劉冰（中國石油北京油氣調(diào)控中心）

原油管道能效指標(biāo)體系研究

劉冰（中國石油北京油氣調(diào)控中心）

給出了油氣管道能效管理的基本概念，以能效管理為主線，介紹國內(nèi)外傳統(tǒng)的能效指標(biāo)體系。在對國內(nèi)外現(xiàn)行能效指標(biāo)體系進(jìn)行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國管道行業(yè)特點和發(fā)展現(xiàn)狀，提出了構(gòu)建創(chuàng)新型管道能效指標(biāo)體系的思路，并從體系構(gòu)建原則、指標(biāo)篩選方法、指標(biāo)層級劃分等方面介紹了新指標(biāo)體系的構(gòu)建過程。最后按照實物（Object）、強(qiáng)度（Intensity）、效率（Efficiency）、指數(shù)（Target）4個層級，詳細(xì)闡述了新的原油管道能效指標(biāo)體系及體系中各主要能效指標(biāo)的計算方法。

原油管道 能效管理 能效指標(biāo) 體系研究

1 基本概念

1.1 管道能效

長距離輸油氣管道能源利用效率，簡稱“管道能效”。狹義的管道能效從物理意義上來講，是指長距離輸油氣管道在運行中對所輸送的油、氣的運移發(fā)揮作用的能量與功能站場（泵站、壓氣站等）實際消耗的能源量之比。廣義的管道能效是從能源消費角度，即管道能效是油氣管道在進(jìn)行油、氣運移的過程中，反映各個環(huán)節(jié)能源利用情況的效率指標(biāo)體系的統(tǒng)稱[1]。

1.2 能效管理

油氣管道能效管理的任務(wù)一方面是指導(dǎo)優(yōu)化運行，另一方面是促進(jìn)規(guī)劃、設(shè)計的優(yōu)化。傳統(tǒng)的管道能效管理手段主要是優(yōu)選耗能設(shè)備，通過提高站場耗能設(shè)備效率達(dá)到提高管道能效，實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。現(xiàn)代能效管理手段一是將管道自動化技術(shù)、管道仿真技術(shù)、信息技術(shù)和節(jié)能優(yōu)化運行的工藝技術(shù)、管理技術(shù)相結(jié)合，將最優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用于油氣管道系統(tǒng)，實現(xiàn)能效的提高；二是采用集中調(diào)控的運行管理模式，將設(shè)備維護(hù)與調(diào)控運行分開，設(shè)備維護(hù)機(jī)構(gòu)只負(fù)責(zé)保證設(shè)備單體有較高的效率，調(diào)控運行機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)監(jiān)測設(shè)備單體運行效率是否在合理范圍內(nèi)，更重要的是調(diào)控運行機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)統(tǒng)籌考慮運行方案的最優(yōu)化，使管道、管網(wǎng)總體能效最高、能耗最低。

2 傳統(tǒng)能耗指標(biāo)

2.1 國內(nèi)節(jié)能統(tǒng)計指標(biāo)

國內(nèi)常見的主要能耗指標(biāo)為單位周轉(zhuǎn)量生產(chǎn)能耗，即生產(chǎn)能源消耗量與周轉(zhuǎn)量的比值[2]，單位為：kg/（104t·km）或kg/（107m3·km），其中kg為標(biāo)準(zhǔn)煤質(zhì)量單位，以下同。

單位周轉(zhuǎn)量生產(chǎn)能耗（輸油管道）計算公式：

式中：

Mys——輸油管道生產(chǎn)單耗，kg/(104t·km）；

Eys——輸油管道生產(chǎn)能源消耗總量，kg；

Qy——輸油周轉(zhuǎn)量，104t·km。

目前節(jié)能量的計算主要采用環(huán)比法和同比法，對輸油管道：

式中：

ΔE——節(jié)能量，t（標(biāo)準(zhǔn)煤）；

Qy——輸油管道周轉(zhuǎn)量，104t·km；

Myh——基期單位輸油周轉(zhuǎn)量綜合能耗，kg/(104t·km）；

Myc——報告期輸油單位周轉(zhuǎn)量綜合能耗，kg/(104t·km）。

2.2 國外能源管理指標(biāo)

