基于組合模型的輸油泵機組用能評價體系研究

趙沅（大慶油田有限責任公司第二采油廠）

油氣集輸系統(tǒng)是地面工程建設的核心，是油田生產用能的主要環(huán)節(jié)。輸油泵機組作為原油輸送的動力設備，其用能情況的好壞直接關系到集輸效率[1-2]。但受油品物性、管輸壓力、管徑和地溫等因素的影響，不同集輸工藝輸油泵機組的用能情況有所不同[3-4]。因此，建立合適的輸油泵機組用能評價體系，根據(jù)用能情況針對性地調整泵機組運行工況，對于提高能源利用率尤為重要。

在輸油泵機組的評價上，諸多學者進行了研究。范明月[5]將熵權法和灰色關聯(lián)分析結合，對299臺輸油泵機組的用能情況進行了評價；成慶林等[6]在組合賦權的基礎上，通過相對關聯(lián)貼近度對輸油泵機組進行了評價；王萍等[7]通過線性回歸和差值計算，得到了泵機組效率低下的原因，并提出了整改措施。但以上研究尚存在一些問題：一是所選指標不能有效覆蓋泵機組的用能信息；二是評價模型無法反映泵機組狀態(tài)的不確定性和模糊性。基于此，在充分調研相關標準的前提下，對影響輸油泵機組用能的指標進行相關性分析，篩除對用能影響較小的指標因素，結合灰色關聯(lián)和模糊物元模型對泵機組的能效進行綜合評價，為油田節(jié)能降耗提供參考依據(jù)。

1 評價指標體系的建立

輸油泵運行是將電能轉化為機械能的過程，參照SY/T 6472—2010《油田生產主要能耗定額編制方法》和GB/T 16666—2012《泵類及液體輸送系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測方法》的相關要求，選擇泵機組效率、功率因數(shù)、節(jié)流損失率、電動機負載率、泵輸出功率、集輸單耗等為能耗評價指標。以某油田區(qū)塊聯(lián)合站內的12 臺輸油泵為例進行分析，輸油泵機組能耗測試結果見表1。

表1 輸油泵機組能耗測試結果Tab.1 Test results of energy consumption from transfer pump unit

2 指標因素篩選及權重計算

為降低指標因素間的重復性，對表1 中的數(shù)據(jù)進行相關性分析。由于Pearson 相關系數(shù)法對于數(shù)據(jù)質量的要求較高，需滿足連續(xù)性、正態(tài)性和線性的關系，且評價完成還需進行正態(tài)假設檢驗，故采用分析定序數(shù)據(jù)相關性的Spearman 相關系數(shù)法進行數(shù)據(jù)的相關性分析。公式如下：

式中：ρ為相關系數(shù)；n為樣本個數(shù)；di為不同定序數(shù)據(jù)排列后的秩次差值。

不同指標間的相關性結果見表2。可見泵機組效率與功率因數(shù)、電動機負載率和泵輸出功率呈正比，與節(jié)流損失率和集輸單耗呈反比，與實際情況相符。泵機組效率與泵輸出功率之間的相關系數(shù)較大，說明兩者之間的信息存在重疊，同時泵輸出功率與電動機負載率的相關系數(shù)也較大，因此泵輸出功率和電動機負載率兩者只能保留一個指標。考慮到泵輸出功率是計算泵機組效率的其中一項參數(shù)，故將其剔除，避免指標間的冗余。

表2 不同指標間的相關性結果Tab.2 Correlation results among different indicators

利用灰色關聯(lián)度分析法確定影響輸油泵機組用能的指標權重。首先，確定參考序列和比較序列，參考序列中泵機組效率、功率因數(shù)、電動機負載率取最大值，節(jié)流損失率、集輸單耗取最小值；比較序列取表2 中的數(shù)據(jù)。其次，為消除不同物理量單位和數(shù)量級對權重結果的影響，對序列進行歸一化處理；最后計算指標的關聯(lián)系數(shù)和灰色關聯(lián)度，并對灰色關聯(lián)度進行歸一化處理，得到指標權重。公式如下：

式中：ξi(k)為第i個輸油泵機組第k個指標的關聯(lián)系數(shù)；y(k) 為參考序列；xi(k) 為比較序列；minimink、 maximaxk分別為差序列的最小值和最大值；ri為第i個機組的灰色關聯(lián)度；Ro為第i個機組的指標權重。

考慮到不同的歸一化處理會對結果造成影響，故分別采用均值法、中心化法、最大值法和最小值法進行比較，不同歸一化處理的計算結果見圖1。

圖1 不同歸一化處理的計算結果Fig.1 Calculation results of different normalization treatment

雖然不同處理方法得到的指標權重有所不同，但權重排序一致，從大到小依次為泵機組效率、節(jié)流損失率、電動機負載率、集輸單耗和功率因數(shù)。其中，泵機組效率反映了泵運行狀態(tài)的良好程度，屬于綜合性指標，故權重較大；功率因數(shù)是反映有功功率占比的關鍵參數(shù)，可以用于衡量電動機效率，因所選數(shù)據(jù)的部分電動機上采用低壓個別補償和低壓集中補償?shù)臒o功功率補償技術，電網(wǎng)的有功損耗有所降低，故功率因數(shù)的權重較小。

