基于层次分析法的转油站系统能效评价体系研究

司志梅 段志刚 钱钦 常泰 黄作男

1中国石化江苏油田分公司石油工程技术研究院

2江苏油田第二采油厂

3东北石油大学石油工程学院

随着各油田进入“高采出、高含水”的“双高”阶段，油田生产成本日益增加，节能降耗愈发重要。油田转油站是油气集输系统的主要环节，其用能约占地面集输能耗的70%[1]，因此有必要对现有的转油站系统进行用能分析，找出其设备或工艺流程中能耗较大或能损较高的环节，对其进行节能改造，以提高系统用能效率，降低油田生产成本。

目前，国内对转油站系统的节能优化研究多为站内用能设备的优化。闵永明针对转油站泵机组工艺参数进行了优化，使泵机组处于高效功率区间，提高了站场电能的利用率[1]。赵庆来、赵金昕根据现场实际测试结果，计算出加热炉空气系数与加热炉热效率的关系，找出其效率最高时的空气系数，并降低排烟温度，最终达到了提高站场热能利用率的目的[2]。张艳丽、华国海、王力等人针对转油站热力系统构建能量平衡方程，计算出其用能薄弱环节，通过安装加热炉配套设备提高了加热炉的效率[3]。彭澍对转油站能耗成因进行分析，并对站场离心泵设备进行改造，达到了减少转油站电能损耗的目的[4]。

针对采用三管伴热的转油站，站外管道伴热用能由转油站本身提供，单纯的站内设备优化忽略了三管伴热对站内供能的利用及损失[5]情况，对转油站整体的优化效果体现的并不明确。因此针对这类转油站建立一个评价体系，将转油站系统中集油管网与站内流程联系起来，考虑它们之间的相互影响是十分必要的。为全面评价三管伴热集输流程的能效水平，通过引入层次分析理论，将转油站站内设备及下属管网联合在一起，建立能效评价体系，为集输系统节能降耗提供一种新的技术手段[6]。

1 层次分析法

层次分析法（Analytic Hierarchy Process，简称AHP）是指将复杂的多目标决策问题作为一个系统，将目标分解为多个目标或准则，进而分解为多指标（准则）的若干层次，通过定性指标模糊量化方法算出层次单排序（权数）和总排序，以此进行目标（多指标）多方案优化决策的系统方法[7-8]。

层次分析法基本步骤如下：

（1）建立层次结构模型。根据评价的目标，将评价目标列为最高层，将准则列为中间层，各准则的实行方法列为最底层。

（2）构造判断矩阵。对指标体系构造判断矩阵，釆用1～9标度法进行，并根据构造的矩阵，计算各层次指标权重。权重计算时，采用“方根法”求出各矩阵特征向量，并进行归一化处理，其主要方法如下：①判断矩阵中每一行分值乘积② 计算 Ni的 n 次方根，i=1，2，...，n；③对向量进行归一化处理，即为特征向量。

（3）判断矩阵一致性检验。检验所产生的矩阵思维逻辑的一致性，方法如下：①求出各矩阵的最大特征根的指标③求出随机一致性比率其中，R.I.为平均随机一致性指标。

如果C.R.＜0.1，则认为矩阵构建合理；如果C.R.＞0.1，则需要重新调整矩阵，并重新计算及检验其一致性。

（4）层次总排序。对计算的矩阵进行排序，得到最下一层指标对目标层影响的大小。

2 转油站能效指标评价体系

2.1 构建转油站能效指标体系

以江苏油田某区块转油站为例构建转油站能效指标体系（图1）。在此能效指标体系中，将转油站系统划分为转油站热力、转油站电力、站外集油管网三个子系统，对其分别构建黑箱能量平衡模型，并筛选出基础能耗指标，其中G、M、C代表指标。指标体系共分为3层，第一层为考虑各子层综合影响的转油站综合能效系数，第二层为各子系统的能效系数，最后一层为各子系统的基础能耗指标[9-10]。

图1 转油站能效指标体系Fig.1 Energy efficiency index system of oil transfer station

通过建立的基础能耗指标体系，结合现场数据进行计算，找出转油站系统中薄弱的子系统及其薄弱的基础能耗指标。在此基础上对各子系统构建灰箱能量平衡模型，划分用能单元，对用能薄弱的设备进行能效评价，分析其节能潜力，提出改进方案。为了计算能效系数，采用隶属度对各层级指标进行无量纲处理，计算方法如表1所示。

表1 各能效系数隶属度计算公式Tab.1 Formulas for calculating the membership degree of each energy efficiency coefficient

