王晶巖 （大慶油田有限責任公司儲運銷售分公司）

隨著國家工業(yè)化進程的不斷推進，能源問題成為制約國民經(jīng)濟發(fā)展的重要瓶頸。我國原油消費量遠高于國內(nèi)原油生產(chǎn)總量，對外依存度較高，使國內(nèi)原油的生產(chǎn)供應(yīng)時刻處于緊張狀態(tài)。管道輸送是原油長距離運輸?shù)淖钪饕绞?，我國建設(shè)了中俄原油、中緬原油、沿江輸送、華南內(nèi)送等多條管道，為解決能源緊張、保障能源安全發(fā)揮了重要作用[1]。考慮到我國所產(chǎn)原油多采用熱流輸送工藝，一方面為油流提供壓能克服各項摩阻損失和高程損失，另一方面為油流提供足夠的熱量，使輸送溫度高于凝點，防止堵管現(xiàn)象發(fā)生。

目前，已有諸多學者針對輸油管道的能耗優(yōu)化問題進行了研究，王偉達[2]以總運行費用最低為目標函數(shù)，通過約束條件限制開泵方案，采用蟻群算法實現(xiàn)了管道全線熱力和水力參數(shù)的優(yōu)化；張東[3]針對輸油管道運行費用高的問題，利用蟻群算法優(yōu)化了動力方案；成慶林等[4]基于動態(tài)規(guī)劃法，對輸油泵和加熱爐的組合方案進行了優(yōu)化求解，得到了當前輸量下的最低能耗方案。但以上研究多以單一工況為主，研究穩(wěn)態(tài)情況下的節(jié)能方案，未對重點耗能設(shè)備進行識別，也未充分利用現(xiàn)場獲取的節(jié)能監(jiān)測數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)的挖掘深度不夠?；诖?，在對輸油管道重點耗能單元進行識別的基礎(chǔ)上，對耗能設(shè)備指標進行監(jiān)測，并結(jié)合多種模型對泵機組的綜合用能水平進行評價。

1 重點耗能單元識別

某輸油管道投產(chǎn)于2018 年，全長430 km，管徑D219 mm×7.5 mm，設(shè)計年輸量100×104t，沿線共有4 個熱泵站（首站、1#站、2#站、3#站），每個熱泵站中有4 臺輸油泵和4 臺加熱爐，根據(jù)輸量要求和工況條件，熱泵站采用不同的開泵和開加熱爐方案。在運行過程中，存在單位輸油綜合能耗高（該管道為19.5～27.6 kgce/104t·km，油田其余輸油管道平均值為12.6 kgce/104t·km）、運行效率低等問題，說明該管道存在較大的節(jié)能潛力，需進行系統(tǒng)能耗評價。

輸油管道的能量損失包括水力損失和熱力損失，前者與泵、電動機、傳動系統(tǒng)等設(shè)備有關(guān)，后者與加熱爐、電加熱器、電伴熱器等設(shè)備相關(guān)[5]。依據(jù)GB/T 33653—2017《油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測試和計算方法》、GB/T 31453—2015《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》等規(guī)范的要求，根據(jù)流程走向，將輸油管道能效系數(shù)分為泵站能效系數(shù)、熱站能效系數(shù)和管道能效系數(shù)三部分，并通過專家經(jīng)驗構(gòu)建判斷矩陣，通過層次分析法確定重點耗能單元，輸油管道能效指標體系見圖1。其中，噸液千米耗電和噸液千米耗油是在原標準單位原油集輸綜合能耗的基礎(chǔ)上，增加了距離對能耗的影響，這樣可以反映熱力損失和水力損失之間的相互作用關(guān)系；電能利用率和熱能利用率為設(shè)備或站場出口處介質(zhì)具有的能量與供給能量、輸入端介質(zhì)代入能量之和的比值；單位長度溫降、單位長度壓降反映了環(huán)境條件、油品物性、管道參數(shù)和運行工況等對熱力、水力損失的影響；管道能量損失率為管道出口、進口能量差與管道進口能量的比值，不區(qū)分管道內(nèi)部流體之間的能量轉(zhuǎn)化，反映了管道能量的利用程度；總傳熱系數(shù)根據(jù)蘇霍夫公式反算獲得，反映了熱油管道的散熱性能和保溫性能。

