基于層次分析法的轉(zhuǎn)油站系統(tǒng)能效評價體系研究

司志梅 段志剛 錢欽 常泰 黃作男

1中國石化江蘇油田分公司石油工程技術(shù)研究院

2江蘇油田第二采油廠

3東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院

隨著各油田進入“高采出、高含水”的“雙高”階段，油田生產(chǎn)成本日益增加，節(jié)能降耗愈發(fā)重要。油田轉(zhuǎn)油站是油氣集輸系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)，其用能約占地面集輸能耗的70%[1]，因此有必要對現(xiàn)有的轉(zhuǎn)油站系統(tǒng)進行用能分析，找出其設(shè)備或工藝流程中能耗較大或能損較高的環(huán)節(jié)，對其進行節(jié)能改造，以提高系統(tǒng)用能效率，降低油田生產(chǎn)成本。

目前，國內(nèi)對轉(zhuǎn)油站系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化研究多為站內(nèi)用能設(shè)備的優(yōu)化。閔永明針對轉(zhuǎn)油站泵機組工藝參數(shù)進行了優(yōu)化，使泵機組處于高效功率區(qū)間，提高了站場電能的利用率[1]。趙慶來、趙金昕根據(jù)現(xiàn)場實際測試結(jié)果，計算出加熱爐空氣系數(shù)與加熱爐熱效率的關(guān)系，找出其效率最高時的空氣系數(shù)，并降低排煙溫度，最終達到了提高站場熱能利用率的目的[2]。張艷麗、華國海、王力等人針對轉(zhuǎn)油站熱力系統(tǒng)構(gòu)建能量平衡方程，計算出其用能薄弱環(huán)節(jié)，通過安裝加熱爐配套設(shè)備提高了加熱爐的效率[3]。彭澍對轉(zhuǎn)油站能耗成因進行分析，并對站場離心泵設(shè)備進行改造，達到了減少轉(zhuǎn)油站電能損耗的目的[4]。

針對采用三管伴熱的轉(zhuǎn)油站，站外管道伴熱用能由轉(zhuǎn)油站本身提供，單純的站內(nèi)設(shè)備優(yōu)化忽略了三管伴熱對站內(nèi)供能的利用及損失[5]情況，對轉(zhuǎn)油站整體的優(yōu)化效果體現(xiàn)的并不明確。因此針對這類轉(zhuǎn)油站建立一個評價體系，將轉(zhuǎn)油站系統(tǒng)中集油管網(wǎng)與站內(nèi)流程聯(lián)系起來，考慮它們之間的相互影響是十分必要的。為全面評價三管伴熱集輸流程的能效水平，通過引入層次分析理論，將轉(zhuǎn)油站站內(nèi)設(shè)備及下屬管網(wǎng)聯(lián)合在一起，建立能效評價體系，為集輸系統(tǒng)節(jié)能降耗提供一種新的技術(shù)手段[6]。

1 層次分析法

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP）是指將復(fù)雜的多目標(biāo)決策問題作為一個系統(tǒng)，將目標(biāo)分解為多個目標(biāo)或準(zhǔn)則，進而分解為多指標(biāo)（準(zhǔn)則）的若干層次，通過定性指標(biāo)模糊量化方法算出層次單排序（權(quán)數(shù)）和總排序，以此進行目標(biāo)（多指標(biāo)）多方案優(yōu)化決策的系統(tǒng)方法[7-8]。

層次分析法基本步驟如下：

（1）建立層次結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)評價的目標(biāo)，將評價目標(biāo)列為最高層，將準(zhǔn)則列為中間層，各準(zhǔn)則的實行方法列為最底層。

（2）構(gòu)造判斷矩陣。對指標(biāo)體系構(gòu)造判斷矩陣，釆用1～9標(biāo)度法進行，并根據(jù)構(gòu)造的矩陣，計算各層次指標(biāo)權(quán)重。權(quán)重計算時，采用“方根法”求出各矩陣特征向量，并進行歸一化處理，其主要方法如下：①判斷矩陣中每一行分值乘積② 計算 Ni的 n 次方根，i=1，2，...，n；③對向量進行歸一化處理，即為特征向量。

