輸油管道重點(diǎn)耗能單元評(píng)價(jià)與節(jié)能措施研究

王晶巖 （大慶油田有限責(zé)任公司儲(chǔ)運(yùn)銷售分公司）

隨著國家工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，能源問題成為制約國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要瓶頸。我國原油消費(fèi)量遠(yuǎn)高于國內(nèi)原油生產(chǎn)總量，對(duì)外依存度較高，使國內(nèi)原油的生產(chǎn)供應(yīng)時(shí)刻處于緊張狀態(tài)。管道輸送是原油長距離運(yùn)輸?shù)淖钪饕绞剑覈ㄔO(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]?？紤]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(xiàng)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(diǎn)，防止堵管現(xiàn)象發(fā)生。

目前，已有諸多學(xué)者針對(duì)輸油管道的能耗優(yōu)化問題進(jìn)行了研究，王偉達(dá)[2]以總運(yùn)行費(fèi)用最低為目標(biāo)函數(shù)，通過約束條件限制開泵方案，采用蟻群算法實(shí)現(xiàn)了管道全線熱力和水力參數(shù)的優(yōu)化；張東[3]針對(duì)輸油管道運(yùn)行費(fèi)用高的問題，利用蟻群算法優(yōu)化了動(dòng)力方案；成慶林等[4]基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃法，對(duì)輸油泵和加熱爐的組合方案進(jìn)行了優(yōu)化求解，得到了當(dāng)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(duì)重點(diǎn)耗能設(shè)備進(jìn)行識(shí)別，也未充分利用現(xiàn)場獲取的節(jié)能監(jiān)測數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)的挖掘深度不夠?；诖?，在對(duì)輸油管道重點(diǎn)耗能單元進(jìn)行識(shí)別的基礎(chǔ)上，對(duì)耗能設(shè)備指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，并結(jié)合多種模型對(duì)泵機(jī)組的綜合用能水平進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 重點(diǎn)耗能單元識(shí)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(jì)年輸量100×104t，沿線共有4 個(gè)熱泵站（首站、1#站、2#站、3#站），每個(gè)熱泵站中有4 臺(tái)輸油泵和4 臺(tái)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(yùn)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(yùn)行效率低等問題，說明該管道存在較大的節(jié)能潛力，需進(jìn)行系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)。

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(dòng)機(jī)、傳動(dòng)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(jì)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(yàn)構(gòu)建判斷矩陣，通過層次分析法確定重點(diǎn)耗能單元，輸油管道能效指標(biāo)體系見圖1。其中，噸液千米耗電和噸液千米耗油是在原標(biāo)準(zhǔn)單位原油集輸綜合能耗的基礎(chǔ)上，增加了距離對(duì)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(yùn)行工況等對(duì)熱力、水力損失的影響；管道能量損失率為管道出口、進(jìn)口能量差與管道進(jìn)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(biāo)體系Fig.1 Energy efficiency index system of oil pipeline

按照上述分析，對(duì)圖1 中的C 級(jí)指標(biāo)進(jìn)行全年隨機(jī)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(jī)森林模型評(píng)價(jià)表1 數(shù)據(jù)中不同指標(biāo)對(duì)輸油管道能效系數(shù)的影響。隨機(jī)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(xùn)練集中隨機(jī)抽取形成樣本集，并通過遞歸分類樹，以“平均準(zhǔn)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(gè)數(shù)；t為節(jié)點(diǎn)數(shù)；Bt為節(jié)點(diǎn)t的數(shù)據(jù)誤差。MDA值越大，表示該指標(biāo)對(duì)節(jié)點(diǎn)觀測值的影響程度越大。

對(duì)MDA 值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行降序排列，結(jié)果見圖2。重要程度排名前3 項(xiàng)的指標(biāo)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(xiàng)的指標(biāo)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(duì)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(diǎn)耗能及節(jié)能單元為輸油泵機(jī)組。

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

2 重點(diǎn)耗能單元綜合用能水平評(píng)價(jià)

在對(duì)輸油泵機(jī)組進(jìn)行綜合用能水平評(píng)價(jià)前，需確定泵機(jī)組的評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)現(xiàn)場工況及標(biāo)準(zhǔn)要求，初步將功率因數(shù)、節(jié)流損失率、泵機(jī)組效率、泵輸出功率和外輸負(fù)載率等作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，16 臺(tái)輸油泵的實(shí)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(jī)組效率在GB/T 31453—2015中規(guī)定了節(jié)能限定值和節(jié)能評(píng)價(jià)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(jī)組效率限定值的合格率為62.5%，說明泵機(jī)組的運(yùn)行效率較低，中間能量損失較大。以上只能對(duì)泵機(jī)組進(jìn)行定性評(píng)價(jià)，無法衡量重點(diǎn)耗能單元的綜合用能水平。

