基于層次分析法的轉油站系統能效評價體系研究

司志梅 段志剛 錢欽 常泰 黃作男

1中國石化江蘇油田分公司石油工程技術研究院

2江蘇油田第二采油廠

3東北石油大學石油工程學院

隨著各油田進入“高采出、高含水”的“雙高”階段，油田生產成本日益增加，節能降耗愈發重要。油田轉油站是油氣集輸系統的主要環節，其用能約占地面集輸能耗的70%[1]，因此有必要對現有的轉油站系統進行用能分析，找出其設備或工藝流程中能耗較大或能損較高的環節，對其進行節能改造，以提高系統用能效率，降低油田生產成本。

目前，國內對轉油站系統的節能優化研究多為站內用能設備的優化。閔永明針對轉油站泵機組工藝參數進行了優化，使泵機組處于高效功率區間，提高了站場電能的利用率[1]。趙慶來、趙金昕根據現場實際測試結果，計算出加熱爐空氣系數與加熱爐熱效率的關系，找出其效率最高時的空氣系數，并降低排煙溫度，最終達到了提高站場熱能利用率的目的[2]。張艷麗、華國海、王力等人針對轉油站熱力系統構建能量平衡方程，計算出其用能薄弱環節，通過安裝加熱爐配套設備提高了加熱爐的效率[3]。彭澍對轉油站能耗成因進行分析，并對站場離心泵設備進行改造，達到了減少轉油站電能損耗的目的[4]。

針對采用三管伴熱的轉油站，站外管道伴熱用能由轉油站本身提供，單純的站內設備優化忽略了三管伴熱對站內供能的利用及損失[5]情況，對轉油站整體的優化效果體現的并不明確。因此針對這類轉油站建立一個評價體系，將轉油站系統中集油管網與站內流程聯系起來，考慮它們之間的相互影響是十分必要的。為全面評價三管伴熱集輸流程的能效水平，通過引入層次分析理論，將轉油站站內設備及下屬管網聯合在一起，建立能效評價體系，為集輸系統節能降耗提供一種新的技術手段[6]。

1 層次分析法

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP）是指將復雜的多目標決策問題作為一個系統，將目標分解為多個目標或準則，進而分解為多指標（準則）的若干層次，通過定性指標模糊量化方法算出層次單排序（權數）和總排序，以此進行目標（多指標）多方案優化決策的系統方法[7-8]。

層次分析法基本步驟如下：

（1）建立層次結構模型。根據評價的目標，將評價目標列為最高層，將準則列為中間層，各準則的實行方法列為最底層。

（2）構造判斷矩陣。對指標體系構造判斷矩陣，釆用1～9標度法進行，并根據構造的矩陣，計算各層次指標權重。權重計算時，采用“方根法”求出各矩陣特征向量，并進行歸一化處理，其主要方法如下：①判斷矩陣中每一行分值乘積② 計算 Ni的 n 次方根，i=1，2，...，n；③對向量進行歸一化處理，即為特征向量。

（3）判斷矩陣一致性檢驗。檢驗所產生的矩陣思維邏輯的一致性，方法如下：①求出各矩陣的最大特征根的指標③求出隨機一致性比率其中，R.I.為平均隨機一致性指標。

如果C.R.＜0.1，則認為矩陣構建合理；如果C.R.＞0.1，則需要重新調整矩陣，并重新計算及檢驗其一致性。

（4）層次總排序。對計算的矩陣進行排序，得到最下一層指標對目標層影響的大小。

2 轉油站能效指標評價體系

2.1 構建轉油站能效指標體系

以江蘇油田某區塊轉油站為例構建轉油站能效指標體系（圖1）。在此能效指標體系中，將轉油站系統劃分為轉油站熱力、轉油站電力、站外集油管網三個子系統，對其分別構建黑箱能量平衡模型，并篩選出基礎能耗指標，其中G、M、C代表指標。指標體系共分為3層，第一層為考慮各子層綜合影響的轉油站綜合能效系數，第二層為各子系統的能效系數，最后一層為各子系統的基礎能耗指標[9-10]。

圖1 轉油站能效指標體系Fig.1 Energy efficiency index system of oil transfer station

通過建立的基礎能耗指標體系，結合現場數據進行計算，找出轉油站系統中薄弱的子系統及其薄弱的基礎能耗指標。在此基礎上對各子系統構建灰箱能量平衡模型，劃分用能單元，對用能薄弱的設備進行能效評價，分析其節能潛力，提出改進方案。為了計算能效系數，采用隸屬度對各層級指標進行無量綱處理，計算方法如表1所示。

表1 各能效系數隸屬度計算公式Tab.1 Formulas for calculating the membership degree of each energy efficiency coefficient

