基于屬性層次-模糊函數的輸氣站場能效評價方法研究

樊耳東（大慶油田有限責任公司第六采油廠）

輸氣站場在天然氣儲存和運輸的過程中發揮著不可替代的作用[1-2]。因其受上游氣源、分輸站點和下游用戶等基本面的影響，運行工況波動較大，當站內系統與實際運行工況不匹配時，經常出現高能耗、低效率的工藝或設備。因此，如何對站場用能系統進行合理評價，對于企業實現降本增效顯得尤為重要。

目前，關于油氣生產系統的能效評價已有諸多學者進行了研究。湯晟等[3]以熵權-灰色關聯為基本方法，通過綜合考慮加熱爐和泵的耗能情況，建立了多層級集輸系統能效評價體系；唐霏等[4]通過粗糙集理論和神經網絡構建了增壓站能效評價體系，并進行了多次訓練得到最佳結果；王軍防等[5]通過差分算法對儀長線管道的沿線開泵方案和調節閥狀態進行了調整，調整后能耗降低15.97%。但以上方法多集中在油氣集輸或管網系統，對于輸氣站場內的應用研究較少，且未建立一套完整的、可以清晰反映站場能效系統存在問題的評價方法。基于此，根據站場工藝流程特點，建立了涵蓋多層次多指標的站場能效評價指標體系，采用屬性層次方法確定指標權重，通過模糊函數逐級計算綜合評價值，以期為同類型輸氣站場的能效評價提供實際參考。

1 輸氣站場工藝系統概括

以某典型輸氣站場為例進行分析，該站場主要為甲基二乙醇胺（MDEA）脫酸、三甘醇（TEG）脫水和部分干氣循環（RSV）輕烴回收工藝。其中脫酸工藝包括吸附和再生兩個過程[6]，原料氣經分離器脫除游離水和固體顆粒后，從塔底進入吸收塔，與從塔頂流下的MDEA 貧液逆流接觸，待酸性氣體從原料氣中轉移至MDEA 貧液中后，完成氣體凈化過程，脫酸后氣體為甜氣，進入脫水工藝單元；MDEA 富液從吸收塔底流出，經閃蒸、升溫操作后進入再生塔，在塔釜重沸器的加熱作用下，MEDA 富液中的輕組分不斷在精餾段析出，重組分不斷在提餾段析出，提濃后的MEDA 貧液在換熱和加壓后，重新返回吸收塔頂部，完成脫酸工藝流程的循環。

脫水工藝與脫酸工藝類似，也包括吸附和再生兩個過程，只是吸收劑變為TEG，故不再贅述[7]。

輕烴回收工藝利用凈化氣中不同組分的冷凝溫度不同，從而實現天然氣的有效分離和產品價值的提升[8]。天然氣先進入深冷裝置后，進入低溫分離器，低溫分離器氣相出口分為兩個流股，一股通過膨脹機降壓降溫后進入脫甲烷塔，另一股再次通過冷箱預冷后進入脫甲烷塔。低溫分離器液相通過節流閥節流降溫后進入脫甲烷塔，脫甲塔頂部的產品氣經復熱增壓后，一部分用于外輸，一部分作為回流氣回流至脫甲烷塔塔頂，為塔內提供冷量。從脫甲烷塔塔底流出的液烴根據需要依次經過脫乙烷塔和脫丁烷塔分離出乙烷、穩定輕烴和液化石油氣。

2 評價指標體系的建立

根據輸氣站場工藝為脫酸、脫水和輕烴回收三個工藝建立輸氣站場能效評價指標體系，從能耗、效率及指標等方面對能效進行定量描述，其中影響脫酸工藝系統能效的因素有脫酸系統效率、脫酸系統能耗和脫酸工藝指標，影響脫水工藝和輕烴回收工藝系統能效的因素與脫酸工藝類似，故不再贅述。輸氣站場能效評價指標體系見表1。

3 指標權重的計算

考慮到層次分析法在計算指標權重時，需對判斷矩陣進行一致性檢驗，重復性操作較多，故在此采用屬性層次方法確定指標權重，以避免指標間冗余或重復信息相互影響的現象[9]。先在層次分析法的基礎上構建1～9 標度的判斷矩陣aij，隨后利用公式（1）將其轉化為屬性矩陣uij，最后由公式（2）計算指標權重wi。見式（1）、式（2）：

式中：uij為屬性判斷矩陣中的元素值，1 ≤i，j≤n。

以脫酸工藝系統能效B1 為例進行分析，按照標度判斷指標影響程度，B1 的判斷矩陣見表2。

表2 B1 的判斷矩陣Tab.2 Judgment matrix of B1

利用公式（1）、（2），B1 的屬性矩陣和權重見表3。

表3 B1 的屬性矩陣和權重Tab.3 Attribute matrix and weight of B1

由表3 可見，再生塔重沸器熱效率、再生塔重沸器單位氣耗的權重較大，說明重沸器是影響脫酸系統能效的主控因素。同理，貧TEG 循環泵效率、再生塔重沸器熱效率是影響脫水系統能效的主控因素；膨脹機等熵效率、冷箱夾點溫差和乙烷收率是影響輕烴回收工藝系統能效的主控因素。

