油氣田企業(yè)節(jié)能監(jiān)測抽樣方法初探

馬建國 曲志君

（1.中國石油天然氣股份有限公司勘探與生產(chǎn)分公司；2.中國石油天然氣集團(tuán)有限公司節(jié)能技術(shù)監(jiān)測評(píng)價(jià)中心）

0 引言

通過油氣田耗能設(shè)備節(jié)能監(jiān)測（簡稱節(jié)能監(jiān)測），能夠掌握企業(yè)用能設(shè)備的用能狀況和耗能水平，明確節(jié)能降耗改造方向。而設(shè)備總體能效水平與被測試設(shè)備的抽樣代表性有明確的關(guān)系。

目前，節(jié)能監(jiān)測行業(yè)還沒有系統(tǒng)的抽樣標(biāo)準(zhǔn)。常用的抽樣方式是管理部門下發(fā)年度監(jiān)測計(jì)劃，規(guī)定設(shè)備的種類和數(shù)量，被測試單位逐級(jí)分解。在設(shè)備抽樣選取上，通常采用區(qū)塊集中測試。這種抽樣方法能夠在一定程度上反映企業(yè)的用能水平，但缺乏科學(xué)系統(tǒng)的理論依據(jù)，不能全面準(zhǔn)確地反映企業(yè)耗能設(shè)備的總體能耗水平。隨著新井不斷投產(chǎn)及高耗能設(shè)備逐漸淘汰，耗能設(shè)備數(shù)量和運(yùn)行負(fù)荷每年都會(huì)有所變化，企業(yè)的總體能耗水平也在波動(dòng)。因此，為使監(jiān)測數(shù)據(jù)更全面準(zhǔn)確地反映企業(yè)耗能設(shè)備總體能耗水平，有必要制定一套科學(xué)有效、可操作性強(qiáng)的節(jié)能監(jiān)測抽樣方法。

1 樣本選取原則

樣本是取自總體的一個(gè)或多個(gè)個(gè)體，節(jié)能監(jiān)測中的樣本就是被選中待測的耗能設(shè)備。樣本應(yīng)盡可能準(zhǔn)確反映設(shè)備的總體特征，也就是樣本選取應(yīng)提高其反映總體信息的能力。樣本結(jié)構(gòu)越接近總體結(jié)構(gòu)，所選取樣本對(duì)總體信息的代表性越強(qiáng)，反之則越差。

抽樣前，首先需要明確總體目標(biāo)量［1］，即抽樣行為所評(píng)估的具體指標(biāo)，才能更有針對(duì)性地選擇抽樣方法。通過節(jié)能監(jiān)測可得到抽油機(jī)井平均電動(dòng)機(jī)有功功率、加熱爐的平均排煙溫度等許多總體指標(biāo)，其中最能體現(xiàn)設(shè)備耗能水平的指標(biāo)就是效率，如機(jī)采井的系統(tǒng)效率、輸油泵的泵機(jī)組效率、加熱爐的熱效率等。因此，將設(shè)備運(yùn)行效率作為監(jiān)測抽樣的總體目標(biāo)量。被選作樣本的設(shè)備應(yīng)盡可能地將設(shè)備總體效率的結(jié)構(gòu)反映出來，即樣本中設(shè)備效率的分布應(yīng)盡量與總體中的一致。

2 抽樣方法適用性分析

抽樣分為概率抽樣和非概率抽樣。由于非概率抽樣無法使用樣本的結(jié)果對(duì)總體進(jìn)行推斷，因此一般都采用概率抽樣。概率抽樣又分為簡單隨機(jī)抽樣、分層抽樣、系統(tǒng)抽樣、整群抽樣等［2］。

2.1 簡單隨機(jī)抽樣

簡單隨機(jī)抽樣是按照規(guī)定的樣本量從總體中抽取樣本時(shí)，使每個(gè)可能的樣本被抽中的概率相等的一種抽樣方式，是一種最基本的概率抽樣方法。在節(jié)能監(jiān)測抽樣中，當(dāng)總體中設(shè)備效率差異很小時(shí)，可以根據(jù)樣本的數(shù)量要求，隨機(jī)地在總體中抽取設(shè)備個(gè)體。

2.2 分層抽樣

分層抽樣是將設(shè)備總體分隔成互不重疊的子總體，然后在子總體中按照給定的樣本量獨(dú)立地進(jìn)行抽樣的方法。

2.2.1 分層方式

根據(jù)抽樣理論，分層的原則應(yīng)是使層內(nèi)差異盡可能小、層間差異盡可能大，這樣可以提高估計(jì)精度，樣本的代表性比較好［3］。結(jié)合油氣田節(jié)能監(jiān)測實(shí)際情況，建議采用以下兩種分層方式。

