輸油管道重點耗能單元評價與節能措施研究

王晶巖 （大慶油田有限責任公司儲運銷售分公司）

隨著國家工業化進程的不斷推進，能源問題成為制約國民經濟發展的重要瓶頸。我國原油消費量遠高于國內原油生產總量，對外依存度較高，使國內原油的生產供應時刻處于緊張狀態。管道輸送是原油長距離運輸的最主要方式，我國建設了中俄原油、中緬原油、沿江輸送、華南內送等多條管道，為解決能源緊張、保障能源安全發揮了重要作用[1]。考慮到我國所產原油多采用熱流輸送工藝，一方面為油流提供壓能克服各項摩阻損失和高程損失，另一方面為油流提供足夠的熱量，使輸送溫度高于凝點，防止堵管現象發生。

目前，已有諸多學者針對輸油管道的能耗優化問題進行了研究，王偉達[2]以總運行費用最低為目標函數，通過約束條件限制開泵方案，采用蟻群算法實現了管道全線熱力和水力參數的優化；張東[3]針對輸油管道運行費用高的問題，利用蟻群算法優化了動力方案；成慶林等[4]基于動態規劃法，對輸油泵和加熱爐的組合方案進行了優化求解，得到了當前輸量下的最低能耗方案。但以上研究多以單一工況為主，研究穩態情況下的節能方案，未對重點耗能設備進行識別，也未充分利用現場獲取的節能監測數據，對數據的挖掘深度不夠。基于此，在對輸油管道重點耗能單元進行識別的基礎上，對耗能設備指標進行監測，并結合多種模型對泵機組的綜合用能水平進行評價。

1 重點耗能單元識別

某輸油管道投產于2018 年，全長430 km，管徑D219 mm×7.5 mm，設計年輸量100×104t，沿線共有4 個熱泵站（首站、1#站、2#站、3#站），每個熱泵站中有4 臺輸油泵和4 臺加熱爐，根據輸量要求和工況條件，熱泵站采用不同的開泵和開加熱爐方案。在運行過程中，存在單位輸油綜合能耗高（該管道為19.5～27.6 kgce/104t·km，油田其余輸油管道平均值為12.6 kgce/104t·km）、運行效率低等問題，說明該管道存在較大的節能潛力，需進行系統能耗評價。

輸油管道的能量損失包括水力損失和熱力損失，前者與泵、電動機、傳動系統等設備有關，后者與加熱爐、電加熱器、電伴熱器等設備相關[5]。依據GB/T 33653—2017《油田生產系統能耗測試和計算方法》、GB/T 31453—2015《油田生產系統節能監測規范》等規范的要求，根據流程走向，將輸油管道能效系數分為泵站能效系數、熱站能效系數和管道能效系數三部分，并通過專家經驗構建判斷矩陣，通過層次分析法確定重點耗能單元，輸油管道能效指標體系見圖1。其中，噸液千米耗電和噸液千米耗油是在原標準單位原油集輸綜合能耗的基礎上，增加了距離對能耗的影響，這樣可以反映熱力損失和水力損失之間的相互作用關系；電能利用率和熱能利用率為設備或站場出口處介質具有的能量與供給能量、輸入端介質代入能量之和的比值；單位長度溫降、單位長度壓降反映了環境條件、油品物性、管道參數和運行工況等對熱力、水力損失的影響；管道能量損失率為管道出口、進口能量差與管道進口能量的比值，不區分管道內部流體之間的能量轉化，反映了管道能量的利用程度；總傳熱系數根據蘇霍夫公式反算獲得，反映了熱油管道的散熱性能和保溫性能。

圖1 輸油管道能效指標體系Fig.1 Energy efficiency index system of oil pipeline

按照上述分析，對圖1 中的C 級指標進行全年隨機性測試，部分輸油管道數據監測結果見表1。采用隨機森林模型評價表1 數據中不同指標對輸油管道能效系數的影響。隨機森林模型是從決策樹模型演變而來，采用重抽樣的方法從訓練集中隨機抽取形成樣本集，并通過遞歸分類樹，以“平均準確度下降”的思想衡量分類效果[6]。公式為：

表1 輸油管道數據監測結果（部分）Tab.1 Monitoring results of oil pipeline data (part)

式中：ηMDA為平均下降基尼指數；n為樹個數；t為節點數；Bt為節點t的數據誤差。MDA值越大，表示該指標對節點觀測值的影響程度越大。

對MDA 值計算結果進行降序排列，結果見圖2。重要程度排名前3 項的指標依次為噸液千米耗電、電能利用率和單位長度壓降，排名后3 項的指標依次為噸液千米耗油、熱能利用率和總傳熱系數，說明泵站能效系數對輸油管道能耗的影響較大，而熱站能效系數的影響較小，管道能效系數的影響適中。管道自身的節能空間有限，重點耗能及節能單元為輸油泵機組。

