原油管道能效指標體系研究

劉冰（中國石油北京油氣調控中心）

原油管道能效指標體系研究

劉冰（中國石油北京油氣調控中心）

給出了油氣管道能效管理的基本概念，以能效管理為主線，介紹國內外傳統的能效指標體系。在對國內外現行能效指標體系進行系統分析的基礎上，結合我國管道行業特點和發展現狀，提出了構建創新型管道能效指標體系的思路，并從體系構建原則、指標篩選方法、指標層級劃分等方面介紹了新指標體系的構建過程。最后按照實物（Object）、強度（Intensity）、效率（Efficiency）、指數（Target）4個層級，詳細闡述了新的原油管道能效指標體系及體系中各主要能效指標的計算方法。

原油管道 能效管理 能效指標 體系研究

1 基本概念

1.1 管道能效

長距離輸油氣管道能源利用效率，簡稱“管道能效”。狹義的管道能效從物理意義上來講，是指長距離輸油氣管道在運行中對所輸送的油、氣的運移發揮作用的能量與功能站場（泵站、壓氣站等）實際消耗的能源量之比。廣義的管道能效是從能源消費角度，即管道能效是油氣管道在進行油、氣運移的過程中，反映各個環節能源利用情況的效率指標體系的統稱[1]。

1.2 能效管理

油氣管道能效管理的任務一方面是指導優化運行，另一方面是促進規劃、設計的優化。傳統的管道能效管理手段主要是優選耗能設備，通過提高站場耗能設備效率達到提高管道能效，實現節能減排的目的。現代能效管理手段一是將管道自動化技術、管道仿真技術、信息技術和節能優化運行的工藝技術、管理技術相結合，將最優化技術應用于油氣管道系統，實現能效的提高；二是采用集中調控的運行管理模式，將設備維護與調控運行分開，設備維護機構只負責保證設備單體有較高的效率，調控運行機構負責監測設備單體運行效率是否在合理范圍內，更重要的是調控運行機構負責統籌考慮運行方案的最優化，使管道、管網總體能效最高、能耗最低。

2 傳統能耗指標

2.1 國內節能統計指標

國內常見的主要能耗指標為單位周轉量生產能耗，即生產能源消耗量與周轉量的比值[2]，單位為：kg/（104t·km）或kg/（107m3·km），其中kg為標準煤質量單位，以下同。

單位周轉量生產能耗（輸油管道）計算公式：

式中：

Mys——輸油管道生產單耗，kg/(104t·km）；

Eys——輸油管道生產能源消耗總量，kg；

Qy——輸油周轉量，104t·km。

目前節能量的計算主要采用環比法和同比法，對輸油管道：

式中：

ΔE——節能量，t（標準煤）；

Qy——輸油管道周轉量，104t·km；

Myh——基期單位輸油周轉量綜合能耗，kg/(104t·km）；

Myc——報告期輸油單位周轉量綜合能耗，kg/(104t·km）。

2.2 國外能源管理指標

北美管道公司對外公開的能耗KPI指標主要有兩個：輸油管道的單位能耗成本（Mill Rate）和輸油管道的單位有用能耗成本（$per Hydraulic Horsepower used）。另外，通過其他途徑搜集資料，得到ENBRIDGE公司使用的另外一些指標，其性質類似輸油管道的生產單耗指標。

1）輸油管道單位能耗成本，單位$/MWh，為單位耗電成本。經現場交流，并與業內專家共同研究，確定其具體物理意義為：總的耗電成本除以這個時期（通常是1個月）的總耗電量。目前，ENBRIDGE輸油管道單位能耗成本值為$60/MWh。

2）輸油管道單位有用能耗成本，單位為$/HHPU，為消耗的單位水馬力成本。經現場交流，并與業內專家共同研究，確定其具體物理意義為：一條管道的總耗電成本（定購費和能源費）除以此管道各管段消耗的水馬力值之和。

3 新能效指標體系構建思路

3.1 能效指標體系構建原則

能效指標體系的構建應遵循綜合評價指標體系構建的5條基本原則，即：目的性、全面性、可行性、穩定性以及與評價方法的協調性。目前各類多指標綜合評價實踐中基本上采用這種定性方法進行指標選取。

遵照此基本原則，能效指標體系構造時必須注意以下幾方面：

1）目的性原則。整個綜合評價指標體系的構成必須緊緊圍繞綜合評價目的層層展開，使最后的評價結論的確反映了評價意圖。

2）全面性原則。評價指標體系必須反映被評價問題的各個側面，絕對不能“揚長避短”，否則，評價結論將是不公平的。

3）可操作性。一個綜合評價方案的真正價值只有在付諸實踐才能夠體現出來，這就要求指標體系中的每一個指標都必須是可操作的，必須能夠及時搜集到準確的數據。

4）層次性原則。建立綜合評價指標體系的層次結構，可為進一步的因素分析創造條件。

5）與評價方法一致的原則。不同綜合評價方法，對評價指標體系的要求存在一些差別。實際構造評價指標體系時，有時需要先定方法再構建指標。

對于能效指標體系的建立，除遵循一般評價指標體系的構建原則外，對于現有能效指標體系將予以保留，并根據長輸管道、管網能源管理的需要、分析評價方法本身的要求完善能效指標體系。

