基于相關系數-熵權法的輸油泵機組能效對標體系研究

王萍 高李穎 羅政華 丁進善 劉永明 梁昌晶

1中國石油華北油田公司第一采油廠

2中國石油華北油田公司第二采油廠

在石油和天然氣的運輸過程中，泵和壓縮機是為流體運輸提供主要能量的機械設備。由于不同區塊所產原油的油品物性、流變性、剪切歷史、熱歷史等不盡相同，導致泵機組的運行狀態差異較大，容易出現輸油泵機組效率低、能耗高等情況[1-3]。因此，對泵機組的運行參數進行合理評價，進行能耗分析和能效對標，對提高集輸系統效率尤為重要。

在能效對標體系的構建中，評價指標的選取及相關權重的確定直接關系到評價結果的準確性。范明月等[4]采用灰色關聯對采油廠運行的299 臺輸油泵進行評價，但只考慮了功率因數、節流損失率和泵機組效率3個因素，在指標選取上對泵機組效率的影響覆蓋不全，同時無法避免指標信息之間的重復性。在此，根據前期現場測試和數據分析，采用Pearson相關系數描述評價指標之間的相關性[5]，避免指標重復選取，同時采用熵權法確定指標權重，建立合理的標桿值及數據庫系統，引入綜合評價因子，以此反映關鍵指標對泵機組能耗的影響程度，以期實現泵機組運行能耗的降低和管理水平的提升。

1 評價指標選取

評價指標選取的原則應遵循全面性、獨立性、代表性、可比性和可操作性[6-8]。其中全面性是指指標可覆蓋泵機組的主要用能環節，全面反映能效水平；獨立性是指指標之間無耦合冗余信息，相關性較?。淮硇允侵钢笜丝煞从潮脵C組能量利用效率的主要方面；可比性是指指標的計算方法應在行業具有統一標準；可操作性是指指標便于現場測試和計算。根據以上原則，參照GB/T 31453—2015《油田生產系統節能監測規范》的相關要求，結合實際運行情況，選定泵機組效率、功率因數、泵機組單耗、電動機綜合效率、泵效率、節流損失率6個評價指標。

以華北油田采油一廠為例，對4個聯合站內的15 臺輸油機泵進行測試和統計，測試儀器的精度應滿足規范對準確度等級的要求，測試時間的選擇和測算值的取值應具有平均值的代表性，同一泵機組各個參數的測試宜在同一時間內進行，監測數據見表1。其中有2 臺泵因出口管線距匯管的長度不夠，導致操作空間不足，無法測得節流損失率。

表1 輸油泵機組監測數據Tab.1 Monitoring data of oil pump set

為了使評價指標的選取更加全面，避免出現無效指標，采用Pearson 相關系數衡量隨機變量間的線性相關性[9]。假設有N個數據對(xi，yi)(i=1，2，…，N)，相關系數ρ計算式為

其中：ρ的取值范圍為[-1，1]。ρ＞0表示兩組變量正相關，即當一組變量增加或減少時，另一組變量也增加或減少；ρ＜0表示兩組變量負相關，即兩組變量變化情況相反。ρ的絕對值代表相關性，0.8＜ |ρ|≤1 表示變量呈極強相關，0.6＜ |ρ|≤0.8 表示變量呈強相關，0.4＜ |ρ|≤0.6表示變量呈中等相關，0.2＜ |ρ|≤0.4 表示變量呈弱相關，0＜ |ρ|≤0.2表示變量呈極弱相關或不相關。

泵機組效率可全面反映機組的能耗水平，故將其作為參考序列，比較其余5個指標與其相關系數的大?。ū?）。泵機組效率除與泵機組單耗和節流損失率呈負相關，與其余指標均呈正相關，其中與泵效率呈極強相關，說明兩者包含重疊信息，應將泵效率指標去除，以避免指標的冗余性。

表2 評價指標相關系數矩陣Tab.2 Correlation coefficient matrix of evaluation indexes

2 指標權重計算

熵權法是通過熵值計算某一評價指標在不同評價體系中的差異程度，屬客觀賦權法，不受專家判斷、人為因素的影響，廣泛用于多目標屬性問題。評價指標的熵值越大，指標所包含的信息量越小，不確定性越大，權重越?。环粗嗳?。將熵權法用于輸油泵機組能效對標中，使賦權更加符合實際工況，計算步驟如下：

（1）假設有a個評價對象和b個評價指標，構造原始矩陣R={rij}rij（rij表示第i個評價對象的第j個評價指標）。

（2）由于不同評價指標的單位、數量級不盡相同，故對原始矩陣進行無量綱化處理，根據表2的相關性分析，功率因數、電動機綜合效率為正向指標，即指標越大，泵機組效率越高；泵機組單耗和節流損失率為反向指標，即指標越大，泵機組效率越低，歸一化公式為

