原油長輸管道系統重點耗能單元用能評價與節能應用研究

成慶林 王 爽 楊金威 張學強 季 帥

（1.東北石油大學 提高油氣采收率教育部重點實驗室；2.中油國際管道有限公司）

某長輸原油管道全長965 km，沿線設置有4座泵站，共計16臺輸油主泵，當前輸量為1 100～1 500萬噸/年，承擔著重要的輸油任務，但生產運行中存在運行能效低、能量消耗大的問題［1，2］。因此，需要識別該管道的重點耗能單元，并進行能耗監測，對重點耗能單元的用能情況做出準確判斷，以此為依據調整運行方案，達到節能降耗的目的。

在改善原油管道系統用能情況的過程中，需要進行重點耗能單元識別、能耗監測、用能評價、運行方案調整4個環節。其中重點耗能單元的用能評價是核心環節，評價的方法有很多種，如單指標評價、層次分析法多指標評價、主成分分析法多指標評價等，各種方法均有其局限性和適用范圍［3～6］。孫超等基于泵機組能效參數計算模型，設計開發了離心泵機組能效評價系統，監測設備的能效情況［7］。趙彥東等基于模糊數學理論建立離心泵系統能耗評價體系，分析影響能耗的主要因素，并找到泵機組的用能薄弱環節［8］。姜思雪從注水泵、電機、注水管網、電網4個方面找到影響注水泵能耗的關鍵點，分析泵的有功功率、電機效率等能效參數，從而提出優化措施，實現降低生產成本的目標［9］。

目前，用能評價方法主要依靠能效參數的值進行評價，只能判斷各項能效參數是否達到合格水平，相互之間的定量對比和整體系統的用能水平量化都無法完成，無法深入剖析其內在機制。因此筆者對該原油管道系統重點耗能單元進行識別，并對重點耗能單元進行節能監測現場測試，分析重點耗能單元能效指標的達標情況，再從多目標綜合評價角度判別其整體能耗水平，進而提出合適的運行方案，以實現管道系統的高效低耗運行。

1 管道系統節能重點單元識別

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

1.1 建立能效指標評價體系

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

圖1 輸油管道能效指標評價體系

1.2 構造輸油管道系統判斷矩陣

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

表1 G-M判斷矩陣及權重

表2 M1-C判斷矩陣及權重

表3 M2-C判斷矩陣及權重

1.3 輸油管道系統判斷矩陣一致性檢驗

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

表4 判斷矩陣一致性檢驗

1.4 層次總排序

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

表5 C層對G層的權重

綜合以上各表可知，泵站能效對管道系統能效影響最大，權重為0.666 7，而輸油管道權重僅為0.333 3。結果表明，原油管道本身的節能空間相對有限，應將泵站部分或者輸油泵機組作為管道系統節能工作的重點。

2 管道系統節能重點單元能耗監測

根據 《油田生產系統節能監測規范》（GB/T 31453—2015）等國家行業標準，確定輸油泵機組的能耗評價指標，給出該原油管道全線機泵能效測算方法，可根據節能監測實測基礎數據計算出輸油泵的效率、耗電量等能耗指標，持續跟蹤評估泵機組性能變化，同時初步分析泵系統存在的問題，為預防性維護決策提供支持。

2.1 能耗指標及計算方法

根據GB/T 12497—2006 《三相異步電動機經濟運行》、GB/T 31453—2015 《油田生產系統節能監測規范》、SY/T 6275—2007《油田生產系統節能監測規范》、GB/T 16666—2012 《泵類液體輸送系統節能監測》等國家行業標準確定輸油泵機組的能耗評價指標為電機運行效率、泵運行效率、功率因數、噸·百米耗電量，輸油泵機組的評價指標體系如圖2所示。

圖2 輸油泵機組的評價指標體系

各個評價指標的計算方法見表6。

2.2 節能監測實例分析

根據表1中各指標的計算方法對該原油管道16臺泵機組的能耗情況進行計算，按照標準GB/T 16666—2012《泵類液體輸送系統節能監測》、SY/T 6275—2007《油田生產系統節能監測規范》、GB/T 31453—2015 《油田生產系統節能監測規范》的要求，分別判斷了16臺泵機組各個指標的合格情況，統計結果見表7。

表7 泵機組監測數據表

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

圖3 泵機組效率節能監測結果

通過各個指標的數值只能定性判斷設備用能是“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組進一步開展了多個目標不同權重的節能監測綜合評價研究。

3 管道系統節能重點單元多指標綜合用能評價

3.1 評價方法

基于現有層次分析、專家打分等方法用以評價設備效能，通常依靠多數專家的工作經驗與主觀判斷來確定評價指標的相應權重，主觀性較強，考慮將熵權法與灰色關聯法結合形成基于熵權-灰色關聯法的多指標綜合評價技術體系，以實現對輸油泵機組客觀、合理的綜合節能評價［15～18］。該方法的技術路線圖如圖4所示。