2.2 各層級指標權重計算

（1）構造判斷矩陣。根據評價體系構建4組判斷矩陣：①轉油站熱力能效系數、轉油站電力能效系數、站外集油管網能效系數關于轉油站綜合能效系數的判斷矩陣（表2）；②轉油站燃料消耗量、轉油站加熱爐效率、轉油站熱力設備用能效率關于轉油站熱力能效系數的判斷矩陣（表3）；③轉油站耗電量、轉油站電動機效率、轉油站泵效率關于轉油站電力能效系數的判斷矩陣（表4）；④管道伴熱供入能、管道伴熱效率、管道能損率關于站外集油管網能效系數的判斷矩陣（表5）。

表2 G-M判斷矩陣Tab.2 G-Mjudgement matrix

表3 M1-C判斷矩陣Tab.3 M1-Cjudgement matrix

表4 M2-C判斷矩陣Tab.4 M2-Cjudgement matri

表5 M3-C判斷矩陣Tab.5 M3-Cjudgement matrix

（2）計算結果。根據判斷矩陣進行各層級指標權重計算，各指標權重均滿足一致性檢驗。將各指標權重計算結果進行層次總排序，結果如表6所示。

表6 層次總排序Tab.6 Hierarchical ordering

2.3 轉油站能效評價

該轉油站主要工藝流程為分離器→儲油罐→外輸泵→下一級轉油站（圖2），其中加熱爐對分離器及儲油罐進行熱水換熱保溫，并將部分熱水外輸至站外集油管道進行三管伴熱保溫。

4個季度現場數據如表7所示。根據現場數據對轉油站能效系數進行計算，結果如圖3所示。

圖2 轉油站工藝流程Fig.2 Process flow chart of oil transfer station

圖3 各層級能效系數計算結果Fig.3 Calculation results of energy efficiency coefficient in each hierarchy

根據計算結果可以看出，在冬季和秋季轉油站及站外集油管網能效系數明顯降低。結合指標權重及各能效系數基礎指標的數據，冬季能效系數明顯減低的原因在于冬季環境溫度較低，轉油站站場熱力設備及集油管道熱能損失較大。因此改變冬季時站場設備和站外集油管道的加熱熱水溫度，在其他條件不變情況下，計算改變后的能效系數，并繪制曲線圖（圖4、圖5）。

圖4 站外集油管網優化結果Fig.4 Optimization results of gathering pipeline network outside the station

圖5 站內熱力設備優化結果Fig.5 Optimization results of thermal equipment in the station

根據計算結果可以看出，適當降低加熱循環水溫度能夠有效地提高管道伴熱及熱力設備的熱能利用率，減少散熱損失，但過度降低循環水的溫度會導致換熱時間過長，反而增加了散熱損失。根據循環水優化結果，計算優化后的全年轉油站能效系數，結果如圖6所示。

圖6 優化結果Fig.6 Optimization results

將優化前后結果進行對比，在環境溫度較低的季節優化效果較好，尤其在冬季優化后節能潛力高達10.8%，這證明了對于三管伴熱流程的轉油站能耗優化應考慮集油管網與站內設備相互影響的因素。

2.4 優化措施

通過對轉油站的能效評價可以發現，對于三管伴熱流程這類轉油站，其能效水平的高低主要受其站內加熱爐及站外管道能效水平的影響，因此針對這兩方面提出改善措施。

（1）對于排煙溫度較高的加熱爐增加余熱回收裝置，適當降低排煙溫度以提高加熱爐效率；適當對加熱爐結構進行改造，增加對流面積，使其更多地吸收煙氣中的熱量；采用新型高效的保溫隔離裝置，增強爐體保溫能力，減少散熱損失。

表7 現場數據Tab.7 Field data

（2）對三管伴熱工藝參數進行優化，降低其換熱熱水溫度，避免過多的熱量損失；更換管道保溫層，選擇保溫性能更好的硬質聚氨酯泡沫保溫層。

3 結論

采用三管伴熱集輸的轉油站，由于三管伴熱的能量主要來源于其上級轉油站，對這類轉油站單純地優化其站內加熱爐及輸油泵的工藝參數并不能起到良好的優化效果。因此引入層次分析法，將轉油站內熱力、電力系統與站外集油管網列為同一層級，在考慮其相互影響的因素下對轉油站進行能效評價，為集輸系統能效評價提供了一種有效手段。根據評價體系對轉油站進行了整體評價，通過計算能效系數發現，在秋季及冬季時，其能效系數隨著環境溫度的降低也大幅度下降，在冬季時最低，能效系數僅為0.31，對比夏季的能效系數0.8，差距較大。導致能效系數大幅度降低的原因在于冬季時保溫溫度過高，而環境溫度較低，設備及管道的散熱損失較為嚴重。因此在冬季條件下，可通過改變集油管網伴熱循環水及站內設備伴熱循環水的溫度，從而有效提高站場熱能的利用率，降低散熱損失，進而提升節能潛力。