДКС (аппарата воздушного охлаждения газа или рекуперативного аппарата) возможность влияния на начальную температуру компримирования газа на ДКС будет ограничена температурой окружающей среды.
Таким образом, все три ранее обоснованных условия (е = idem; ТДКС = idem; = idem) зависят от внешних условий эксплуатации, являются СУР для ДКС и основой для разработки методики сравнения показателей энергоэффективности в сопоставимых условиях работы.
***
При рассмотрении показателей энергоэффективности технических систем, работающих при непрерывном изменении эксплуатационных условий, необходимо отдельно оценивать влияние внешних и внутренних параметров эксплуатации. Это позволяет оперативно определять целесообразность и способ воздействия на объект для оптимизации энергоэффективности, объективно оценивать работу эксплуатационного персонала в сфере энергосбережения.
Методической основой такой системы является сравнение показателей энергоэффективности в сопоставимых условиях эксплуатации. Понятие «сопоставимые условия» необходимо обосновывать для каждого типа технологического объекта. Общим методическим подходом для такого обоснования является анализ формул для расчета основных энергетических показателей технологического (рабочего) процесса.
На основании результатов анализа структуры формулы для расчета полной политроп-ной работы сжатия обосновано, что сопоставимыми условиями сравнения энергоэффективности процесса компримирования являются условия равенства отношений давлений ДКС (еДКС = idem), начальной температуры процесса сжатия на ДКС (ТнДКС = idem) и объемов газа, поступающего после ДКС (Q^p = idem) потребителю или на другие промысловые объекты. При равенстве данных условий корректно сравнивать показатели энергоэффективности различных ДКС и исходя из них приводить показатели энергоэффективности в различные периоды эксплуатации к сравнению в сопоставимых условиях.
Список литературы
1. Воронцов М.А. Методические подходы к оценке энергоэффективности технологических процессов добычи газа / М.А. Воронцов, Г.А. Хворов, С.А. Нурдинова и др. // Вести газовой науки: Охрана окружающей среды, энергосбережение
и охрана труда в нефтегазовом комплексе: инновации, технологии, перспективы. - 2017. -Спецвыпуск. - С. 44-51.
2. Кононов А.В. Ключевые факторы, определяющие расход и потери природного газа в процессе его добычи / А.В. Кононов, С.А. Нурдинова // Газовая промышленность. -2015. - № 4. - С. 35-37.
Substantiation of equitable terms for comparison of energy efficiency indices on example of the field booster compressor stations
G.A. Khvorov1, M.A. Voronstov1*
1 Gazprom VNIIGAZ LLC, Bld. 1, Estate 15, Proyektiruemyy proezd # 5537, Razvilka village, Leninsky district, Moscow Region, 142717, Russian Federation * E-mail: M_Vorontsov@vniigaz.gazprom.ru
Keywords: indices of energy efficiency, booster compressor station, equitable terms for comparison of energy efficiency.
Abstract. Issues on comparing energy-efficiency and energy-content indices for field booster compressor station (BCS) are studied. A concept of "equitable terms for comparison of energy efficiency" is concretized for booster compressors.
The article presents methodical principals for revealing correspondent equitable terms in respect to engineering facilities. There are the examples of substantiating such equitable terms for BCSs. It is shown that in case of BCSs the terms of equality of ratios for values of pressure, initial compression temperature and productivity are comparable.
References
1. VORONTSOV, M.A., G.A. KHVOROV, S.A. Nurdinova et al. Procedural approach to estimation of energy efficiency for gas production technologies [Metodicheskiye podkhody k otsenke energoeffektivnosti tekhnologicheskikh protsessov dobychi gaza]. Vestigazovoynauki. - 2017. - Spec. is.: Environmental and labor protection, power saving in the oil-gas industry: innovations, technologies, outlooks [Okhrana okruzhayushchey sredy, energosberezheniye i okhrana truda v neftegazovom komplekse: innovatsii, technologii, perspektivy], pp. 44-51. ISSN 2306-8949. (Russ.).
2. KONONOV, A.V. and S.A. NURDINOVA. Key factors determining consumption and losses of natural gas in course of its production [Klyuchevyye factory, opredelyayushchiye raskhod i poteri prirodnogo gaza v protsesse yego dobychi]. Gazovayapromyshlennost. 2015, no. 4, pp. 35-37. ISSN 0016-5581. (Russ.).