圖4 基于熵權-灰色關聯法的多指標綜合評價方法技術路線

基于熵權-灰色關聯法的多指標綜合評價方法計算步驟如下［19，20］。

確定參考序列和比較序列。

設有m個被評價泵機組，n個評價指標：

評價母序列：

比較子序列：

原始數據的無量綱處理。

指標值越大越好的情況：

指標值越小越好的情況：

計算熵值。

根據熵的定義，可以確定評價指標的熵為：

計算評價指標的熵權集W。

計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：

計算關聯系數。

計算關聯度。

3.2 評價結果

在節能監測現場測試數據基礎上，通過熵權-灰色關聯評價法對泵機組進行綜合評價，可以得到各指標對泵機組用能情況的影響程度并分析出其用能薄弱環節，同時可以對所有泵機組的用能情況進行排序。

首先要依據已有樣本確定參考序列（理想方案），參考GB/T 34165—2017《油氣輸送管道系統節能監測規范》等規范中對各個評價指標限定值的規定，篩選出各評價指標均合格的泵機組作為評價泵機組的有效樣本序列。然后分析確定有效樣本中各評價指標的最優值x0=｛x0（1），x0（2），…，x0（n）｝，并以此作為評價泵機組參考序列。從有效樣本序列中挑選各評價指標的最優值作為參考序列 （理想方案），記為x0=｛80.47，96.96，0.95，0.34｝，再對指標矩陣進行無量綱化，計算各指標下各個樣本的比重pij，根據公式（7）計算各項指標的權值（表8）。

表8 各項指標的權值

從計算結果可以看出，評價指標的權重由大到小依次為：泵運行效率、功率因數、電機運行效率、噸·百米耗電量。

接下來，計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。根據式（9）計算關聯系數，結合熵權法所求的權重得到關聯度（表9）。

表9 關聯系數和關聯度

根據表9中的數據，繪制了關聯度柱狀圖（圖5）。關聯度越大，表明泵機組各項評價指標的數值越趨于最優序列的數值，說明泵機組的運行性能越好。圖5所示結果顯示，運行狀態最優的是8#站3號外輸泵，此泵機組處于節能運行狀態。運行狀況最差的為11#站1號外輸泵，其指標序列為［0.769 0.910 0.790 0.390］，可以看出該泵機組功率因數和電機效率相對其他泵機組較低。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評價指標值更高的相同型號的泵機組，以減少管道全線的經濟成本。

圖5 關聯度柱狀圖

3.3 評價應用

由上述評價結果可知，同一泵站內，更換關聯度較大的泵機組工作會減少管道全線的經濟成本，以該管道某日的生產數據為例，對開泵方案調整前后進行耗電成本計算。首站壓力為3.68 MPa，進站溫度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 ℃，按照耗電量計算公式進行計算，得到全線實際運行參數及能耗計算結果見表10。

表10 某日全線實際運行參數及能耗計算結果

再根據上一節的評價結果，該方案原使用8#站4號泵，其關聯度為0.66，而同一泵站內3號泵的關聯度為0.80，因此筆者將4號泵更改為3號泵工作，之后計算同等輸量下的工況，得到調整開泵方案后全線運行參數及能耗的計算結果，詳見表11。

表11 調整方案后全線運行參數及能耗計算結果

經過調整后，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，節省電費約6萬元/年，減少了管道全線的運行成本，由此可見，管道系統的用能評價工作對管道節能降耗具有重要推動意義。

4 結論

4.1 構建了原油管道系統多層次的能效評價體系，采用層次分析法給出系統能效三層次單排序和總排序，結果表明，輸油泵站權重在第二層次中最高，為0.666 7，應是系統節能監測與技術改造的重點單元。

4.2 根據GB/T 31453—2015《油田生產系統節能監測規范》等相關國家行業標準確定了該原油管道泵機組的能耗評價指標為電機運行效率、泵運行效率、功率因數、噸·百米耗電量，給出了各能耗指標的計算方法，根據節能監測生產數據得到各泵機組的能耗指標數據，不僅可初步評價泵機組用能水平，還可持續跟蹤泵機組性能變化。

4.3 提出多指標熵權-灰色關聯綜合評價方法，可同時實現泵機組系統整體用能評價與局部薄弱環節識別，應用分析表明，16臺輸油主泵中關聯度最大的是8#站3號泵，處于節能運行狀態，關聯度最小的是11#站1號泵，運行效果最差，應為下步節能技改的重點設備。

4.4 根據泵機組用能評價結果調整開泵方案，在同一泵站內，由關聯度較大的泵機組代替關聯度小的同型號泵機組工作，可減少了管道全線的運行成本，由此可見，管道系統的用能評價工作對管道節能降耗具有重要推動意義。