圖2 基于MDA 值的降序排列Fig.2 Descending arrangement based on MDA values

2 重點耗能單元綜合用能水平評價

在對輸油泵機組進行綜合用能水平評價前，需確定泵機組的評價指標。根據現場工況及標準要求，初步將功率因數、節流損失率、泵機組效率、泵輸出功率和外輸負載率等作為評價指標，16 臺輸油泵的實測數據結果見表2。其中，只有功率因數、節流損失率、泵機組效率在GB/T 31453—2015中規定了節能限定值和節能評價值，滿足功率因數限定值的合格率為62.5%，滿足節流損失率限定值的合格率為81.2%，滿足泵機組效率限定值的合格率為62.5%，說明泵機組的運行效率較低，中間能量損失較大。以上只能對泵機組進行定性評價，無法衡量重點耗能單元的綜合用能水平。

表2 輸油泵實測數據結果（部分）Tab.2 Measured data results of oil pump (part)

針對表2 的數據，采用對非線性、非正態數據適應性更好的Spearman 相關系數法，計算和判斷指標間的相互關系，以剔除不重要或重復性指標[7]，相關系數計算結果見表3。其中，泵機組效率與功率因數、節流損失率的相關系數為負值，說明隨著功率因數和節流損失率的增加，泵機組效率降低；泵機組效率、泵輸出功率和外輸負載率的相關系數為正值，說明隨著泵輸出功率和外輸負載率的增加，泵機組效率增加。此外，泵機組效率與泵輸出功率的相關系數最大（0.558 8），說明兩者之間存在較多的冗余信息，應將泵輸出功率剔除指標體系，最終形成的指標體系滿足獨立性、可比性和完整性的要求。

表3 相關系數計算結果Tab.3 Calculation results of correlation coefficients

隨后，基于實測數據，采用熵權法確定不同指標的權重，綜合用能指標數量結果見表4。其中，泵機組效率的權重最大，該指標體現了泵出口調節閥后有功功率與電動機視在功率的比值，屬于綜合性指標。

表4 輸油泵機組綜合用能指標權重結果Tab.4 Weight results of comprehensive energy consumption index of oil pump unit

為充分考慮綜合用能水平，采用熵權-灰色關聯法對16 臺泵機組能效進行排序。首先，對原始數據按照成本型和效益型指標進行分類，對其進行無量綱化處理；其次，選取有效樣本中評價指標的最優值作為參考序列，其余數據作為比較序列，計算最大絕對差值和最小絕對差值；最后，計算關聯系數，并根據熵權權重計算結果對關聯系數進行加權獲取灰色關聯度，以彌補關聯系數平均值無法反映指標間關聯程度的缺點[8-10]。公式為：

式中：ri為第i臺輸油泵的灰色關聯度；n為評價指標個數；ωj為第j個指標權重；ξi(j)第i臺輸油泵第j個指標的關聯系數。

輸油泵機組的關聯度及排序情況見表5。其中，運行狀態最好的泵機組為2#站2#泵，其功率因數和節流損失率滿足節能限定值，泵機組效率滿足節能評價值，外輸負載率在16 臺輸油泵中排名較高，綜合因素影響下灰色關聯度排名第1。運行狀態最差的泵機組為3#站3#泵，其功率因數和泵機組效率均未達到節能限定值，外輸負載率較小，能量損失較大。

表5 輸油泵機組的關聯度及排序情況Tab.5 Correlation degree and ranking of oil pump units

3 節能措施研究

在制定輸油管道運行方案時，應優先選用同一泵站內灰色關聯度較大的輸油泵機組作為動力設備，以減少管道全線的經濟成本。以2023年3月20日為例，改進前后的能耗計算結果見表6。運行方案改進后，原站內運行效果較差的泵機組更換為運行效果較好的泵機組，1#站的開泵數量由2 臺變為1臺；除1#站與2#站間，其余站間壓降均有所下降；噸液千米耗電和熱能利用率也有不同程度的提升。不同泵站的日節電量821.91～2 671.24 kWh，日節電共計6 917.82 kWh，根據全年不同環境溫度和輸送工況核算運行方案，預計每年可節電250×104kWh，按照工業電費0.6 元/kWh 核算，預計每年可節約運行費用150 萬元。

表6 改進前后的能耗計算結果Tab.6 Calculation results of energy consumption before and after improvement

此外，針對節流損失率較高的泵機組，應取消出口節流閥，改為安轉變頻調速裝置，以減少節流帶來的能量消耗；正常的功率因數0.8～0.9，針對功率因數較小的泵機組，應提高電壓合格率和電能質量；對于其余指標值均較好，但泵機組效率不滿足節能限定值的設備，直接更換高性能、低能耗的節能設備或對泵葉輪進行10%～20%的切割，以減少實際排量與額定揚程不匹配的現象。

4 結論

1）基于規范要求和工藝流程走向，建立了以輸油管道能效系數為目標層的能效指標體系，并采用隨機森林模型對不同指標的重要程度進行了評價，影響程度從大到小依次為泵站能效系數、管道能效系數和熱站能效系數。

2）針對泵站這一重點耗能單元，先后采用相關系數和熵權-灰色關聯對影響輸油泵機組用能水平的指標進行了分析，泵機組效率屬于綜合性指標，其權重值最大，泵輸出功率屬于冗余指標，應予以去除。

3）將泵站內灰色關聯度較小的設備替換為灰色關聯度較大的設備，運行方案改進后，噸液千米耗電和熱能利用率等反映泵站能效系數的指標均有不同程度提升，節能效果顯著。