基于屬性層次-模糊函數(shù)的輸氣站場(chǎng)能效評(píng)價(jià)方法研究

樊耳東（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

輸氣站場(chǎng)在天然氣儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中發(fā)揮著不可替代的作用[1-2]。因其受上游氣源、分輸站點(diǎn)和下游用戶等基本面的影響，運(yùn)行工況波動(dòng)較大，當(dāng)站內(nèi)系統(tǒng)與實(shí)際運(yùn)行工況不匹配時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)高能耗、低效率的工藝或設(shè)備。因此，如何對(duì)站場(chǎng)用能系統(tǒng)進(jìn)行合理評(píng)價(jià)，對(duì)于企業(yè)實(shí)現(xiàn)降本增效顯得尤為重要。

目前，關(guān)于油氣生產(chǎn)系統(tǒng)的能效評(píng)價(jià)已有諸多學(xué)者進(jìn)行了研究。湯晟等[3]以熵權(quán)-灰色關(guān)聯(lián)為基本方法，通過(guò)綜合考慮加熱爐和泵的耗能情況，建立了多層級(jí)集輸系統(tǒng)能效評(píng)價(jià)體系；唐霏等[4]通過(guò)粗糙集理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了增壓站能效評(píng)價(jià)體系，并進(jìn)行了多次訓(xùn)練得到最佳結(jié)果；王軍防等[5]通過(guò)差分算法對(duì)儀長(zhǎng)線管道的沿線開(kāi)泵方案和調(diào)節(jié)閥狀態(tài)進(jìn)行了調(diào)整，調(diào)整后能耗降低15.97%。但以上方法多集中在油氣集輸或管網(wǎng)系統(tǒng)，對(duì)于輸氣站場(chǎng)內(nèi)的應(yīng)用研究較少，且未建立一套完整的、可以清晰反映站場(chǎng)能效系統(tǒng)存在問(wèn)題的評(píng)價(jià)方法。基于此，根據(jù)站場(chǎng)工藝流程特點(diǎn)，建立了涵蓋多層次多指標(biāo)的站場(chǎng)能效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用屬性層次方法確定指標(biāo)權(quán)重，通過(guò)模糊函數(shù)逐級(jí)計(jì)算綜合評(píng)價(jià)值，以期為同類型輸氣站場(chǎng)的能效評(píng)價(jià)提供實(shí)際參考。

1 輸氣站場(chǎng)工藝系統(tǒng)概括

以某典型輸氣站場(chǎng)為例進(jìn)行分析，該站場(chǎng)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(huán)（RSV）輕烴回收工藝。其中脫酸工藝包括吸附和再生兩個(gè)過(guò)程[6]，原料氣經(jīng)分離器脫除游離水和固體顆粒后，從塔底進(jìn)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(zhuǎn)移至MDEA 貧液中后，完成氣體凈化過(guò)程，脫酸后氣體為甜氣，進(jìn)入脫水工藝單元；MDEA 富液從吸收塔底流出，經(jīng)閃蒸、升溫操作后進(jìn)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(huán)。

脫水工藝與脫酸工藝類似，也包括吸附和再生兩個(gè)過(guò)程，只是吸收劑變?yōu)門EG，故不再贅述[7]。

輕烴回收工藝?yán)脙艋瘹庵胁煌M分的冷凝溫度不同，從而實(shí)現(xiàn)天然氣的有效分離和產(chǎn)品價(jià)值的提升[8]。天然氣先進(jìn)入深冷裝置后，進(jìn)入低溫分離器，低溫分離器氣相出口分為兩個(gè)流股，一股通過(guò)膨脹機(jī)降壓降溫后進(jìn)入脫甲烷塔，另一股再次通過(guò)冷箱預(yù)冷后進(jìn)入脫甲烷塔。低溫分離器液相通過(guò)節(jié)流閥節(jié)流降溫后進(jìn)入脫甲烷塔，脫甲塔頂部的產(chǎn)品氣經(jīng)復(fù)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(nèi)提供冷量。從脫甲烷塔塔底流出的液烴根據(jù)需要依次經(jīng)過(guò)脫乙烷塔和脫丁烷塔分離出乙烷、穩(wěn)定輕烴和液化石油氣。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

根據(jù)輸氣站場(chǎng)工藝為脫酸、脫水和輕烴回收三個(gè)工藝建立輸氣站場(chǎng)能效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，從能耗、效率及指標(biāo)等方面對(duì)能效進(jìn)行定量描述，其中影響脫酸工藝系統(tǒng)能效的因素有脫酸系統(tǒng)效率、脫酸系統(tǒng)能耗和脫酸工藝指標(biāo)，影響脫水工藝和輕烴回收工藝系統(tǒng)能效的因素與脫酸工藝類似，故不再贅述。輸氣站場(chǎng)能效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系見(jiàn)表1。

3 指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算

考慮到層次分析法在計(jì)算指標(biāo)權(quán)重時(shí)，需對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，重復(fù)性操作較多，故在此采用屬性層次方法確定指標(biāo)權(quán)重，以避免指標(biāo)間冗余或重復(fù)信息相互影響的現(xiàn)象[9]。先在層次分析法的基礎(chǔ)上構(gòu)建1～9 標(biāo)度的判斷矩陣aij，隨后利用公式（1）將其轉(zhuǎn)化為屬性矩陣uij，最后由公式（2）計(jì)算指標(biāo)權(quán)重wi。見(jiàn)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(tǒng)能效B1 為例進(jìn)行分析，按照標(biāo)度判斷指標(biāo)影響程度，B1 的判斷矩陣見(jiàn)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(quán)重見(jiàn)表3。

