原油長輸管道系統(tǒng)重點(diǎn)耗能單元用能評價與節(jié)能應(yīng)用研究

成慶林 王 爽 楊金威 張學(xué)強(qiáng) 季 帥

（1.東北石油大學(xué) 提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.中油國際管道有限公司）

某長輸原油管道全長965 km，沿線設(shè)置有4座泵站，共計(jì)16臺輸油主泵，當(dāng)前輸量為1 100～1 500萬噸/年，承擔(dān)著重要的輸油任務(wù)，但生產(chǎn)運(yùn)行中存在運(yùn)行能效低、能量消耗大的問題［1，2］。因此，需要識別該管道的重點(diǎn)耗能單元，并進(jìn)行能耗監(jiān)測，對重點(diǎn)耗能單元的用能情況做出準(zhǔn)確判斷，以此為依據(jù)調(diào)整運(yùn)行方案，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

在改善原油管道系統(tǒng)用能情況的過程中，需要進(jìn)行重點(diǎn)耗能單元識別、能耗監(jiān)測、用能評價、運(yùn)行方案調(diào)整4個環(huán)節(jié)。其中重點(diǎn)耗能單元的用能評價是核心環(huán)節(jié)，評價的方法有很多種，如單指標(biāo)評價、層次分析法多指標(biāo)評價、主成分分析法多指標(biāo)評價等，各種方法均有其局限性和適用范圍［3～6］。孫超等基于泵機(jī)組能效參數(shù)計(jì)算模型，設(shè)計(jì)開發(fā)了離心泵機(jī)組能效評價系統(tǒng)，監(jiān)測設(shè)備的能效情況［7］。趙彥東等基于模糊數(shù)學(xué)理論建立離心泵系統(tǒng)能耗評價體系，分析影響能耗的主要因素，并找到泵機(jī)組的用能薄弱環(huán)節(jié)［8］。姜思雪從注水泵、電機(jī)、注水管網(wǎng)、電網(wǎng)4個方面找到影響注水泵能耗的關(guān)鍵點(diǎn)，分析泵的有功功率、電機(jī)效率等能效參數(shù)，從而提出優(yōu)化措施，實(shí)現(xiàn)降低生產(chǎn)成本的目標(biāo)［9］。

目前，用能評價方法主要依靠能效參數(shù)的值進(jìn)行評價，只能判斷各項(xiàng)能效參數(shù)是否達(dá)到合格水平，相互之間的定量對比和整體系統(tǒng)的用能水平量化都無法完成，無法深入剖析其內(nèi)在機(jī)制。因此筆者對該原油管道系統(tǒng)重點(diǎn)耗能單元進(jìn)行識別，并對重點(diǎn)耗能單元進(jìn)行節(jié)能監(jiān)測現(xiàn)場測試，分析重點(diǎn)耗能單元能效指標(biāo)的達(dá)標(biāo)情況，再從多目標(biāo)綜合評價角度判別其整體能耗水平，進(jìn)而提出合適的運(yùn)行方案，以實(shí)現(xiàn)管道系統(tǒng)的高效低耗運(yùn)行。

1 管道系統(tǒng)節(jié)能重點(diǎn)單元識別

在泵站單元，原油管道系統(tǒng)的能量損失主要分布于輸油泵、電機(jī)及傳動系統(tǒng)等；在管道單元，主要包括沿程阻力損失、熱力損失及介質(zhì)泄漏損失等［10］。因此，管道系統(tǒng)能效評價體系包括輸油泵站與輸油管道兩個子系統(tǒng)單元，這兩個子系統(tǒng)又具有各自不同的耗能評價指標(biāo)。針對該原油管道輸送系統(tǒng)，采用層次分析法構(gòu)建了多層次的能效評價體系，通過定性指標(biāo)模糊量化方法算出層次單排序（權(quán)數(shù)）和總排序，以解決復(fù)雜的多指標(biāo)、多方案優(yōu)化決策問題［11～13］。

1.1 建立能效指標(biāo)評價體系

根據(jù)能耗組成構(gòu)建輸油管道系統(tǒng)能效指標(biāo)評價體系，其中G層為管道系統(tǒng)能效系數(shù)，M層分別為泵站能效系數(shù)和管段能效系數(shù)；C層選取的基礎(chǔ)能效指標(biāo)分別為噸液耗電量、電能利用率、單位長度溫降、單位長度壓降和損輸比，所構(gòu)建的評價體系如圖1所示。