（3）判斷矩陣一致性檢驗。檢驗所產(chǎn)生的矩陣思維邏輯的一致性，方法如下：①求出各矩陣的最大特征根的指標(biāo)③求出隨機一致性比率其中，R.I.為平均隨機一致性指標(biāo)。

如果C.R.＜0.1，則認(rèn)為矩陣構(gòu)建合理；如果C.R.＞0.1，則需要重新調(diào)整矩陣，并重新計算及檢驗其一致性。

（4）層次總排序。對計算的矩陣進行排序，得到最下一層指標(biāo)對目標(biāo)層影響的大小。

2 轉(zhuǎn)油站能效指標(biāo)評價體系

2.1 構(gòu)建轉(zhuǎn)油站能效指標(biāo)體系

以江蘇油田某區(qū)塊轉(zhuǎn)油站為例構(gòu)建轉(zhuǎn)油站能效指標(biāo)體系（圖1）。在此能效指標(biāo)體系中，將轉(zhuǎn)油站系統(tǒng)劃分為轉(zhuǎn)油站熱力、轉(zhuǎn)油站電力、站外集油管網(wǎng)三個子系統(tǒng)，對其分別構(gòu)建黑箱能量平衡模型，并篩選出基礎(chǔ)能耗指標(biāo)，其中G、M、C代表指標(biāo)。指標(biāo)體系共分為3層，第一層為考慮各子層綜合影響的轉(zhuǎn)油站綜合能效系數(shù)，第二層為各子系統(tǒng)的能效系數(shù)，最后一層為各子系統(tǒng)的基礎(chǔ)能耗指標(biāo)[9-10]。

圖1 轉(zhuǎn)油站能效指標(biāo)體系Fig.1 Energy efficiency index system of oil transfer station

通過建立的基礎(chǔ)能耗指標(biāo)體系，結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行計算，找出轉(zhuǎn)油站系統(tǒng)中薄弱的子系統(tǒng)及其薄弱的基礎(chǔ)能耗指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上對各子系統(tǒng)構(gòu)建灰箱能量平衡模型，劃分用能單元，對用能薄弱的設(shè)備進行能效評價，分析其節(jié)能潛力，提出改進方案。為了計算能效系數(shù)，采用隸屬度對各層級指標(biāo)進行無量綱處理，計算方法如表1所示。

表1 各能效系數(shù)隸屬度計算公式Tab.1 Formulas for calculating the membership degree of each energy efficiency coefficient

2.2 各層級指標(biāo)權(quán)重計算

（1）構(gòu)造判斷矩陣。根據(jù)評價體系構(gòu)建4組判斷矩陣：①轉(zhuǎn)油站熱力能效系數(shù)、轉(zhuǎn)油站電力能效系數(shù)、站外集油管網(wǎng)能效系數(shù)關(guān)于轉(zhuǎn)油站綜合能效系數(shù)的判斷矩陣（表2）；②轉(zhuǎn)油站燃料消耗量、轉(zhuǎn)油站加熱爐效率、轉(zhuǎn)油站熱力設(shè)備用能效率關(guān)于轉(zhuǎn)油站熱力能效系數(shù)的判斷矩陣（表3）；③轉(zhuǎn)油站耗電量、轉(zhuǎn)油站電動機效率、轉(zhuǎn)油站泵效率關(guān)于轉(zhuǎn)油站電力能效系數(shù)的判斷矩陣（表4）；④管道伴熱供入能、管道伴熱效率、管道能損率關(guān)于站外集油管網(wǎng)能效系數(shù)的判斷矩陣（表5）。