3.2 指標篩選方法

綜合評價指標體系的初選方法有分析法、綜合法、交叉法、指標屬性分組法等多種方法，但最基本、最常用的則是分析法。初選的評價指標可以允許重復的、不可操作或難操作的，即只求全而不求優。分析法是將評價指標體系的度量對象和度量目標劃分成若干個不同組成部分或不同側面（即子系統），并逐步細分（即形成各級子系統及功能模塊），直到每一個部分和側面都可以用具體的統計指標來描述、實現，這是構造評價指標體系最基本、最常用的方法。

利用分析法構建指標體系的基本過程是：

◇第1步，對評價問題的內涵和外延作出合理解釋，劃分概念的側面結構，明確評價的總目標與子目標；

◇第2步，對每一子目標或概念側面進行細分解，越是復雜的多指標綜合評價問題，這種細分就越為重要；

◇第3步，重復第2步，直到每一個側面或子目標都可以直接用一個或者幾個明確的指標來反映；

◇第4步，設計每一子層次的指標。

3.3 指標體系層次關系

按照能耗數據在管道能耗管理層級的不同，可考慮將能耗指標體系劃分為實物（Object）、強度（Intensity）、效率（Efficiency）、指數（Target）4個不同層級，按照這4個層級搭建指標體系，即“OIET”能效指標體系。

實物層級指標，簡稱O級指標，是指與能效相關的最基礎的實物量數據。強度層級指標，簡稱I級指標，是指與能效相關的反映某一單位量下的強度的指標。效率層級指標，簡稱E級指標，是指與能效相關的反映效率及利用率、損失率的指標。指數層級指標，簡稱T級指標，是指為反映管道宏觀能效情況，在實物層級指標、強度層級指標、效率層級指標基礎上，綜合考慮各相關因素并按照一定算法形成的綜合指數能效指標。指數層級指標主要反映管道能效方面的優化程度。