圖1 輸油管道能效指標(biāo)評價體系

1.2 構(gòu)造輸油管道系統(tǒng)判斷矩陣

根據(jù)輸油管道系統(tǒng)能效指標(biāo)評價體系構(gòu)建判斷矩陣［14］：泵站能效系數(shù)（M1）、管段能效系數(shù)（M2）相關(guān)管道系統(tǒng)能效系數(shù)（G）；噸液耗電量（C1）、電能利用率（C2）相關(guān)泵站能效系數(shù)（M1）；單位長度溫降（C3）、單位長度壓降（C4）和損輸比（C5）相關(guān)管段能效系數(shù)（M2），分別計(jì)算判斷矩陣的最大特征根和特征向量，由此確定對應(yīng)的權(quán)重，3組判斷矩陣及權(quán)重列于表1～3。

表1 G-M判斷矩陣及權(quán)重

表2 M1-C判斷矩陣及權(quán)重

表3 M2-C判斷矩陣及權(quán)重

1.3 輸油管道系統(tǒng)判斷矩陣一致性檢驗(yàn)

通過對判斷矩陣計(jì)算可知：G-M和M-C的判斷矩陣構(gòu)建合理，均通過一致性檢驗(yàn)（CR<0.1）。具體計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 判斷矩陣一致性檢驗(yàn)

1.4 層次總排序

C層對G層的權(quán)重為M層對G層權(quán)重與C層對M層權(quán)重的乘積，由此可通過計(jì)算得出C層對G層的權(quán)重（表5）。

表5 C層對G層的權(quán)重

綜合以上各表可知，泵站能效對管道系統(tǒng)能效影響最大，權(quán)重為0.666 7，而輸油管道權(quán)重僅為0.333 3。結(jié)果表明，原油管道本身的節(jié)能空間相對有限，應(yīng)將泵站部分或者輸油泵機(jī)組作為管道系統(tǒng)節(jié)能工作的重點(diǎn)。

2 管道系統(tǒng)節(jié)能重點(diǎn)單元能耗監(jiān)測

根據(jù) 《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》（GB/T 31453—2015）等國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，確定輸油泵機(jī)組的能耗評價指標(biāo)，給出該原油管道全線機(jī)泵能效測算方法，可根據(jù)節(jié)能監(jiān)測實(shí)測基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算出輸油泵的效率、耗電量等能耗指標(biāo)，持續(xù)跟蹤評估泵機(jī)組性能變化，同時初步分析泵系統(tǒng)存在的問題，為預(yù)防性維護(hù)決策提供支持。

2.1 能耗指標(biāo)及計(jì)算方法

根據(jù)GB/T 12497—2006 《三相異步電動機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》、GB/T 31453—2015 《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》、SY/T 6275—2007《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》、GB/T 16666—2012 《泵類液體輸送系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測》等國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)確定輸油泵機(jī)組的能耗評價指標(biāo)為電機(jī)運(yùn)行效率、泵運(yùn)行效率、功率因數(shù)、噸·百米耗電量，輸油泵機(jī)組的評價指標(biāo)體系如圖2所示。

圖2 輸油泵機(jī)組的評價指標(biāo)體系

各個評價指標(biāo)的計(jì)算方法見表6。

2.2 節(jié)能監(jiān)測實(shí)例分析

根據(jù)表1中各指標(biāo)的計(jì)算方法對該原油管道16臺泵機(jī)組的能耗情況進(jìn)行計(jì)算，按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16666—2012《泵類液體輸送系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測》、SY/T 6275—2007《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》、GB/T 31453—2015 《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》的要求，分別判斷了16臺泵機(jī)組各個指標(biāo)的合格情況，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表7。

表7 泵機(jī)組監(jiān)測數(shù)據(jù)表

由表7可知，泵運(yùn)行效率的平均值76.54%，電機(jī)運(yùn)行效率的平均值94.06%，泵機(jī)組平均效率為71.98%，機(jī)泵效率的合格率為87.5%，整體來說運(yùn)行狀態(tài)良好，而達(dá)到節(jié)能值的機(jī)泵只占18.75%，部分泵機(jī)組偏離節(jié)能值較遠(yuǎn)，具體如圖3所示。泵機(jī)組的功率因數(shù)平均值為0.91，合格率為62.5%，正常功率因數(shù)在0.80～0.90左右，大部分泵機(jī)組處于良好的運(yùn)行狀態(tài)。泵機(jī)組噸·百米耗電量的平均值為0.39 kW·h，4個中間泵站內(nèi)只有一臺泵機(jī)組噸百米耗電量大于限定值0.46 kW·h，其他15臺泵機(jī)組均達(dá)到了節(jié)能監(jiān)測的標(biāo)準(zhǔn)，由此可知泵機(jī)組效率偏離節(jié)能值是當(dāng)前要解決的主要問題。