表3 B1 的屬性矩陣和權(quán)重Tab.3 Attribute matrix and weight of B1

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

4 模糊函數(shù)的計(jì)算

在對(duì)輸氣站場(chǎng)進(jìn)行能效評(píng)價(jià)時(shí)，需對(duì)表1 中的指標(biāo)值進(jìn)行無(wú)量綱化處理，即計(jì)算指標(biāo)值的隸屬度。針對(duì)“貧MDEA 循環(huán)泵效率”這類正向指標(biāo)采用公式（3）的升嶺型模糊函數(shù)處理，針對(duì)“單位系統(tǒng)電耗”這類反向指標(biāo)采用公式（4）的降嶺型模糊函數(shù)處理[10]。見(jiàn)式（3）、式（4）：

式中：xi為第i個(gè)指標(biāo)的運(yùn)行值；a、b為指標(biāo)下限和上限。a、b的值根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和SCADA 系統(tǒng)數(shù)據(jù)閾值范圍選取，如“三甘醇貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)”應(yīng)維持在95%以上，以保證脫水后的干氣露點(diǎn)滿足低于環(huán)境溫度5 ℃的要求，輸氣站場(chǎng)能效評(píng)價(jià)指標(biāo)上、下限及模糊函數(shù)見(jiàn)表4。

表4 輸氣站場(chǎng)能效評(píng)價(jià)指標(biāo)上、下限及模糊函數(shù)Tab.4 Upper limit，lower limit and fuzzy function of energy efficiency evaluation index of gas transmission station

在得到各指標(biāo)的隸屬度后，將其乘以100，得到各指標(biāo)的量化值F(xi)，隨后再結(jié)合得到的權(quán)重，進(jìn)行線性加和得到單指標(biāo)評(píng)價(jià)值，最后逐層向上計(jì)算得到目標(biāo)層的綜合評(píng)價(jià)值。見(jiàn)式（5）、式（6）：

式中：Ui為第i個(gè)準(zhǔn)則層指標(biāo)的評(píng)價(jià)值；ωij為第i個(gè)準(zhǔn)則層下屬第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

收集該輸氣站正常和異常工況下的數(shù)據(jù)，運(yùn)用屬性層次-模糊函數(shù)的方法進(jìn)行能效判斷，正常工況下輸氣站場(chǎng)的能效評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表5、異常工況下輸氣站場(chǎng)的能效評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表6。

表5 正常工況下輸氣站場(chǎng)的能效評(píng)價(jià)結(jié)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(chǎng)的能效評(píng)價(jià)結(jié)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(tǒng)能耗的評(píng)價(jià)值較高，表明現(xiàn)階段能效水平及工藝適應(yīng)性良好。從單工藝系統(tǒng)看，脫水系統(tǒng)的能耗評(píng)價(jià)值較高，這與三甘醇貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，當(dāng)前脫水深度較大有關(guān)；重沸器是影響天然氣脫酸和脫水能效評(píng)價(jià)結(jié)果的關(guān)鍵設(shè)備，冷箱是影響天然氣輕烴回收能效評(píng)價(jià)結(jié)果的關(guān)鍵設(shè)備。異常工況下各系統(tǒng)能效的評(píng)價(jià)值較低，表明現(xiàn)階段能效水平及工藝適應(yīng)性較差。從單工藝系統(tǒng)看，輕烴回收系統(tǒng)的能耗評(píng)價(jià)值較低，三甘醇貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)不達(dá)標(biāo)、重沸器熱效率過(guò)低、冷箱夾點(diǎn)溫差過(guò)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(guò)GB 17820—2018《天然氣》中關(guān)于一類天然氣的要求，其攜帶的酸性物質(zhì)會(huì)進(jìn)一步腐蝕后續(xù)脫水系統(tǒng)和輕烴回收系統(tǒng)的設(shè)備及管道，造成能效評(píng)價(jià)值持續(xù)下降。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及措施改進(jìn)

針對(duì)表6 中的異常工況，提出如下改進(jìn)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(duì)富甘醇溶液進(jìn)行攪動(dòng)，使停留在富甘醇中的水蒸氣逸出，同時(shí)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(diǎn)技術(shù)換熱理論，對(duì)輕烴回收工藝中的冷箱進(jìn)行換熱調(diào)整，調(diào)整原則為熱流體放熱溫度不覆蓋夾點(diǎn)溫度、溫度比夾點(diǎn)溫度高的熱流體不使用公共熱源、溫度比夾點(diǎn)溫度低的熱流體不使用公共冷源，調(diào)整后預(yù)冷冷箱和過(guò)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(shè)備的能耗差異較大，參照GB/T 2589—2020《綜合能耗計(jì)算通則》中的相關(guān)辦法，將站場(chǎng)中電能和熱能進(jìn)行系數(shù)折算，得出措施改進(jìn)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(gè)站場(chǎng)的比功耗從1.792 kWh/kg 降低至1.354 kWh/kg，降幅24.44%。

6 結(jié)論

1）通過(guò)逐層分析輸氣站場(chǎng)的工藝流程，建立了包含目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層在內(nèi)的能效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

2）通過(guò)屬性層次方法確定了不同指標(biāo)的權(quán)重，避免了一致性檢驗(yàn)的繁瑣性，利用嶺型模糊函數(shù)確定了正向指標(biāo)和反向指標(biāo)的隸屬度，逐級(jí)確定了不同工況下輸氣站場(chǎng)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(píng)價(jià)結(jié)果的關(guān)鍵設(shè)備，冷箱是影響天然氣輕烴回收能效評(píng)價(jià)結(jié)果的關(guān)鍵設(shè)備；異常工況下，三甘醇貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)不達(dá)標(biāo)、重沸器熱效率過(guò)低、冷箱夾點(diǎn)溫差過(guò)大是造成能效水平低下的主要原因。