北美管道公司對外公開的能耗KPI指標(biāo)主要有兩個：輸油管道的單位能耗成本（Mill Rate）和輸油管道的單位有用能耗成本（$per Hydraulic Horsepower used）。另外，通過其他途徑搜集資料，得到ENBRIDGE公司使用的另外一些指標(biāo)，其性質(zhì)類似輸油管道的生產(chǎn)單耗指標(biāo)。

1）輸油管道單位能耗成本，單位$/MWh，為單位耗電成本。經(jīng)現(xiàn)場交流，并與業(yè)內(nèi)專家共同研究，確定其具體物理意義為：總的耗電成本除以這個時期（通常是1個月）的總耗電量。目前，ENBRIDGE輸油管道單位能耗成本值為$60/MWh。

2）輸油管道單位有用能耗成本，單位為$/HHPU，為消耗的單位水馬力成本。經(jīng)現(xiàn)場交流，并與業(yè)內(nèi)專家共同研究，確定其具體物理意義為：一條管道的總耗電成本（定購費和能源費）除以此管道各管段消耗的水馬力值之和。

3 新能效指標(biāo)體系構(gòu)建思路

3.1 能效指標(biāo)體系構(gòu)建原則

能效指標(biāo)體系的構(gòu)建應(yīng)遵循綜合評價指標(biāo)體系構(gòu)建的5條基本原則，即：目的性、全面性、可行性、穩(wěn)定性以及與評價方法的協(xié)調(diào)性。目前各類多指標(biāo)綜合評價實踐中基本上采用這種定性方法進(jìn)行指標(biāo)選取。

遵照此基本原則，能效指標(biāo)體系構(gòu)造時必須注意以下幾方面：

1）目的性原則。整個綜合評價指標(biāo)體系的構(gòu)成必須緊緊圍繞綜合評價目的層層展開，使最后的評價結(jié)論的確反映了評價意圖。

2）全面性原則。評價指標(biāo)體系必須反映被評價問題的各個側(cè)面，絕對不能“揚長避短”，否則，評價結(jié)論將是不公平的。

3）可操作性。一個綜合評價方案的真正價值只有在付諸實踐才能夠體現(xiàn)出來，這就要求指標(biāo)體系中的每一個指標(biāo)都必須是可操作的，必須能夠及時搜集到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

4）層次性原則。建立綜合評價指標(biāo)體系的層次結(jié)構(gòu)，可為進(jìn)一步的因素分析創(chuàng)造條件。

5）與評價方法一致的原則。不同綜合評價方法，對評價指標(biāo)體系的要求存在一些差別。實際構(gòu)造評價指標(biāo)體系時，有時需要先定方法再構(gòu)建指標(biāo)。

對于能效指標(biāo)體系的建立，除遵循一般評價指標(biāo)體系的構(gòu)建原則外，對于現(xiàn)有能效指標(biāo)體系將予以保留，并根據(jù)長輸管道、管網(wǎng)能源管理的需要、分析評價方法本身的要求完善能效指標(biāo)體系。

3.2 指標(biāo)篩選方法

綜合評價指標(biāo)體系的初選方法有分析法、綜合法、交叉法、指標(biāo)屬性分組法等多種方法，但最基本、最常用的則是分析法。初選的評價指標(biāo)可以允許重復(fù)的、不可操作或難操作的，即只求全而不求優(yōu)。分析法是將評價指標(biāo)體系的度量對象和度量目標(biāo)劃分成若干個不同組成部分或不同側(cè)面（即子系統(tǒng)），并逐步細(xì)分（即形成各級子系統(tǒng)及功能模塊），直到每一個部分和側(cè)面都可以用具體的統(tǒng)計指標(biāo)來描述、實現(xiàn)，這是構(gòu)造評價指標(biāo)體系最基本、最常用的方法。