圖3 泵機(jī)組效率節(jié)能監(jiān)測結(jié)果

通過各個指標(biāo)的數(shù)值只能定性判斷設(shè)備用能是“合格”還是“不合格”，相互之間的定量對比和整體系統(tǒng)的用能水平量化都無法完成，因此，筆者針對該原油管道泵機(jī)組進(jìn)一步開展了多個目標(biāo)不同權(quán)重的節(jié)能監(jiān)測綜合評價研究。

3 管道系統(tǒng)節(jié)能重點(diǎn)單元多指標(biāo)綜合用能評價

3.1 評價方法

基于現(xiàn)有層次分析、專家打分等方法用以評價設(shè)備效能，通常依靠多數(shù)專家的工作經(jīng)驗(yàn)與主觀判斷來確定評價指標(biāo)的相應(yīng)權(quán)重，主觀性較強(qiáng)，考慮將熵權(quán)法與灰色關(guān)聯(lián)法結(jié)合形成基于熵權(quán)-灰色關(guān)聯(lián)法的多指標(biāo)綜合評價技術(shù)體系，以實(shí)現(xiàn)對輸油泵機(jī)組客觀、合理的綜合節(jié)能評價［15～18］。該方法的技術(shù)路線圖如圖4所示。

圖4 基于熵權(quán)-灰色關(guān)聯(lián)法的多指標(biāo)綜合評價方法技術(shù)路線

基于熵權(quán)-灰色關(guān)聯(lián)法的多指標(biāo)綜合評價方法計(jì)算步驟如下［19，20］。

確定參考序列和比較序列。

設(shè)有m個被評價泵機(jī)組，n個評價指標(biāo)：

評價母序列：

比較子序列：

原始數(shù)據(jù)的無量綱處理。

指標(biāo)值越大越好的情況：

指標(biāo)值越小越好的情況：

計(jì)算熵值。

根據(jù)熵的定義，可以確定評價指標(biāo)的熵為：

計(jì)算評價指標(biāo)的熵權(quán)集W。

計(jì)算參考序列與比較序列的絕對差值、確定最大絕對差值和最小絕對差值。

絕對差值：

計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)。

計(jì)算關(guān)聯(lián)度。

3.2 評價結(jié)果

在節(jié)能監(jiān)測現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過熵權(quán)-灰色關(guān)聯(lián)評價法對泵機(jī)組進(jìn)行綜合評價，可以得到各指標(biāo)對泵機(jī)組用能情況的影響程度并分析出其用能薄弱環(huán)節(jié)，同時可以對所有泵機(jī)組的用能情況進(jìn)行排序。

首先要依據(jù)已有樣本確定參考序列（理想方案），參考GB/T 34165—2017《油氣輸送管道系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》等規(guī)范中對各個評價指標(biāo)限定值的規(guī)定，篩選出各評價指標(biāo)均合格的泵機(jī)組作為評價泵機(jī)組的有效樣本序列。然后分析確定有效樣本中各評價指標(biāo)的最優(yōu)值x0=｛x0（1），x0（2），…，x0（n）｝，并以此作為評價泵機(jī)組參考序列。從有效樣本序列中挑選各評價指標(biāo)的最優(yōu)值作為參考序列 （理想方案），記為x0=｛80.47，96.96，0.95，0.34｝，再對指標(biāo)矩陣進(jìn)行無量綱化，計(jì)算各指標(biāo)下各個樣本的比重pij，根據(jù)公式（7）計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)值（表8）。

表8 各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)值

從計(jì)算結(jié)果可以看出，評價指標(biāo)的權(quán)重由大到小依次為：泵運(yùn)行效率、功率因數(shù)、電機(jī)運(yùn)行效率、噸·百米耗電量。

接下來，計(jì)算參考序列與比較序列的絕對差值，確定最大絕對差值和最小絕對差值為1和0。根據(jù)式（9）計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)，結(jié)合熵權(quán)法所求的權(quán)重得到關(guān)聯(lián)度（表9）。