1）按設(shè)備屬性分層

油氣田企業(yè)設(shè)備種類多，每一類設(shè)備按規(guī)格型號(hào)又分為若干種類。通常，同類設(shè)備的不同種類之間效率差異較大。因此，當(dāng)對(duì)某一類設(shè)備進(jìn)行分層時(shí)，可以按照規(guī)格型號(hào)來劃分。根據(jù)GB/T 31453—2015《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，將油氣田主要耗能設(shè)備——抽油機(jī)、加熱爐、輸油泵、注水泵按表1進(jìn)行分層。

表1 油氣田主要耗能設(shè)備分類

2）按區(qū)域分層

油氣田企業(yè)地域大，由于地質(zhì)條件差異等因素，下屬各單位設(shè)備總體效率不盡相同。另外，常規(guī)監(jiān)測中，監(jiān)測數(shù)量按照層級(jí)關(guān)系逐級(jí)分解。各級(jí)單位的監(jiān)測結(jié)果不僅是整體的一部分，同時(shí)也代表自身的設(shè)備能耗水平。因此，可以將整個(gè)油氣田企業(yè)當(dāng)作總體，按區(qū)域?qū)⑾聦俑鲉挝粍澐譃榛ゲ恢丿B的子總體。如，某油田有10個(gè)采油廠，可以將設(shè)備總體按采油廠劃分為10層，在每層中進(jìn)行抽樣。

2.2.2 樣本量的分配

在分層抽樣中，通常采用比例分層抽樣來提高樣本的代表性。比例分層抽樣是按各個(gè)層的設(shè)備數(shù)量占總體數(shù)量的比例分配各層的樣本數(shù)量。如，某油田有10個(gè)采油廠，各采油廠抽油機(jī)數(shù)量分別為N1、N2……N10，N為油田各采油廠抽油機(jī)數(shù)量總和。油田應(yīng)抽取的樣本量為n，則各采油廠抽取的樣本量依次為nN1/N、nN2/N……nN10/N。

分層抽樣下樣本量的分配方式影響總體目標(biāo)量的估計(jì)精度。比例分層抽樣是一種最常用的分配方法，當(dāng)層劃分合理時(shí)，該方法通常具有較高的精度。但當(dāng)層的劃分不盡合理、層內(nèi)差異較大時(shí)，比例分層抽樣的估計(jì)精度則較低，此時(shí)可采用奈曼分配法來提高估計(jì)精度。奈曼分配法即各層應(yīng)抽樣本數(shù)與該層總體數(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)差的積成正比。上例中，若采用奈曼分配法，則各采油廠抽取的樣本量依次為其中σ為每層設(shè)備效率的標(biāo)準(zhǔn)差。

奈曼分配法充分考慮了各層內(nèi)部差異的大小，樣本量分配向內(nèi)部差異大的層傾斜，從而改善了樣本在總體內(nèi)的分布情況，使樣本能更好地反映總體特性。σ可以采用歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)計(jì)算，若歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)較少，也可以使用（ηmax-ηmin）/4代替，ηmax、ηmin分別表示該類設(shè)備歷史監(jiān)測的最大效率和最小效率。

奈曼分配法可以看作是對(duì)比例分配樣本代表性的一種補(bǔ)償，可以用于某一類設(shè)備的專項(xiàng)測試。

2.3 系統(tǒng)抽樣

系統(tǒng)抽樣又稱等距抽樣，是將設(shè)備個(gè)體按照一定順序進(jìn)行排列，按照個(gè)體數(shù)量與所要抽取樣本量的比例確定合適的間隔，在總體中抽取樣本。如，要從100臺(tái)設(shè)備中抽取10臺(tái)作為樣本，對(duì)設(shè)備總體的平均效率進(jìn)行估計(jì)。可以先將100臺(tái)設(shè)備按效率從低到高的順序進(jìn)行排序，分別抽取排列第10、20……100臺(tái)的設(shè)備作為樣本。通過這種方法保證樣品在總體中均勻分布，提高樣本的代表性。因此，根據(jù)總體特征選擇適當(dāng)?shù)脑O(shè)備個(gè)體排列順序和抽樣間距可提高總體效率的估計(jì)精度。

實(shí)際監(jiān)測抽樣中，設(shè)備效率是未知的，不能直接利用效率對(duì)設(shè)備個(gè)體進(jìn)行排列，因此需要找到一個(gè)已知的參數(shù)作為輔助指標(biāo)，替代效率進(jìn)行排序。抽樣理論證明，當(dāng)調(diào)查指標(biāo)與輔助指標(biāo)有較高的正相關(guān)性時(shí)，就可以利用輔助指標(biāo)按大小順序?qū)υO(shè)備總體進(jìn)行排列，它可以提供精度較高的估計(jì)，這樣的樣本對(duì)總體有較好的代表性。