2.2 各层级指标权重计算

（1）构造判断矩阵。根据评价体系构建4组判断矩阵：①转油站热力能效系数、转油站电力能效系数、站外集油管网能效系数关于转油站综合能效系数的判断矩阵（表2）；②转油站燃料消耗量、转油站加热炉效率、转油站热力设备用能效率关于转油站热力能效系数的判断矩阵（表3）；③转油站耗电量、转油站电动机效率、转油站泵效率关于转油站电力能效系数的判断矩阵（表4）；④管道伴热供入能、管道伴热效率、管道能损率关于站外集油管网能效系数的判断矩阵（表5）。

表2 G-M判断矩阵Tab.2 G-Mjudgement matrix

表3 M1-C判断矩阵Tab.3 M1-Cjudgement matrix

表4 M2-C判断矩阵Tab.4 M2-Cjudgement matri

表5 M3-C判断矩阵Tab.5 M3-Cjudgement matrix

（2）计算结果。根据判断矩阵进行各层级指标权重计算，各指标权重均满足一致性检验。将各指标权重计算结果进行层次总排序，结果如表6所示。

表6 层次总排序Tab.6 Hierarchical ordering

2.3 转油站能效评价

该转油站主要工艺流程为分离器→储油罐→外输泵→下一级转油站（图2），其中加热炉对分离器及储油罐进行热水换热保温，并将部分热水外输至站外集油管道进行三管伴热保温。

4个季度现场数据如表7所示。根据现场数据对转油站能效系数进行计算，结果如图3所示。

图2 转油站工艺流程Fig.2 Process flow chart of oil transfer station

图3 各层级能效系数计算结果Fig.3 Calculation results of energy efficiency coefficient in each hierarchy

根据计算结果可以看出，在冬季和秋季转油站及站外集油管网能效系数明显降低。结合指标权重及各能效系数基础指标的数据，冬季能效系数明显减低的原因在于冬季环境温度较低，转油站站场热力设备及集油管道热能损失较大。因此改变冬季时站场设备和站外集油管道的加热热水温度，在其他条件不变情况下，计算改变后的能效系数，并绘制曲线图（图4、图5）。

图4 站外集油管网优化结果Fig.4 Optimization results of gathering pipeline network outside the station

图5 站内热力设备优化结果Fig.5 Optimization results of thermal equipment in the station

根据计算结果可以看出，适当降低加热循环水温度能够有效地提高管道伴热及热力设备的热能利用率，减少散热损失，但过度降低循环水的温度会导致换热时间过长，反而增加了散热损失。根据循环水优化结果，计算优化后的全年转油站能效系数，结果如图6所示。

图6 优化结果Fig.6 Optimization results

将优化前后结果进行对比，在环境温度较低的季节优化效果较好，尤其在冬季优化后节能潜力高达10.8%，这证明了对于三管伴热流程的转油站能耗优化应考虑集油管网与站内设备相互影响的因素。

2.4 优化措施

通过对转油站的能效评价可以发现，对于三管伴热流程这类转油站，其能效水平的高低主要受其站内加热炉及站外管道能效水平的影响，因此针对这两方面提出改善措施。

（1）对于排烟温度较高的加热炉增加余热回收装置，适当降低排烟温度以提高加热炉效率；适当对加热炉结构进行改造，增加对流面积，使其更多地吸收烟气中的热量；采用新型高效的保温隔离装置，增强炉体保温能力，减少散热损失。

表7 现场数据Tab.7 Field data

（2）对三管伴热工艺参数进行优化，降低其换热热水温度，避免过多的热量损失；更换管道保温层，选择保温性能更好的硬质聚氨酯泡沫保温层。

3 结论

采用三管伴热集输的转油站，由于三管伴热的能量主要来源于其上级转油站，对这类转油站单纯地优化其站内加热炉及输油泵的工艺参数并不能起到良好的优化效果。因此引入层次分析法，将转油站内热力、电力系统与站外集油管网列为同一层级，在考虑其相互影响的因素下对转油站进行能效评价，为集输系统能效评价提供了一种有效手段。根据评价体系对转油站进行了整体评价，通过计算能效系数发现，在秋季及冬季时，其能效系数随着环境温度的降低也大幅度下降，在冬季时最低，能效系数仅为0.31，对比夏季的能效系数0.8，差距较大。导致能效系数大幅度降低的原因在于冬季时保温温度过高，而环境温度较低，设备及管道的散热损失较为严重。因此在冬季条件下，可通过改变集油管网伴热循环水及站内设备伴热循环水的温度，从而有效提高站场热能的利用率，降低散热损失，进而提升节能潜力。