利用分析法構(gòu)建指標(biāo)體系的基本過程是：

◇第1步，對評價問題的內(nèi)涵和外延作出合理解釋，劃分概念的側(cè)面結(jié)構(gòu)，明確評價的總目標(biāo)與子目標(biāo)；

◇第2步，對每一子目標(biāo)或概念側(cè)面進(jìn)行細(xì)分解，越是復(fù)雜的多指標(biāo)綜合評價問題，這種細(xì)分就越為重要；

◇第3步，重復(fù)第2步，直到每一個側(cè)面或子目標(biāo)都可以直接用一個或者幾個明確的指標(biāo)來反映；

◇第4步，設(shè)計每一子層次的指標(biāo)。

3.3 指標(biāo)體系層次關(guān)系

按照能耗數(shù)據(jù)在管道能耗管理層級的不同，可考慮將能耗指標(biāo)體系劃分為實物（Object）、強(qiáng)度（Intensity）、效率（Efficiency）、指數(shù)（Target）4個不同層級，按照這4個層級搭建指標(biāo)體系，即“OIET”能效指標(biāo)體系。

實物層級指標(biāo)，簡稱O級指標(biāo)，是指與能效相關(guān)的最基礎(chǔ)的實物量數(shù)據(jù)。強(qiáng)度層級指標(biāo)，簡稱I級指標(biāo)，是指與能效相關(guān)的反映某一單位量下的強(qiáng)度的指標(biāo)。效率層級指標(biāo)，簡稱E級指標(biāo)，是指與能效相關(guān)的反映效率及利用率、損失率的指標(biāo)。指數(shù)層級指標(biāo)，簡稱T級指標(biāo)，是指為反映管道宏觀能效情況，在實物層級指標(biāo)、強(qiáng)度層級指標(biāo)、效率層級指標(biāo)基礎(chǔ)上，綜合考慮各相關(guān)因素并按照一定算法形成的綜合指數(shù)能效指標(biāo)。指數(shù)層級指標(biāo)主要反映管道能效方面的優(yōu)化程度。

4 原油管道能效指標(biāo)體系

4.1 原油管道實物層級指標(biāo)

管道能效實物層級指標(biāo)簡稱O級指標(biāo)，原油管道實物層級主要指標(biāo)如表1所示。

表1 原油管道能效實物層級指標(biāo)

1）原油管道站間周轉(zhuǎn)量：

式中：

Qy(1,2）——首站至第二站的原油周轉(zhuǎn)量，104t·km；

Gys1——首站出站外輸量，104t；

Ly(1,2)——首站至第二站的距離，km。

式中：

Qy（i,i+1）——站場 i至 i+1的原油周轉(zhuǎn)量，104t·km；

Gyri——站場i的收油量，104t；

Gyyi——站場i的自用油量，104t；

Gyfi——站場i的分輸量，104t；

Ly(i,i+1)——站場i到站場i+1的距離，km。2）原油管道周轉(zhuǎn)量：

式中：

Qy——原油管道周轉(zhuǎn)量，104t·km；

Gyfi——站場i的分輸量，104t；

Lyfi——站場i的分輸距離，km；

n——原油管道站場個數(shù)。

3）原油管道生產(chǎn)能源消耗量：

式中：

Es——管道生產(chǎn)能源消耗量，t；

Ezsi——第i個輸油站/壓氣站（儲氣庫）生產(chǎn)能源消耗量，t；

n——管道輸油站/壓氣站（儲氣庫）個數(shù)。4）原油管道有用功率：

對原油管道的等輸量管段：

式中：

N——管段有用功率，即管段所消耗的功率，kW；

Nh——管段有用水力功率，kW；

Nt——管段有用熱力功率，kW；

G——管段中原油的質(zhì)量流量，kg/s；

PQ——管段起點處原油的壓力，Pa；

ρQ——管段起點處原油的密度，kg/m3；

PZ——管段終點處原油的壓力，Pa；

ρZ——管段終點處原油的密度，kg/m3；

C——平均溫度下的定壓比熱，kJ/（kg·K）；tQ——管段起點處原油的溫度，K；

tZ——管道終點處原油的溫度，K。

4.2 原油管道強(qiáng)度層級指標(biāo)

