原油长输管道系统重点耗能单元用能评价与节能应用研究

成庆林 王 爽 杨金威 张学强 季 帅

（1.东北石油大学 提高油气采收率教育部重点实验室；2.中油国际管道有限公司）

某长输原油管道全长965 km，沿线设置有4座泵站，共计16台输油主泵，当前输量为1 100～1 500万吨/年，承担着重要的输油任务，但生产运行中存在运行能效低、能量消耗大的问题［1，2］。因此，需要识别该管道的重点耗能单元，并进行能耗监测，对重点耗能单元的用能情况做出准确判断，以此为依据调整运行方案，达到节能降耗的目的。

在改善原油管道系统用能情况的过程中，需要进行重点耗能单元识别、能耗监测、用能评价、运行方案调整4个环节。其中重点耗能单元的用能评价是核心环节，评价的方法有很多种，如单指标评价、层次分析法多指标评价、主成分分析法多指标评价等，各种方法均有其局限性和适用范围［3～6］。孙超等基于泵机组能效参数计算模型，设计开发了离心泵机组能效评价系统，监测设备的能效情况［7］。赵彦东等基于模糊数学理论建立离心泵系统能耗评价体系，分析影响能耗的主要因素，并找到泵机组的用能薄弱环节［8］。姜思雪从注水泵、电机、注水管网、电网4个方面找到影响注水泵能耗的关键点，分析泵的有功功率、电机效率等能效参数，从而提出优化措施，实现降低生产成本的目标［9］。

目前，用能评价方法主要依靠能效参数的值进行评价，只能判断各项能效参数是否达到合格水平，相互之间的定量对比和整体系统的用能水平量化都无法完成，无法深入剖析其内在机制。因此笔者对该原油管道系统重点耗能单元进行识别，并对重点耗能单元进行节能监测现场测试，分析重点耗能单元能效指标的达标情况，再从多目标综合评价角度判别其整体能耗水平，进而提出合适的运行方案，以实现管道系统的高效低耗运行。

1 管道系统节能重点单元识别

在泵站单元，原油管道系统的能量损失主要分布于输油泵、电机及传动系统等；在管道单元，主要包括沿程阻力损失、热力损失及介质泄漏损失等［10］。因此，管道系统能效评价体系包括输油泵站与输油管道两个子系统单元，这两个子系统又具有各自不同的耗能评价指标。针对该原油管道输送系统，采用层次分析法构建了多层次的能效评价体系，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，以解决复杂的多指标、多方案优化决策问题［11～13］。

1.1 建立能效指标评价体系

根据能耗组成构建输油管道系统能效指标评价体系，其中G层为管道系统能效系数，M层分别为泵站能效系数和管段能效系数；C层选取的基础能效指标分别为吨液耗电量、电能利用率、单位长度温降、单位长度压降和损输比，所构建的评价体系如图1所示。

图1 输油管道能效指标评价体系

1.2 构造输油管道系统判断矩阵

根据输油管道系统能效指标评价体系构建判断矩阵［14］：泵站能效系数（M1）、管段能效系数（M2）相关管道系统能效系数（G）；吨液耗电量（C1）、电能利用率（C2）相关泵站能效系数（M1）；单位长度温降（C3）、单位长度压降（C4）和损输比（C5）相关管段能效系数（M2），分别计算判断矩阵的最大特征根和特征向量，由此确定对应的权重，3组判断矩阵及权重列于表1～3。

表1 G-M判断矩阵及权重

表2 M1-C判断矩阵及权重

表3 M2-C判断矩阵及权重

1.3 输油管道系统判断矩阵一致性检验

通过对判断矩阵计算可知：G-M和M-C的判断矩阵构建合理，均通过一致性检验（CR<0.1）。具体计算结果见表4。

表4 判断矩阵一致性检验

1.4 层次总排序

C层对G层的权重为M层对G层权重与C层对M层权重的乘积，由此可通过计算得出C层对G层的权重（表5）。

表5 C层对G层的权重

综合以上各表可知，泵站能效对管道系统能效影响最大，权重为0.666 7，而输油管道权重仅为0.333 3。结果表明，原油管道本身的节能空间相对有限，应将泵站部分或者输油泵机组作为管道系统节能工作的重点。