4 原油管道能效指標體系

4.1 原油管道實物層級指標

管道能效實物層級指標簡稱O級指標，原油管道實物層級主要指標如表1所示。

表1 原油管道能效實物層級指標

1）原油管道站間周轉量：

式中：

Qy(1,2）——首站至第二站的原油周轉量，104t·km；

Gys1——首站出站外輸量，104t；

Ly(1,2)——首站至第二站的距離，km。

式中：

Qy（i,i+1）——站場 i至 i+1的原油周轉量，104t·km；

Gyri——站場i的收油量，104t；

Gyyi——站場i的自用油量，104t；

Gyfi——站場i的分輸量，104t；

Ly(i,i+1)——站場i到站場i+1的距離，km。2）原油管道周轉量：

式中：

Qy——原油管道周轉量，104t·km；

Gyfi——站場i的分輸量，104t；

Lyfi——站場i的分輸距離，km；

n——原油管道站場個數。

3）原油管道生產能源消耗量：

式中：

Es——管道生產能源消耗量，t；

Ezsi——第i個輸油站/壓氣站（儲氣庫）生產能源消耗量，t；

n——管道輸油站/壓氣站（儲氣庫）個數。4）原油管道有用功率：

對原油管道的等輸量管段：

式中：

N——管段有用功率，即管段所消耗的功率，kW；

Nh——管段有用水力功率，kW；

Nt——管段有用熱力功率，kW；

G——管段中原油的質量流量，kg/s；

PQ——管段起點處原油的壓力，Pa；

ρQ——管段起點處原油的密度，kg/m3；

PZ——管段終點處原油的壓力，Pa；

ρZ——管段終點處原油的密度，kg/m3；

C——平均溫度下的定壓比熱，kJ/（kg·K）；tQ——管段起點處原油的溫度，K；

tZ——管道終點處原油的溫度，K。

4.2 原油管道強度層級指標

管道能效強度層級指標簡稱I級指標，原油管道強度層級指標具體的能耗指標如表2所示。

表2 原油管道能效強度層級指標

1）原油管道生產單耗：

式中：

Mys——輸油單位周轉量生產能耗，kg/(104t·km）。

2）原油管道單位周轉量有用功耗能：

式中：

Myg——單位周轉量有用功耗能，kg/(104t·km）。

3）原油管道單位有用功耗能：

式中：

Ed——單位有用功耗能，kg/kWh；

Es——生產能源消耗量，kg；

W——一段時間內管道消耗的有用功，kWh。

4.3 原油管道效率層級指標

管道能效效率層級指標簡稱E級指標，原油管道效率層級指標具體的能耗指標如表3所示。

表3 原油管道能效效率層級指標

1）原油管道輸油站能源利用率：

式中：

ηs——輸油站能源利用率；

Qse——輸油站提供給油品的能量，kJ/h；

Qsc——輸油站用于輸油生產

式中：

G——輸油站輸出原油量，kg/h；

CP——輸油站原油在進、出口平均溫度下的定壓比熱，kJ/(kg·K)；

tout——輸油站原油出站溫度，K；

tin——輸油站原油進站溫度，K；

pout——輸油站原油出站壓力，MPa；

pin——輸油站原油進站壓力，MPa；

ρ——輸油站原油在進、出站溫度下的密度，kg/m3；

B——輸油站用于輸油生產的燃料消耗量，kg/h；

Qdw——輸油站燃料低熱值，kJ/kg；

W——輸油站直接用于輸油生產的耗電量，kWh/h；

R1——電能折算系數（當量熱值）；

ρt、ρ20——溫度為t℃及20℃時的油品密度，kg/m3；

?——溫度系數， kg/(m3·℃)；

2）原油管道輸油站電能利用率：

式中：

ηw——輸油站電能利用率；

Wse——輸油站提供給站間干線的有效壓能，kJ/h；

W——生產消耗功率，kW；

R2——電能折算系數，取3 600 kJ/kWh。

3）原油管道電能利用率：

原油管道電能利用率是指各站間輸油干線從各輸油站獲得的壓力能之和與各輸油站直接用于生產消耗電能之和的比值的百分數。

計算公式：

式中：

ηsw——原油管道電能利用率；

Wsei——輸油干線從輸油站獲得的壓力能，kJ/h；

Wi——某輸油站輸油生產耗電量，kWh/h。

4）原油管道輸油站熱能利用率：

式中：

ηsh——輸油站熱能利用率；

Qseh——輸油站加熱干線介質所用的能量，kJ/h；

Qsch——輸油站加熱干線介質所消耗的能量，kJ/h。

式中：

Q1——加熱爐、鍋爐所消耗的能量，kJ/h；

Qp——輸油泵功率損失轉換的熱量，kJ/h。

式中：

Gp——輸油泵流量，kg/h；

tp,out——輸油泵原油出口溫度，K；

tp,in——輸油泵原油進口溫度，K；

ct——輸油泵原油進、出口平均溫度下的定壓比熱容，kJ/(kg·K)。

4.4 原油管道指數層級指標

管道能效指數層級指標，簡稱T級指標，原油管道指數層級指標的具體能耗指標如表4所示。

表4 原油管道能效指數層級能耗指標

1）能效偏差指數：

根據歷史統計相同季節、相同輸量臺階、相近周轉量條件下實際生產單耗與平均生產單耗的相對偏差，確定能耗偏差指數。

式中：

Di——能耗偏差指數，生產單耗與平均生產單耗相對偏差；

εi——報告期生產單耗，kg/(104t·km）；——歷史平均生產單耗（根據擬合曲線獲得），kg/(104t·km）。

對于周、月、季能耗數據，可將其折算成平均日能耗數據，根據上式計算出相應的周、月、季能耗指數。

2）能效相對指數：

根據歷史統計相同季節、相同輸量臺階、相近周轉量條件下生產單耗的最大值和最小值，計算能效相對指數R。

能效相對指數計算如下：

式中：

Ri——能效相對指數；

εi——報告期生產單耗，kg/(104t·km）；

εmax——相同條件下歷史最高生產單耗，kg/(104t·km）；

εmin——相同條件下歷史最低生產單耗，kg/(104t·km）。

歷史生產單耗最大值及最小值的確定：

◇將特定歷史生產單耗平均值曲線劃分成更小的若干輸量范圍；

◇找到每個輸量范圍內的生產單耗最大值及最小值；

◇分別對生產單耗最大值及最小值進行曲線擬合；

◇若所擬合的生產單耗最大值與最小值曲線可將所有能耗點包含其中，則認為所擬合的最大值、最小值曲線為該種特定條件下的生產單耗最大值及最小值，否則，將曲線進行少量平移，直到將所有能耗點全部包含其中為止，由此確定生產單耗最大值及最小值。

3）能量平衡指數：

能量平衡指數是報告期供給輸油管道的總能量與有用功的比值。

計算公式如下：

式中：

Bi——能量平衡指數；

Qsei——報告期系統內某輸油站提供給某輸油干線的能量，MJ；

W ——報告期內管道消耗的有用功，MJ。

[1]劉冰.油氣管道能效管理[M].北京:地質出版社,2011:2-3.

[2]中國石油天然氣集團公司節能節水專業標準化委員會.Q/SY 1209-2009 油氣管道能耗測算方法[S].北京:石油工業出版社,2009:3-4.

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.08.001

劉冰，2000年畢業于中國石油大學，工程師，在讀碩士生，主要從事國家大型油氣管網運行的能源管理工作，E-mail：liubing-bj@petrochina.com.cn，地址：北京市東城區東直門北大街9號中國石油大廈B座2109室，100007。

2011-08-21)