管道能效強(qiáng)度層級指標(biāo)簡稱I級指標(biāo)，原油管道強(qiáng)度層級指標(biāo)具體的能耗指標(biāo)如表2所示。

表2 原油管道能效強(qiáng)度層級指標(biāo)

1）原油管道生產(chǎn)單耗：

式中：

Mys——輸油單位周轉(zhuǎn)量生產(chǎn)能耗，kg/(104t·km）。

2）原油管道單位周轉(zhuǎn)量有用功耗能：

式中：

Myg——單位周轉(zhuǎn)量有用功耗能，kg/(104t·km）。

3）原油管道單位有用功耗能：

式中：

Ed——單位有用功耗能，kg/kWh；

Es——生產(chǎn)能源消耗量，kg；

W——一段時間內(nèi)管道消耗的有用功，kWh。

4.3 原油管道效率層級指標(biāo)

管道能效效率層級指標(biāo)簡稱E級指標(biāo)，原油管道效率層級指標(biāo)具體的能耗指標(biāo)如表3所示。

表3 原油管道能效效率層級指標(biāo)

1）原油管道輸油站能源利用率：

式中：

ηs——輸油站能源利用率；

Qse——輸油站提供給油品的能量，kJ/h；

Qsc——輸油站用于輸油生產(chǎn)

式中：

G——輸油站輸出原油量，kg/h；

CP——輸油站原油在進(jìn)、出口平均溫度下的定壓比熱，kJ/(kg·K)；

tout——輸油站原油出站溫度，K；

tin——輸油站原油進(jìn)站溫度，K；

pout——輸油站原油出站壓力，MPa；

pin——輸油站原油進(jìn)站壓力，MPa；

ρ——輸油站原油在進(jìn)、出站溫度下的密度，kg/m3；

B——輸油站用于輸油生產(chǎn)的燃料消耗量，kg/h；

Qdw——輸油站燃料低熱值，kJ/kg；

W——輸油站直接用于輸油生產(chǎn)的耗電量，kWh/h；

R1——電能折算系數(shù)（當(dāng)量熱值）；

ρt、ρ20——溫度為t℃及20℃時的油品密度，kg/m3；

?——溫度系數(shù)， kg/(m3·℃)；

2）原油管道輸油站電能利用率：

式中：

ηw——輸油站電能利用率；

Wse——輸油站提供給站間干線的有效壓能，kJ/h；

W——生產(chǎn)消耗功率，kW；

R2——電能折算系數(shù)，取3 600 kJ/kWh。

3）原油管道電能利用率：

原油管道電能利用率是指各站間輸油干線從各輸油站獲得的壓力能之和與各輸油站直接用于生產(chǎn)消耗電能之和的比值的百分?jǐn)?shù)。

計算公式：

式中：

ηsw——原油管道電能利用率；

Wsei——輸油干線從輸油站獲得的壓力能，kJ/h；

Wi——某輸油站輸油生產(chǎn)耗電量，kWh/h。

4）原油管道輸油站熱能利用率：

式中：

ηsh——輸油站熱能利用率；

Qseh——輸油站加熱干線介質(zhì)所用的能量，kJ/h；

Qsch——輸油站加熱干線介質(zhì)所消耗的能量，kJ/h。

式中：

Q1——加熱爐、鍋爐所消耗的能量，kJ/h；

Qp——輸油泵功率損失轉(zhuǎn)換的熱量，kJ/h。

式中：

Gp——輸油泵流量，kg/h；

tp,out——輸油泵原油出口溫度，K；

tp,in——輸油泵原油進(jìn)口溫度，K；

ct——輸油泵原油進(jìn)、出口平均溫度下的定壓比熱容，kJ/(kg·K)。

4.4 原油管道指數(shù)層級指標(biāo)