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

針對(duì)表2 的數(shù)據(jù)，采用對(duì)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(jì)算和判斷指標(biāo)間的相互關(guān)系，以剔除不重要或重復(fù)性指標(biāo)[7]，相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表3。其中，泵機(jī)組效率與功率因數(shù)、節(jié)流損失率的相關(guān)系數(shù)為負(fù)值，說明隨著功率因數(shù)和節(jié)流損失率的增加，泵機(jī)組效率降低；泵機(jī)組效率、泵輸出功率和外輸負(fù)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(fù)載率的增加，泵機(jī)組效率增加。此外，泵機(jī)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(biāo)體系，最終形成的指標(biāo)體系滿足獨(dú)立性、可比性和完整性的要求。

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

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

表4 輸油泵機(jī)組綜合用能指標(biāo)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(duì)16 臺(tái)泵機(jī)組能效進(jìn)行排序。首先，對(duì)原始數(shù)據(jù)按照成本型和效益型指標(biāo)進(jìn)行分類，對(duì)其進(jìn)行無量綱化處理；其次，選取有效樣本中評(píng)價(jià)指標(biāo)的最優(yōu)值作為參考序列，其余數(shù)據(jù)作為比較序列，計(jì)算最大絕對(duì)差值和最小絕對(duì)差值；最后，計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)，并根據(jù)熵權(quán)權(quán)重計(jì)算結(jié)果對(duì)關(guān)聯(lián)系數(shù)進(jìn)行加權(quán)獲取灰色關(guān)聯(lián)度，以彌補(bǔ)關(guān)聯(lián)系數(shù)平均值無法反映指標(biāo)間關(guān)聯(lián)程度的缺點(diǎn)[8-10]。公式為：

式中：ri為第i臺(tái)輸油泵的灰色關(guān)聯(lián)度；n為評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)；ωj為第j個(gè)指標(biāo)權(quán)重；ξi(j)第i臺(tái)輸油泵第j個(gè)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

輸油泵機(jī)組的關(guān)聯(lián)度及排序情況見表5。其中，運(yùn)行狀態(tài)最好的泵機(jī)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(jī)組效率滿足節(jié)能評(píng)價(jià)值，外輸負(fù)載率在16 臺(tái)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(yùn)行狀態(tài)最差的泵機(jī)組為3#站3#泵，其功率因數(shù)和泵機(jī)組效率均未達(dá)到節(jié)能限定值，外輸負(fù)載率較小，能量損失較大。

表5 輸油泵機(jī)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(yùn)行方案時(shí)，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(jī)組作為動(dòng)力設(shè)備，以減少管道全線的經(jīng)濟(jì)成本。以2023年3月20日為例，改進(jìn)前后的能耗計(jì)算結(jié)果見表6。運(yùn)行方案改進(jìn)后，原站內(nèi)運(yùn)行效果較差的泵機(jī)組更換為運(yùn)行效果較好的泵機(jī)組，1#站的開泵數(shù)量由2 臺(tái)變?yōu)?臺(tái)；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(jì)6 917.82 kWh，根據(jù)全年不同環(huán)境溫度和輸送工況核算運(yùn)行方案，預(yù)計(jì)每年可節(jié)電250×104kWh，按照工業(yè)電費(fèi)0.6 元/kWh 核算，預(yù)計(jì)每年可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用150 萬元。

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

此外，針對(duì)節(jié)流損失率較高的泵機(jī)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(duì)功率因數(shù)較小的泵機(jī)組，應(yīng)提高電壓合格率和電能質(zhì)量；對(duì)于其余指標(biāo)值均較好，但泵機(jī)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(jìn)行10%～20%的切割，以減少實(shí)際排量與額定揚(yáng)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(biāo)層的能效指標(biāo)體系，并采用隨機(jī)森林模型對(duì)不同指標(biāo)的重要程度進(jìn)行了評(píng)價(jià)，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(duì)泵站這一重點(diǎn)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(duì)影響輸油泵機(jī)組用能水平的指標(biāo)進(jìn)行了分析，泵機(jī)組效率屬于綜合性指標(biāo)，其權(quán)重值最大，泵輸出功率屬于冗余指標(biāo)，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(yùn)行方案改進(jìn)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(biāo)均有不同程度提升，節(jié)能效果顯著。