4 模糊函數的計算

在對輸氣站場進行能效評價時，需對表1 中的指標值進行無量綱化處理，即計算指標值的隸屬度。針對“貧MDEA 循環泵效率”這類正向指標采用公式（3）的升嶺型模糊函數處理，針對“單位系統電耗”這類反向指標采用公式（4）的降嶺型模糊函數處理[10]。見式（3）、式（4）：

式中：xi為第i個指標的運行值；a、b為指標下限和上限。a、b的值根據現場經驗和SCADA 系統數據閾值范圍選取，如“三甘醇貧液質量分數”應維持在95%以上，以保證脫水后的干氣露點滿足低于環境溫度5 ℃的要求，輸氣站場能效評價指標上、下限及模糊函數見表4。

表4 輸氣站場能效評價指標上、下限及模糊函數Tab.4 Upper limit，lower limit and fuzzy function of energy efficiency evaluation index of gas transmission station

在得到各指標的隸屬度后，將其乘以100，得到各指標的量化值F(xi)，隨后再結合得到的權重，進行線性加和得到單指標評價值，最后逐層向上計算得到目標層的綜合評價值。見式（5）、式（6）：

式中：Ui為第i個準則層指標的評價值；ωij為第i個準則層下屬第j個指標的權重。

收集該輸氣站正常和異常工況下的數據，運用屬性層次-模糊函數的方法進行能效判斷，正常工況下輸氣站場的能效評價結果見表5、異常工況下輸氣站場的能效評價結果見表6。

表5 正常工況下輸氣站場的能效評價結果Tab.5 Energy efficiency evaluation results of gas transmission station under normal working conditions

表6 異常工況下輸氣站場的能效評價結果Tab.6 Energy efficiency evaluation results of gas transmission station under abnormal working conditions

其中，正常工況下各系統能耗的評價值較高，表明現階段能效水平及工藝適應性良好。從單工藝系統看，脫水系統的能耗評價值較高，這與三甘醇貧液質量分數較高，當前脫水深度較大有關；重沸器是影響天然氣脫酸和脫水能效評價結果的關鍵設備，冷箱是影響天然氣輕烴回收能效評價結果的關鍵設備。異常工況下各系統能效的評價值較低，表明現階段能效水平及工藝適應性較差。從單工藝系統看，輕烴回收系統的能耗評價值較低，三甘醇貧液質量分數不達標、重沸器熱效率過低、冷箱夾點溫差過大是造成能效水平低下的主要原因。此外，異常工況下脫酸后的甜氣中CO2和H2S 含量超過GB 17820—2018《天然氣》中關于一類天然氣的要求，其攜帶的酸性物質會進一步腐蝕后續脫水系統和輕烴回收系統的設備及管道，造成能效評價值持續下降。

5 現場應用及措施改進

針對表6 中的異常工況，提出如下改進措施：

1）從脫水干氣引出一部分流股作為再生塔的汽提氣，汽提氣可以對富甘醇溶液進行攪動，使停留在富甘醇中的水蒸氣逸出，同時還可減少塔釜重沸器能耗，貧甘醇濃度從87.5%提高至99.9%。

2）將輕烴回收工藝中部分用于原料氣加熱的換熱器改成由塔釜重沸器加熱，降低一部分再生塔能耗。

3）利用夾點技術換熱理論，對輕烴回收工藝中的冷箱進行換熱調整，調整原則為熱流體放熱溫度不覆蓋夾點溫度、溫度比夾點溫度高的熱流體不使用公共熱源、溫度比夾點溫度低的熱流體不使用公共冷源，調整后預冷冷箱和過冷冷箱的最小換熱溫差分別為3.61 ℃和5.52 ℃，有效減少了換熱中的能損失。

考慮到不同耗能設備的能耗差異較大，參照GB/T 2589—2020《綜合能耗計算通則》中的相關辦法，將站場中電能和熱能進行系數折算，得出措施改進后脫酸工藝能耗從7 562 kW 降至6 530 kW，脫水工藝能耗從6 270 kW 降至6 105 kW，輕烴回收工藝能耗從15 200 kW 降至13 700 kW，整個站場的比功耗從1.792 kWh/kg 降低至1.354 kWh/kg，降幅24.44%。

6 結論

1）通過逐層分析輸氣站場的工藝流程，建立了包含目標層、準則層和指標層在內的能效評價指標體系。

2）通過屬性層次方法確定了不同指標的權重，避免了一致性檢驗的繁瑣性，利用嶺型模糊函數確定了正向指標和反向指標的隸屬度，逐級確定了不同工況下輸氣站場的整理能效水平。

3）正常工況下，重沸器是影響天然氣脫酸和脫水能效評價結果的關鍵設備，冷箱是影響天然氣輕烴回收能效評價結果的關鍵設備；異常工況下，三甘醇貧液質量分數不達標、重沸器熱效率過低、冷箱夾點溫差過大是造成能效水平低下的主要原因。