管道能效指數(shù)層級指標(biāo)，簡稱T級指標(biāo)，原油管道指數(shù)層級指標(biāo)的具體能耗指標(biāo)如表4所示。

表4 原油管道能效指數(shù)層級能耗指標(biāo)

1）能效偏差指數(shù)：

根據(jù)歷史統(tǒng)計相同季節(jié)、相同輸量臺階、相近周轉(zhuǎn)量條件下實際生產(chǎn)單耗與平均生產(chǎn)單耗的相對偏差，確定能耗偏差指數(shù)。

式中：

Di——能耗偏差指數(shù)，生產(chǎn)單耗與平均生產(chǎn)單耗相對偏差；

εi——報告期生產(chǎn)單耗，kg/(104t·km）；——歷史平均生產(chǎn)單耗（根據(jù)擬合曲線獲得），kg/(104t·km）。

對于周、月、季能耗數(shù)據(jù)，可將其折算成平均日能耗數(shù)據(jù)，根據(jù)上式計算出相應(yīng)的周、月、季能耗指數(shù)。

2）能效相對指數(shù)：

根據(jù)歷史統(tǒng)計相同季節(jié)、相同輸量臺階、相近周轉(zhuǎn)量條件下生產(chǎn)單耗的最大值和最小值，計算能效相對指數(shù)R。

能效相對指數(shù)計算如下：

式中：

Ri——能效相對指數(shù)；

εi——報告期生產(chǎn)單耗，kg/(104t·km）；

εmax——相同條件下歷史最高生產(chǎn)單耗，kg/(104t·km）；

εmin——相同條件下歷史最低生產(chǎn)單耗，kg/(104t·km）。

歷史生產(chǎn)單耗最大值及最小值的確定：

◇將特定歷史生產(chǎn)單耗平均值曲線劃分成更小的若干輸量范圍；

◇找到每個輸量范圍內(nèi)的生產(chǎn)單耗最大值及最小值；

◇分別對生產(chǎn)單耗最大值及最小值進(jìn)行曲線擬合；

◇若所擬合的生產(chǎn)單耗最大值與最小值曲線可將所有能耗點包含其中，則認(rèn)為所擬合的最大值、最小值曲線為該種特定條件下的生產(chǎn)單耗最大值及最小值，否則，將曲線進(jìn)行少量平移，直到將所有能耗點全部包含其中為止，由此確定生產(chǎn)單耗最大值及最小值。

3）能量平衡指數(shù)：

能量平衡指數(shù)是報告期供給輸油管道的總能量與有用功的比值。

計算公式如下：

式中：

Bi——能量平衡指數(shù)；

Qsei——報告期系統(tǒng)內(nèi)某輸油站提供給某輸油干線的能量，MJ；

W ——報告期內(nèi)管道消耗的有用功，MJ。

[1]劉冰.油氣管道能效管理[M].北京:地質(zhì)出版社,2011:2-3.

[2]中國石油天然氣集團(tuán)公司節(jié)能節(jié)水專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化委員會.Q/SY 1209-2009 油氣管道能耗測算方法[S].北京:石油工業(yè)出版社,2009:3-4.

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.08.001

劉冰，2000年畢業(yè)于中國石油大學(xué)，工程師，在讀碩士生，主要從事國家大型油氣管網(wǎng)運行的能源管理工作，E-mail：liubing-bj@petrochina.com.cn，地址：北京市東城區(qū)東直門北大街9號中國石油大廈B座2109室，100007。

2011-08-21)