基于組合模型的集輸系統綜合能效評價研究

彭飛 （大慶油田有限責任公司第五采油廠）

1 指標體系建立

隨著井口采出液的含水率逐漸升高，油氣田的生產能耗呈逐年上升趨勢，對能耗的管控壓力也越來越大[1]。集輸系統是指將油井采出氣液混合物匯集、處理和輸送的整個工藝系統。受工藝復雜化、設備多樣化、工況多變化的影響，集輸系統成為油氣生產中的耗能大戶[2-3]。

目前，關于集輸系統能效評價已有諸多學者進行了研究，成慶林等[4]、王萍等[5]對輸油泵機組的能效進行了研究，李鵬等[6]、陳浩[7]對加熱爐的能效進行了研究。以上研究均是以提高設備效率、減少用能損失為目的的單一局部性能評價，未從整體上考慮集輸系統的綜合能效，不利于從頂層設計的角度提出技改措施。鑒于此，構建和完善多層級集輸系統綜合能效評價指標，采用組合賦權和TOPSIS 法完成系統用能水平的評價，以期客觀真實地反映系統實際用能情況。

GB/T 33653—2017《油田生產系統能耗測試和計算方法》中規定了多個與集輸系統相關的能耗評價指標，基于黑箱能量平衡模型構建集輸系統綜合能效指標體系（圖1）。目標層為集輸系統綜合能效水平，準則層由聯合站能效水平、轉油站能效水平、管道能效水平和工藝能效水平組成，指標層由基礎能耗指標構成。

圖1 集輸系統綜合能效指標體系Fig.1 System of comprehensive energy efficiency indicator for gathering and transportation system

2 綜合能效評價方法

2.1 指標歸一化處理

圖1 中除工藝能效水平下的基礎能耗指標外，其余能耗指標均為定量值，為避免量綱、數量級不一致造成指標間的不可比性，將其進行歸一化處理。對于正向指標的指標，采用公式（1） 處理，對于反向指標的指標，采用公式（2）處理。

式中：xij為第i個評價對象第j個指標的原始值；yij為第i個評價對象第j個指標的歸一化值；m為評價對象個數；n為指標個數。

對于工藝能效水平下的定性評價指標，采用0～100 的評分進行專家評估，0 分對應水平最差，100 分對應水平最好，再采用公式（1）～（2）進行歸一化處理。

2.2 指標權重計算

采用單一熵權法進行權重賦值時，會因某項指標數值過于集中導致權重分配不合理，故在此引用以專家經驗判斷為依據的G1 法[8]，通過最小鑒別原理將兩者權重融合，形成組合權重，見公式（3）。

式中：wj為組合權重；wj′、wj″分別為主觀權重和客觀權重；Pi為主觀權重按照從小到大排列的順序值；α、β為調和系數。

2.3 TOPSIS 法計算相對貼近度

在利用常規TOPSIS 法進行評價時，視指標屬性為相互獨立，未考慮指標間的相互作用對評價結果的影響，且某項結果可能存在正、負理想解均接近的現象，無法辨別結果準確性[9]。采用灰色關聯分析法可確定不同指標發展趨勢的相似程度，將灰色關聯度和歐式距離法作為兩種與正、負理想解接近程度的計算方式，由此確定相對貼近度。

2.3.1 加權矩陣計算

將組合權重和歸一化矩陣結合，形成加權矩陣Z，zij為矩陣中的數值。

2.3.2 確定正、負理想解

取加權矩陣Z中每項評價指標的最大值作為正理想解即指標值越接近該值越好；取每項評價指標的最小值 作 為 負 理 想 解Z-={minzij|i=1，2，…m}即指標值越遠離該值越好。

2.3.3 計算灰色關聯度和歐式距離

通過公式（5） ～（7） 計算實際能效水平與正、負理想解的貼近程度。

式中：d+i、d-i分別為第i個評價對象與正、負理想解的歐式距離；s+ij、s-ij分別為第i個評價對象第j個指標與正、負理想解的灰色關聯系數；s+i、s-i分別為第i個評價對象與正、負理想解的灰色關聯度；ρ為分辨系數，取0.5。

再將歐式距離和灰色關聯度進行歸一化處理，得到綜合貼近度，計算式為

式中：D+i、Di分別為歐式距離的歸一化結果；分別為灰色關聯系數的歸一化結果；E+為正貼近度，表示不同集輸系統綜合能效水平與最佳運行狀態之間的貼近程度，值越大，能效水平越高；E-為負貼近度，表示不同集輸系統綜合能效水平與最差運行狀態之間的貼近程度，值越大，能效水平越差。

2.3.4 計算相對貼近度

根據綜合貼近度計算相對貼近度fi：

3 實例分析

大慶油田某聯合站所屬集輸系統為例，采用二級布站方式，油井采出液經摻水加熱后輸送至閥組，閥組負責匯集各井組采出液；隨后進入接轉站進行初步油水分離和計量；最后進入聯合站三相分離器和電脫水器進行油、氣、水分離。原油經沉降脫水后，進入負壓穩定裝置，待含水率小于0.5%且飽和蒸氣壓低于當地大氣壓70%后進行外輸。采出水經除油、除懸浮物、殺菌后加壓進入分區注水或摻水環節；伴生氣進入輕烴回收裝置回收C3～C4組分，一部分進入加熱爐為摻水伴熱、原油維溫和站內取暖提供熱量，另一部分經增壓后進入伴生氣管道外輸。