此外，指標權重的準確性與關聯(lián)度的差異性相關，差異性越大，計算結果越準確。不同處理方法的差異性比較見表3。可見最小值法的標準差和極差均最大，說明該方法對于輸油泵機組用能指標的可分性和差異性更強，后續(xù)可選擇該方法的結果作為指標權重。

表3 不同處理方法的差異性Tab.3 Differences in different treatment methods

3 用能情況評價

在進行輸油泵機組用能情況評價時，由于影響能耗的因素較多，不同指標間具有明顯非線性特征，故采用模糊物元方法進行綜合評價。模糊物元是將所有影響評價結果的因素綜合分析，以量化每臺泵的優(yōu)化結果。首先，構建以泵M、指標C和特征值X為基本元素的初始矩陣R′，xmn表示第m臺輸油泵的第n個特征值，公式如下：

其次，計算特征值xmn的模糊量μ(x)，當特征值越大越好時，采用公式（6）計算；當特征值越小越好時，采用公式（7）計算。

式中：xmnmin和xmnmax分別為指標的最小值和最大值。

最后，結合灰色關聯(lián)度分析法得到的指標權重，計算綜合關聯(lián)度Rf，公式如下：

不同輸油泵機組的用能情況綜合關聯(lián)度見圖2。綜合關聯(lián)度越大，說明泵機組的工作狀態(tài)越接近理想狀態(tài)。可見1#輸油泵的用能情況最好，其泵機組效率最高，電動機負載率和節(jié)流損失率適中，集輸單耗最小，多種因素共同作用下導致工況最優(yōu)；5#和10#輸油泵的用能情況較差，兩者的泵機組效率較低，集輸單耗較高，這是由動力設備與實際負載情況不匹配造成的，可采用調速或切割葉輪的方式調整輸送流量，并定期清理管線、泵機組過濾網(wǎng)及換熱器等設備的內部垢層，以減小沿程損失和系統(tǒng)電耗[8-9]。此外，對于節(jié)流損失率較大的12#輸油泵，雖然其用能情況在所有泵中排序適中，但仍可以采用安裝變頻器的方式改變泵轉速，以調節(jié)工況，避免節(jié)流損失。

圖2 不同輸油泵機組的用能情況綜合關聯(lián)度Fig.2 Comprehensive correlation results of energy with different transfer pump units

以聯(lián)合站為單位，將上述方法應用至該廠的其余輸油泵機組上，不同聯(lián)合站的用能情況綜合關聯(lián)度見圖3。

圖3 不同聯(lián)合站的用能情況綜合關聯(lián)度Fig.3 Comprehensive correlation degree of energy with different combined stations

由于綜合關聯(lián)度的大小與用能情況的優(yōu)劣呈正比，故將各聯(lián)合站用能情況綜合關聯(lián)度值按照從小到大排序，規(guī)定當平均值大于樣本排序60%所對應的綜合關聯(lián)度值時，以平均值為基準值；當平均值小于樣本排序60%所對應的綜合關聯(lián)度值時，以稍大于60%的樣本值為基準值。該評價標準在聯(lián)合站或輸油泵機組較多的情況下，可以保證結果的保守性。綜上所述，只有4#、9#、14#、6#、10#和2#聯(lián)合站的用能情況較好，其余聯(lián)合站的用能情況較差，存在較大的技改空間。

4 整改措施及效果

經(jīng)過實地勘察發(fā)現(xiàn)，導致輸油泵機組用能效果差的主要原因是泵機組的額定工作狀態(tài)與現(xiàn)階段的生產需求不匹配，泵未在最佳工作區(qū)間運行。離心泵的初始設計和安裝是根據(jù)最大負荷選用的，隨著油田生產系統(tǒng)集油負荷的波動，設備無法維持在高效區(qū)運行；此外，雖然部分泵配有變頻裝置，但泵的實際出口流量較低、額定揚程偏高，離心泵運行位于低效區(qū)，導致泵效及電動機負載率偏低[10]。

針對上述問題，對輸油泵機組共更換低效電動機15 臺，調整開泵方案21 臺，增加無功補償12臺，增加變頻調節(jié)14 臺，并結合站外集油方式調整、站場工藝簡化、集油拓撲結構優(yōu)化等工藝手段綜合整改，整改前后效果對比見表4。14 座聯(lián)合站的輸油泵機組效率平均提高了13.18%，累計年節(jié)電168×104kWh，全年可節(jié)約電費117 萬元。

表4 整改前后的效果對比Tab.4 Comparison of the effects before and after rectification

5 結論

1）利用Spearman 相關系數(shù)對影響輸油泵機組用能情況的指標進行了篩選，并結合泵機組自身工況特點，通過灰色關聯(lián)分析確定指標權重，得到影響用能情況的指標權重從大到小依次為泵機組效率、節(jié)流損失率、電動機負載率、集輸單耗和功率因數(shù)，歸一化處理中最小值法的處理效果最佳。

2）采用模糊物元模型對泵機組進行了用能評價，根據(jù)綜合關聯(lián)度對其運行狀態(tài)進行了排序，評價結果與現(xiàn)場實際相符，進而評價了聯(lián)合站整體用能效果，提出更換低效泵、更換低效電動機、調整開泵方案、增加無功補償、增加變頻調節(jié)等節(jié)能措施，優(yōu)化后14 座聯(lián)合站的泵機組效率均有提高。