2 管道系统节能重点单元能耗监测

根据 《油田生产系统节能监测规范》（GB/T 31453—2015）等国家行业标准，确定输油泵机组的能耗评价指标，给出该原油管道全线机泵能效测算方法，可根据节能监测实测基础数据计算出输油泵的效率、耗电量等能耗指标，持续跟踪评估泵机组性能变化，同时初步分析泵系统存在的问题，为预防性维护决策提供支持。

2.1 能耗指标及计算方法

根据GB/T 12497—2006 《三相异步电动机经济运行》、GB/T 31453—2015 《油田生产系统节能监测规范》、SY/T 6275—2007《油田生产系统节能监测规范》、GB/T 16666—2012 《泵类液体输送系统节能监测》等国家行业标准确定输油泵机组的能耗评价指标为电机运行效率、泵运行效率、功率因数、吨·百米耗电量，输油泵机组的评价指标体系如图2所示。

图2 输油泵机组的评价指标体系

各个评价指标的计算方法见表6。

2.2 节能监测实例分析

根据表1中各指标的计算方法对该原油管道16台泵机组的能耗情况进行计算，按照标准GB/T 16666—2012《泵类液体输送系统节能监测》、SY/T 6275—2007《油田生产系统节能监测规范》、GB/T 31453—2015 《油田生产系统节能监测规范》的要求，分别判断了16台泵机组各个指标的合格情况，统计结果见表7。

表7 泵机组监测数据表

由表7可知，泵运行效率的平均值76.54%，电机运行效率的平均值94.06%，泵机组平均效率为71.98%，机泵效率的合格率为87.5%，整体来说运行状态良好，而达到节能值的机泵只占18.75%，部分泵机组偏离节能值较远，具体如图3所示。泵机组的功率因数平均值为0.91，合格率为62.5%，正常功率因数在0.80～0.90左右，大部分泵机组处于良好的运行状态。泵机组吨·百米耗电量的平均值为0.39 kW·h，4个中间泵站内只有一台泵机组吨百米耗电量大于限定值0.46 kW·h，其他15台泵机组均达到了节能监测的标准，由此可知泵机组效率偏离节能值是当前要解决的主要问题。

图3 泵机组效率节能监测结果

通过各个指标的数值只能定性判断设备用能是“合格”还是“不合格”，相互之间的定量对比和整体系统的用能水平量化都无法完成，因此，笔者针对该原油管道泵机组进一步开展了多个目标不同权重的节能监测综合评价研究。

3 管道系统节能重点单元多指标综合用能评价

3.1 评价方法

基于现有层次分析、专家打分等方法用以评价设备效能，通常依靠多数专家的工作经验与主观判断来确定评价指标的相应权重，主观性较强，考虑将熵权法与灰色关联法结合形成基于熵权-灰色关联法的多指标综合评价技术体系，以实现对输油泵机组客观、合理的综合节能评价［15～18］。该方法的技术路线图如图4所示。

图4 基于熵权-灰色关联法的多指标综合评价方法技术路线

基于熵权-灰色关联法的多指标综合评价方法计算步骤如下［19，20］。

确定参考序列和比较序列。

设有m个被评价泵机组，n个评价指标：

评价母序列：

比较子序列：

原始数据的无量纲处理。

指标值越大越好的情况：

指标值越小越好的情况：

计算熵值。

根据熵的定义，可以确定评价指标的熵为：

计算评价指标的熵权集W。

计算参考序列与比较序列的绝对差值、确定最大绝对差值和最小绝对差值。

绝对差值：

计算关联系数。

计算关联度。

3.2 评价结果

在节能监测现场测试数据基础上，通过熵权-灰色关联评价法对泵机组进行综合评价，可以得到各指标对泵机组用能情况的影响程度并分析出其用能薄弱环节，同时可以对所有泵机组的用能情况进行排序。