通常，在額定效率范圍內(nèi)，設(shè)備的效率隨負(fù)荷率的增加而升高，而負(fù)荷率也與相關(guān)參數(shù)正相關(guān)。如，同一機(jī)型的抽油機(jī)，在動(dòng)液面相等的情況下，產(chǎn)液量越大，電機(jī)負(fù)載率越大，抽油機(jī)井的系統(tǒng)效率越高。同理，加熱爐和機(jī)泵的介質(zhì)流量在一定條件下與設(shè)備效率正相關(guān)，可以作為輔助指標(biāo)進(jìn)行排列。在生產(chǎn)現(xiàn)場，這些參數(shù)都是一次儀表的計(jì)量參數(shù)，可以通過直接觀測得到。日常的生產(chǎn)報(bào)表中也都有記錄，便于提取。系統(tǒng)抽樣時(shí)，可以先利用分層抽樣將設(shè)備總體按照型號(hào)等條件分層，再按照輔助指標(biāo)進(jìn)行排序，確定抽樣間隔后進(jìn)行抽樣。

2.4 整群抽樣

若設(shè)備總體是由許多群組成，而每個(gè)群由若干個(gè)組組成，可采用簡單隨機(jī)抽樣、分層抽樣、系統(tǒng)抽樣三種抽樣方法中的任意一種，以群為單位抽取一定數(shù)量的群，然后再從這些群中抽取一定數(shù)量的設(shè)備組成樣本，這種抽樣方法稱為整群抽樣。

整群抽樣中群的劃分原則與分層抽樣相反，群的劃分應(yīng)盡可能縮小群間差異、擴(kuò)大群內(nèi)差異，這是因?yàn)檎簶颖竟烙?jì)量的方差只與群間方差有關(guān)，與群內(nèi)方差無關(guān)。因此，為了獲得對(duì)總體有較好代表性的整群樣本，劃分群時(shí)應(yīng)使群和群之間盡量相似，群內(nèi)抽樣單元之間差異盡可能大，這樣的整群樣本就能比較好地反映總體特性，使估計(jì)量具有較好的性質(zhì)。

油氣田企業(yè)下屬單位較多，各采油廠之間設(shè)備整體效率差異較大，而同一采油廠下屬采油礦之間以及同一采油礦下屬采油隊(duì)之間，設(shè)備整體效率差異就要小很多。因此，在制定監(jiān)測抽樣方案時(shí)，可以參考?xì)v史監(jiān)測數(shù)據(jù)，若各下屬單位設(shè)備整體效率相近，即設(shè)備總體平均效率和標(biāo)準(zhǔn)差相近，可以將各采油礦或采油隊(duì)當(dāng)作群，將一個(gè)礦或幾個(gè)礦的整體或部分設(shè)備作為采油廠的樣本，同樣可以將一個(gè)隊(duì)或幾個(gè)隊(duì)的整體或部分設(shè)備作為采油礦的樣本。這種方法在實(shí)際監(jiān)測中便于操作，由于只抽取部分單位監(jiān)測，提高了監(jiān)測工作的便利性，在保障監(jiān)測數(shù)量的同時(shí)縮小了監(jiān)測范圍，也降低了監(jiān)測成本。

3 油氣田節(jié)能監(jiān)測抽樣方案

結(jié)合各抽樣方法的特點(diǎn)，根據(jù)油氣田企業(yè)設(shè)備運(yùn)行實(shí)際情況，提出一種適合油氣田節(jié)能監(jiān)測的抽樣方案：油氣田企業(yè)至廠級(jí)單位采用分層抽樣，樣本量按各層設(shè)備數(shù)量與總體的比例進(jìn)行分配；廠級(jí)以下抽樣先將設(shè)備按型號(hào)等條件進(jìn)行分層，再按照與設(shè)備效率正相關(guān)的輔助指標(biāo)進(jìn)行排序，確定抽樣間隔后進(jìn)行抽樣，或者采用整群抽樣，將廠級(jí)單位下屬一個(gè)或幾個(gè)站（隊(duì)）整體或部分作為樣本。抽樣流程如圖1所示。

圖1 節(jié)能監(jiān)測抽樣流程

該抽樣方案在樣本量確定的條件下，使樣本結(jié)構(gòu)與總體結(jié)構(gòu)盡量相同，提高了樣本的代表性。2018年，某油氣田企業(yè)運(yùn)用該抽樣方法，在相同的置信區(qū)間下，重點(diǎn)能耗設(shè)備抽樣數(shù)量下降了14.1%，有效解決了抽樣數(shù)量與樣本代表性的矛盾。

4 結(jié)束語

在節(jié)能監(jiān)測抽樣中，樣本的結(jié)構(gòu)及總體估計(jì)量的性質(zhì)都與抽樣方法有關(guān)，抽樣方法的改進(jìn)將有助于提高樣本的代表性。因此，在現(xiàn)場測試前，應(yīng)根據(jù)被測設(shè)備的具體指標(biāo)特點(diǎn)選擇合適的抽樣方法，使監(jiān)測結(jié)果能夠更加全面精確地反映設(shè)備總體的能效水平。