（3）計算第j個評價指標下第i個對象的所占比例Pij和第j個評價指標的熵值Hj，計算公式為

式中：m為評價對象的總數，當Pij=0 時，lnPij=0。

（4）計算評價指標權重ωj。計算公式為

根據泵機組的能量輸出，結合影響泵機組效率的各項因素，將功率因數、泵機組單耗、電動機綜合效率和節流損失率作為能效對標的主要因素。對表1 的數據進行權重計算，結果見表3。權重從大到小依次為功率因數、節流損失率、泵機組單耗和電動機綜合效率，說明功率因數對該油田集輸泵機組的用能評價影響最大。

表3 指標權重計算結果Tab.3 Calculation results of index weight

3 能效對標分析

關于對泵機組效率、功率因數和節流損失率標桿值的選取，GB/T 31453—2015《油田生產系統節能監測規范》中按照泵的額定排量對節能監測限值進行了規定。對泵機組單耗和電動機綜合效率標桿值的選取，目前尚無統一標準[10-11]，在此以最終確定的標桿值應滿足大于等于平均值為原則，按照樣本覆蓋率進行選取。對于電動機綜合效率這類正向指標，在同類樣本中，從小到大排序，當平均值大于60%的樣本值時，以平均值為標桿值；當平均值未大于60%的樣本值時，以60%樣本值為標桿值。表1中電動機綜合效率的平均值為82.11%，60%的樣本值為90.61%，故標桿值為90.61%。對于泵機組單耗這類反向指標，在同類樣本中，從大到小排序，當平均值大于60%以上的樣本值時，以60%的樣本值為標桿值；當平均值未大于60%的樣本值時，以平均值為標桿值。表1中泵機組單耗的平均值為0.78 kWh/m3，60%的樣本值為0.77 kWh/m3，故標桿值為0.77 kWh/m3。標桿值選取結果見表4。

當監測指標全部達到標桿值時，則泵機組定義為監測合格設備；當設備運行時泵機組效率達到節能評價值，則泵機組定義為節能合格設備。為了充分考慮不同評價指標對泵機組效率的影響，引入綜合評價因子F，計算公式為

式中：A為評價指標標桿值；B為評價指標監測值。

結合表1、表3 和表4，計算綜合評價因子F，并與監測到的泵機組效率進行對比（圖1）。兩者曲線無法達到完全一致，原因是由于評價對象數量較少，且泵機組效率還與油品物性和泵提升出口壓力大小等因素有關，但總體上兩者曲線的變化趨勢類似，說明選取的評價指標可較好地反映泵機組用能情況。對兩者的散點進行線性擬合，擬合函數為η=39.006 7F+47.225 2，η為泵機組效率，決定系數R2=0.952 4，說明擬合效果較好（圖2）。

圖1 綜合評價因子與泵機組效率曲線對比Fig.1 Comparison of the comprehensive evaluation factor and pump unit efficiency curve

圖2 綜合評價因子與泵機組效率擬合曲線Fig.2 Fitting curve of the comprehensive evaluation factor and pump unit efficiency

表4 輸油泵機組標桿值選取結果Tab.4 Result of benchmarking value selection for oil pump unit

表1中只有1#、3#、4#、5#四臺泵機組的效率達到標桿值，其余均未達標，大多數電動機的功率因數較低，個別泵機組的節流損失率和單耗超過標桿值。在此，計算標桿值與監測值之間的差值，并優化調節目標值，利用擬合函數預測泵機組效率，提出改進措施（表5）。

表5 標桿值與監測值的差值及泵機組效率預測Tab.5 Difference between benchmarking value and monitoring value and the prediction of pump unit efficiency

經過參數優化和調整后，大部分泵機組均能達到監測合格和節能合格的標準，但仍有11#和15#兩臺泵機組不合格，其配套電動機為工信部公布的淘汰型電動機（見工信部關于《高耗能落后機電設備（產品）淘汰目錄（第二批、第三批）》中所列設備），故這兩臺泵機組沒有進行調節優化的必要，可直接更換。功率因數偏低，應檢查無功補償器或電容完好情況并及時調整，從而改善電能質量；泵機組單耗較高，主要原因是運行泵機組與實際生產要求不匹配，未在最佳工作區內運行，應降低站外集輸與站內處理工藝用能負荷，提高能量利用率；電動機綜合效率偏低，應淘汰不合格電動機，可利用變頻調速技術改變其流量、揚程及電動機的輸入功率；節流損失率偏高，可在節流閥處安裝變頻調速或采用PID整定控制減少節流損失和壓降。

4 結論

（1）采用Pearson 相關系數對影響泵機組效率的評價指標進行篩選，利用熵權法確定了評價指標權重，權重從大到小依次為功率因數、節流損失率、泵機組單耗和電動機綜合效率，說明功率因數是影響該油田集輸泵機組能耗的重要指標。

（2）引入綜合評價因子反映關鍵性指標對泵能效的影響程度，通過差值計算預測節能措施實施后的泵機組效率，可為針對性地進行能效對標提供理論依據。