首先要依据已有样本确定参考序列（理想方案），参考GB/T 34165—2017《油气输送管道系统节能监测规范》等规范中对各个评价指标限定值的规定，筛选出各评价指标均合格的泵机组作为评价泵机组的有效样本序列。然后分析确定有效样本中各评价指标的最优值x0=｛x0（1），x0（2），…，x0（n）｝，并以此作为评价泵机组参考序列。从有效样本序列中挑选各评价指标的最优值作为参考序列 （理想方案），记为x0=｛80.47，96.96，0.95，0.34｝，再对指标矩阵进行无量纲化，计算各指标下各个样本的比重pij，根据公式（7）计算各项指标的权值（表8）。

表8 各项指标的权值

从计算结果可以看出，评价指标的权重由大到小依次为：泵运行效率、功率因数、电机运行效率、吨·百米耗电量。

接下来，计算参考序列与比较序列的绝对差值，确定最大绝对差值和最小绝对差值为1和0。根据式（9）计算关联系数，结合熵权法所求的权重得到关联度（表9）。

表9 关联系数和关联度

根据表9中的数据，绘制了关联度柱状图（图5）。关联度越大，表明泵机组各项评价指标的数值越趋于最优序列的数值，说明泵机组的运行性能越好。图5所示结果显示，运行状态最优的是8#站3号外输泵，此泵机组处于节能运行状态。运行状况最差的为11#站1号外输泵，其指标序列为［0.769 0.910 0.790 0.390］，可以看出该泵机组功率因数和电机效率相对其他泵机组较低。因此，制定开泵方案时，在满足输量需求的前提下，可以更换开启同一站内评价指标值更高的相同型号的泵机组，以减少管道全线的经济成本。

图5 关联度柱状图

3.3 评价应用

由上述评价结果可知，同一泵站内，更换关联度较大的泵机组工作会减少管道全线的经济成本，以该管道某日的生产数据为例，对开泵方案调整前后进行耗电成本计算。首站压力为3.68 MPa，进站温度4.6 ℃，输送原油密度857.5 kg/m3，各管段地温按照首-8#、8#-9#、9#-10#、10#-11#、11#-末依次为：5.21、5.21、6.80、7.60、8.10 ℃，按照耗电量计算公式进行计算，得到全线实际运行参数及能耗计算结果见表10。

表10 某日全线实际运行参数及能耗计算结果

再根据上一节的评价结果，该方案原使用8#站4号泵，其关联度为0.66，而同一泵站内3号泵的关联度为0.80，因此笔者将4号泵更改为3号泵工作，之后计算同等输量下的工况，得到调整开泵方案后全线运行参数及能耗的计算结果，详见表11。

表11 调整方案后全线运行参数及能耗计算结果

经过调整后，开泵方案由开启8#站的4号泵改为开启3号泵，日耗电量减少了295.92 kW·h，节省电费约6万元/年，减少了管道全线的运行成本，由此可见，管道系统的用能评价工作对管道节能降耗具有重要推动意义。

4 结论

4.1 构建了原油管道系统多层次的能效评价体系，采用层次分析法给出系统能效三层次单排序和总排序，结果表明，输油泵站权重在第二层次中最高，为0.666 7，应是系统节能监测与技术改造的重点单元。

4.2 根据GB/T 31453—2015《油田生产系统节能监测规范》等相关国家行业标准确定了该原油管道泵机组的能耗评价指标为电机运行效率、泵运行效率、功率因数、吨·百米耗电量，给出了各能耗指标的计算方法，根据节能监测生产数据得到各泵机组的能耗指标数据，不仅可初步评价泵机组用能水平，还可持续跟踪泵机组性能变化。

4.3 提出多指标熵权-灰色关联综合评价方法，可同时实现泵机组系统整体用能评价与局部薄弱环节识别，应用分析表明，16台输油主泵中关联度最大的是8#站3号泵，处于节能运行状态，关联度最小的是11#站1号泵，运行效果最差，应为下步节能技改的重点设备。

4.4 根据泵机组用能评价结果调整开泵方案，在同一泵站内，由关联度较大的泵机组代替关联度小的同型号泵机组工作，可减少了管道全线的运行成本，由此可见，管道系统的用能评价工作对管道节能降耗具有重要推动意义。