圖1 輸油管道能效指標體系Fig.1 Energy efficiency index system of oil pipeline

按照上述分析，對圖1 中的C 級指標進行全年隨機性測試，部分輸油管道數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果見表1。采用隨機森林模型評價表1 數(shù)據(jù)中不同指標對輸油管道能效系數(shù)的影響。隨機森林模型是從決策樹模型演變而來，采用重抽樣的方法從訓練集中隨機抽取形成樣本集，并通過遞歸分類樹，以“平均準確度下降”的思想衡量分類效果[6]。公式為：

表1 輸油管道數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果（部分）Tab.1 Monitoring results of oil pipeline data (part)

式中：ηMDA為平均下降基尼指數(shù)；n為樹個數(shù)；t為節(jié)點數(shù)；Bt為節(jié)點t的數(shù)據(jù)誤差。MDA值越大，表示該指標對節(jié)點觀測值的影響程度越大。

對MDA 值計算結(jié)果進行降序排列，結(jié)果見圖2。重要程度排名前3 項的指標依次為噸液千米耗電、電能利用率和單位長度壓降，排名后3 項的指標依次為噸液千米耗油、熱能利用率和總傳熱系數(shù)，說明泵站能效系數(shù)對輸油管道能耗的影響較大，而熱站能效系數(shù)的影響較小，管道能效系數(shù)的影響適中。管道自身的節(jié)能空間有限，重點耗能及節(jié)能單元為輸油泵機組。

圖2 基于MDA 值的降序排列Fig.2 Descending arrangement based on MDA values

2 重點耗能單元綜合用能水平評價

在對輸油泵機組進行綜合用能水平評價前，需確定泵機組的評價指標。根據(jù)現(xiàn)場工況及標準要求，初步將功率因數(shù)、節(jié)流損失率、泵機組效率、泵輸出功率和外輸負載率等作為評價指標，16 臺輸油泵的實測數(shù)據(jù)結(jié)果見表2。其中，只有功率因數(shù)、節(jié)流損失率、泵機組效率在GB/T 31453—2015中規(guī)定了節(jié)能限定值和節(jié)能評價值，滿足功率因數(shù)限定值的合格率為62.5%，滿足節(jié)流損失率限定值的合格率為81.2%，滿足泵機組效率限定值的合格率為62.5%，說明泵機組的運行效率較低，中間能量損失較大。以上只能對泵機組進行定性評價，無法衡量重點耗能單元的綜合用能水平。

表2 輸油泵實測數(shù)據(jù)結(jié)果（部分）Tab.2 Measured data results of oil pump (part)

針對表2 的數(shù)據(jù)，采用對非線性、非正態(tài)數(shù)據(jù)適應(yīng)性更好的Spearman 相關(guān)系數(shù)法，計算和判斷指標間的相互關(guān)系，以剔除不重要或重復(fù)性指標[7]，相關(guān)系數(shù)計算結(jié)果見表3。其中，泵機組效率與功率因數(shù)、節(jié)流損失率的相關(guān)系數(shù)為負值，說明隨著功率因數(shù)和節(jié)流損失率的增加，泵機組效率降低；泵機組效率、泵輸出功率和外輸負載率的相關(guān)系數(shù)為正值，說明隨著泵輸出功率和外輸負載率的增加，泵機組效率增加。此外，泵機組效率與泵輸出功率的相關(guān)系數(shù)最大（0.558 8），說明兩者之間存在較多的冗余信息，應(yīng)將泵輸出功率剔除指標體系，最終形成的指標體系滿足獨立性、可比性和完整性的要求。

表3 相關(guān)系數(shù)計算結(jié)果Tab.3 Calculation results of correlation coefficients

隨后，基于實測數(shù)據(jù)，采用熵權(quán)法確定不同指標的權(quán)重，綜合用能指標數(shù)量結(jié)果見表4。其中，泵機組效率的權(quán)重最大，該指標體現(xiàn)了泵出口調(diào)節(jié)閥后有功功率與電動機視在功率的比值，屬于綜合性指標。

表4 輸油泵機組綜合用能指標權(quán)重結(jié)果Tab.4 Weight results of comprehensive energy consumption index of oil pump unit