表9 關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度

根據(jù)表9中的數(shù)據(jù)，繪制了關(guān)聯(lián)度柱狀圖（圖5）。關(guān)聯(lián)度越大，表明泵機(jī)組各項(xiàng)評價指標(biāo)的數(shù)值越趨于最優(yōu)序列的數(shù)值，說明泵機(jī)組的運(yùn)行性能越好。圖5所示結(jié)果顯示，運(yùn)行狀態(tài)最優(yōu)的是8#站3號外輸泵，此泵機(jī)組處于節(jié)能運(yùn)行狀態(tài)。運(yùn)行狀況最差的為11#站1號外輸泵，其指標(biāo)序列為［0.769 0.910 0.790 0.390］，可以看出該泵機(jī)組功率因數(shù)和電機(jī)效率相對其他泵機(jī)組較低。因此，制定開泵方案時，在滿足輸量需求的前提下，可以更換開啟同一站內(nèi)評價指標(biāo)值更高的相同型號的泵機(jī)組，以減少管道全線的經(jīng)濟(jì)成本。

圖5 關(guān)聯(lián)度柱狀圖

3.3 評價應(yīng)用

由上述評價結(jié)果可知，同一泵站內(nèi)，更換關(guān)聯(lián)度較大的泵機(jī)組工作會減少管道全線的經(jīng)濟(jì)成本，以該管道某日的生產(chǎn)數(shù)據(jù)為例，對開泵方案調(diào)整前后進(jìn)行耗電成本計(jì)算。首站壓力為3.68 MPa，進(jìn)站溫度4.6 ℃，輸送原油密度857.5 kg/m3，各管段地溫按照首-8#、8#-9#、9#-10#、10#-11#、11#-末依次為：5.21、5.21、6.80、7.60、8.10 ℃，按照耗電量計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，得到全線實(shí)際運(yùn)行參數(shù)及能耗計(jì)算結(jié)果見表10。

表10 某日全線實(shí)際運(yùn)行參數(shù)及能耗計(jì)算結(jié)果

再根據(jù)上一節(jié)的評價結(jié)果，該方案原使用8#站4號泵，其關(guān)聯(lián)度為0.66，而同一泵站內(nèi)3號泵的關(guān)聯(lián)度為0.80，因此筆者將4號泵更改為3號泵工作，之后計(jì)算同等輸量下的工況，得到調(diào)整開泵方案后全線運(yùn)行參數(shù)及能耗的計(jì)算結(jié)果，詳見表11。

表11 調(diào)整方案后全線運(yùn)行參數(shù)及能耗計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過調(diào)整后，開泵方案由開啟8#站的4號泵改為開啟3號泵，日耗電量減少了295.92 kW·h，節(jié)省電費(fèi)約6萬元/年，減少了管道全線的運(yùn)行成本，由此可見，管道系統(tǒng)的用能評價工作對管道節(jié)能降耗具有重要推動意義。

4 結(jié)論

4.1 構(gòu)建了原油管道系統(tǒng)多層次的能效評價體系，采用層次分析法給出系統(tǒng)能效三層次單排序和總排序，結(jié)果表明，輸油泵站權(quán)重在第二層次中最高，為0.666 7，應(yīng)是系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測與技術(shù)改造的重點(diǎn)單元。

4.2 根據(jù)GB/T 31453—2015《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》等相關(guān)國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)確定了該原油管道泵機(jī)組的能耗評價指標(biāo)為電機(jī)運(yùn)行效率、泵運(yùn)行效率、功率因數(shù)、噸·百米耗電量，給出了各能耗指標(biāo)的計(jì)算方法，根據(jù)節(jié)能監(jiān)測生產(chǎn)數(shù)據(jù)得到各泵機(jī)組的能耗指標(biāo)數(shù)據(jù)，不僅可初步評價泵機(jī)組用能水平，還可持續(xù)跟蹤泵機(jī)組性能變化。

4.3 提出多指標(biāo)熵權(quán)-灰色關(guān)聯(lián)綜合評價方法，可同時實(shí)現(xiàn)泵機(jī)組系統(tǒng)整體用能評價與局部薄弱環(huán)節(jié)識別，應(yīng)用分析表明，16臺輸油主泵中關(guān)聯(lián)度最大的是8#站3號泵，處于節(jié)能運(yùn)行狀態(tài)，關(guān)聯(lián)度最小的是11#站1號泵，運(yùn)行效果最差，應(yīng)為下步節(jié)能技改的重點(diǎn)設(shè)備。

4.4 根據(jù)泵機(jī)組用能評價結(jié)果調(diào)整開泵方案，在同一泵站內(nèi)，由關(guān)聯(lián)度較大的泵機(jī)組代替關(guān)聯(lián)度小的同型號泵機(jī)組工作，可減少了管道全線的運(yùn)行成本，由此可見，管道系統(tǒng)的用能評價工作對管道節(jié)能降耗具有重要推動意義。