通過SCADA 系統和現場報表記錄，收集2022年1—12 月的各項指標值，利用上述評價方法對能效進行綜合評價，基礎數據見表1。集輸工藝適應性和設備老化程度由集輸、儲運、安全、設備管理等方面的技術專家和操作員工綜合評定。

表1 基礎數據Tab.1 Basic data

其中，燃料消耗量、耗電量、單位液量集輸綜合能耗、單位原油集輸綜合能耗、管道伴熱供給能、管道能損率、設備老化程度等指標與綜合能效水平呈反相關；熱能利用率、電能利用率、伴熱效率和集輸工藝適應性等指標與綜合能效水平呈正相關。根據公式（1）、（2）對表1 中數據進行歸一化處理，以消除量綱對評價結果的影響。

參照2.2 的方法，對歸一化的指標權重進行熵權法計算。熵權法結果中，轉油站電能利用率的權重最大，轉油站只負責對采出液進行預處理，保證采出液可以在滿足水力和熱力的條件下輸送至聯合站，因此權重占比應低于聯合站級別；單位液量集輸綜合能耗和單位原油集輸綜合能耗的權重較小，綜合能耗反映了生產1 t 采出液或原油所消耗的能量，屬于綜合性指標，權重占比應較大。因此，繼續對指標進行G1 法主觀賦權，再通過公式（3）計算組合權重，其中α和β分別為0.75、0.25。組合權重結果中單位液量集輸綜合能耗、集輸工藝適應性、單位原油集輸綜合能耗的權重較大，其中集輸工藝適應性反映了現有管網布局方式與采出液量、地形地貌、能耗水平、運行安全之間的關系。一般而言，三管伴熱工藝的能耗最高，其次為雙管摻水、單管環狀摻水，常溫集輸工藝的能耗最低。該集輸系統從8 月開始進行了節能改造，將原來的三管伴熱工藝改為雙管摻水工藝，剩余的伴熱水管道為備用，故集輸工藝適應性大幅提升。

用G1 法確定準則層的權重，權重從大到小依次為聯合站能效水平、轉油站能效水平、管道能效水平、工藝能效水平。集輸系統綜合能效評價指標權重見表2。

表2 集輸系統綜合能效評價指標權重Tab.2 Weight of comprehensive energy efficiency evaluation indicator for gathering and transportation system

參照公式（4） 對歸一化矩陣進行加權處理，并計算出加權矩陣正、負理想解（表3）。

表3 矩陣加權及正、負理想解Tab.3 Matrix weighting and positive and negative ideal solutions

最后，參照公式（5）～（10）計算該集輸系統在不同月份的相對貼近度（圖2）。不同月份的相對貼近度雖然受正、負貼近度的影響，但明顯與正貼近度的變化趨勢更為接近。其中2 月的相對貼近度最小，2 月聯合站和接轉站的耗電量、耗氣量較大，電能利用率、熱能利用率較低，綜合能耗偏高，故集輸系統的綜合能效水平較差；6 月份的相對貼近度最大，此時地溫較高，從熱力角度出發對管道輸送的要求最低，熱能消耗較好，故集輸系統的綜合能效水平較好。

圖2 不同月份的相對貼近度結果Fig.2 Relative proximity results for different months

4 整改措施

針對耗電量大和電能利用低的站場，從以下方面進行整改：①淘汰不符合國家節能標準的電動機和泵組，采用變頻調速技術，結合PID 控制動態調整轉速與出口閥門開度之間的關系，降低泵出口節流損失和泵管壓差，保持泵運行在高效區間；②利用葉輪切割技術，在泵轉速不變的前提下適應流量減少的工況，降低泵額定排量與實際排量不匹配的現象，但要注意葉輪切割為不可逆過程，切割直徑應控制在10%以下；③對于機組效率較低的泵，有可能是變頻器矢量參數不匹配造成的，重新優化參數，控制50 Hz 以下時關閉變頻器。

針對管道和工藝能效水平低的站場，從以下方面進行整改：①在井下采用保溫隔熱油管工藝，提高采出液的井口溫度；②對站內能量利用率較低的設備停用或并用，提高設備負荷率；③采用水源熱泵、空氣源熱泵等技術回收站內余熱，來用于摻水加熱[10]。

整改前后的優化情況見表4。整改后，每月的單日耗氣量可節約2.0～35.8 m3，每月的單日耗電量可節約5.7～18.6 kWh，節能效果明顯。

表4 整改前后的優化情況Tab.4 Optimization situation before and after rectification

5 結論

基于標準規范，構建了集輸系統綜合能效評價指標體系，并采用組合權重-TOPSIS 法對某油田集輸系統不同月份的能效水平進行了評價，得到如下結論：

1）由于單一指標數據過于集中，導致熵權法的計算結果與現場實際情況不符，通過G1 法調和，得到組合權重中單位液量集輸綜合能耗、集輸工藝適應性、單位原油集輸綜合能耗的權重較大。

2）待評價集輸系統中不同月份的相對貼近度與正貼近度的變化趨勢更為接近，其中2 月的相對貼近度最小，綜合能效水平較差；6 月份的相對貼近度最大，綜合能效水平較好。

3）從水力、熱力和管網角度出發，針對用能薄弱環節，提出了相應的技改措施，節能效果明顯。