為充分考慮綜合用能水平，采用熵權(quán)-灰色關(guān)聯(lián)法對16 臺泵機組能效進行排序。首先，對原始數(shù)據(jù)按照成本型和效益型指標進行分類，對其進行無量綱化處理；其次，選取有效樣本中評價指標的最優(yōu)值作為參考序列，其余數(shù)據(jù)作為比較序列，計算最大絕對差值和最小絕對差值；最后，計算關(guān)聯(lián)系數(shù)，并根據(jù)熵權(quán)權(quán)重計算結(jié)果對關(guān)聯(lián)系數(shù)進行加權(quán)獲取灰色關(guān)聯(lián)度，以彌補關(guān)聯(lián)系數(shù)平均值無法反映指標間關(guān)聯(lián)程度的缺點[8-10]。公式為：

式中：ri為第i臺輸油泵的灰色關(guān)聯(lián)度；n為評價指標個數(shù)；ωj為第j個指標權(quán)重；ξi(j)第i臺輸油泵第j個指標的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

輸油泵機組的關(guān)聯(lián)度及排序情況見表5。其中，運行狀態(tài)最好的泵機組為2#站2#泵，其功率因數(shù)和節(jié)流損失率滿足節(jié)能限定值，泵機組效率滿足節(jié)能評價值，外輸負載率在16 臺輸油泵中排名較高，綜合因素影響下灰色關(guān)聯(lián)度排名第1。運行狀態(tài)最差的泵機組為3#站3#泵，其功率因數(shù)和泵機組效率均未達到節(jié)能限定值，外輸負載率較小，能量損失較大。

表5 輸油泵機組的關(guān)聯(lián)度及排序情況Tab.5 Correlation degree and ranking of oil pump units

3 節(jié)能措施研究

在制定輸油管道運行方案時，應(yīng)優(yōu)先選用同一泵站內(nèi)灰色關(guān)聯(lián)度較大的輸油泵機組作為動力設(shè)備，以減少管道全線的經(jīng)濟成本。以2023年3月20日為例，改進前后的能耗計算結(jié)果見表6。運行方案改進后，原站內(nèi)運行效果較差的泵機組更換為運行效果較好的泵機組，1#站的開泵數(shù)量由2 臺變?yōu)?臺；除1#站與2#站間，其余站間壓降均有所下降；噸液千米耗電和熱能利用率也有不同程度的提升。不同泵站的日節(jié)電量821.91～2 671.24 kWh，日節(jié)電共計6 917.82 kWh，根據(jù)全年不同環(huán)境溫度和輸送工況核算運行方案，預(yù)計每年可節(jié)電250×104kWh，按照工業(yè)電費0.6 元/kWh 核算，預(yù)計每年可節(jié)約運行費用150 萬元。

表6 改進前后的能耗計算結(jié)果Tab.6 Calculation results of energy consumption before and after improvement

此外，針對節(jié)流損失率較高的泵機組，應(yīng)取消出口節(jié)流閥，改為安轉(zhuǎn)變頻調(diào)速裝置，以減少節(jié)流帶來的能量消耗；正常的功率因數(shù)0.8～0.9，針對功率因數(shù)較小的泵機組，應(yīng)提高電壓合格率和電能質(zhì)量；對于其余指標值均較好，但泵機組效率不滿足節(jié)能限定值的設(shè)備，直接更換高性能、低能耗的節(jié)能設(shè)備或?qū)Ρ萌~輪進行10%～20%的切割，以減少實際排量與額定揚程不匹配的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

1）基于規(guī)范要求和工藝流程走向，建立了以輸油管道能效系數(shù)為目標層的能效指標體系，并采用隨機森林模型對不同指標的重要程度進行了評價，影響程度從大到小依次為泵站能效系數(shù)、管道能效系數(shù)和熱站能效系數(shù)。

2）針對泵站這一重點耗能單元，先后采用相關(guān)系數(shù)和熵權(quán)-灰色關(guān)聯(lián)對影響輸油泵機組用能水平的指標進行了分析，泵機組效率屬于綜合性指標，其權(quán)重值最大，泵輸出功率屬于冗余指標，應(yīng)予以去除。

3）將泵站內(nèi)灰色關(guān)聯(lián)度較小的設(shè)備替換為灰色關(guān)聯(lián)度較大的設(shè)備，運行方案改進后，噸液千米耗電和熱能利用率等反映泵站能效系數(shù)的指標均有不同程度提升，節(jié)能效果顯著。