表2 G-M判斷矩陣Tab.2 G-Mjudgement matrix

表3 M1-C判斷矩陣Tab.3 M1-Cjudgement matrix

表4 M2-C判斷矩陣Tab.4 M2-Cjudgement matri

表5 M3-C判斷矩陣Tab.5 M3-Cjudgement matrix

（2）計算結(jié)果。根據(jù)判斷矩陣進行各層級指標(biāo)權(quán)重計算，各指標(biāo)權(quán)重均滿足一致性檢驗。將各指標(biāo)權(quán)重計算結(jié)果進行層次總排序，結(jié)果如表6所示。

表6 層次總排序Tab.6 Hierarchical ordering

2.3 轉(zhuǎn)油站能效評價

該轉(zhuǎn)油站主要工藝流程為分離器→儲油罐→外輸泵→下一級轉(zhuǎn)油站（圖2），其中加熱爐對分離器及儲油罐進行熱水換熱保溫，并將部分熱水外輸至站外集油管道進行三管伴熱保溫。

4個季度現(xiàn)場數(shù)據(jù)如表7所示。根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)對轉(zhuǎn)油站能效系數(shù)進行計算，結(jié)果如圖3所示。

圖2 轉(zhuǎn)油站工藝流程Fig.2 Process flow chart of oil transfer station

圖3 各層級能效系數(shù)計算結(jié)果Fig.3 Calculation results of energy efficiency coefficient in each hierarchy

根據(jù)計算結(jié)果可以看出，在冬季和秋季轉(zhuǎn)油站及站外集油管網(wǎng)能效系數(shù)明顯降低。結(jié)合指標(biāo)權(quán)重及各能效系數(shù)基礎(chǔ)指標(biāo)的數(shù)據(jù)，冬季能效系數(shù)明顯減低的原因在于冬季環(huán)境溫度較低，轉(zhuǎn)油站站場熱力設(shè)備及集油管道熱能損失較大。因此改變冬季時站場設(shè)備和站外集油管道的加熱熱水溫度，在其他條件不變情況下，計算改變后的能效系數(shù)，并繪制曲線圖（圖4、圖5）。

圖4 站外集油管網(wǎng)優(yōu)化結(jié)果Fig.4 Optimization results of gathering pipeline network outside the station

圖5 站內(nèi)熱力設(shè)備優(yōu)化結(jié)果Fig.5 Optimization results of thermal equipment in the station

根據(jù)計算結(jié)果可以看出，適當(dāng)降低加熱循環(huán)水溫度能夠有效地提高管道伴熱及熱力設(shè)備的熱能利用率，減少散熱損失，但過度降低循環(huán)水的溫度會導(dǎo)致?lián)Q熱時間過長，反而增加了散熱損失。根據(jù)循環(huán)水優(yōu)化結(jié)果，計算優(yōu)化后的全年轉(zhuǎn)油站能效系數(shù)，結(jié)果如圖6所示。

圖6 優(yōu)化結(jié)果Fig.6 Optimization results

將優(yōu)化前后結(jié)果進行對比，在環(huán)境溫度較低的季節(jié)優(yōu)化效果較好，尤其在冬季優(yōu)化后節(jié)能潛力高達10.8%，這證明了對于三管伴熱流程的轉(zhuǎn)油站能耗優(yōu)化應(yīng)考慮集油管網(wǎng)與站內(nèi)設(shè)備相互影響的因素。

2.4 優(yōu)化措施

通過對轉(zhuǎn)油站的能效評價可以發(fā)現(xiàn)，對于三管伴熱流程這類轉(zhuǎn)油站，其能效水平的高低主要受其站內(nèi)加熱爐及站外管道能效水平的影響，因此針對這兩方面提出改善措施。

（1）對于排煙溫度較高的加熱爐增加余熱回收裝置，適當(dāng)降低排煙溫度以提高加熱爐效率；適當(dāng)對加熱爐結(jié)構(gòu)進行改造，增加對流面積，使其更多地吸收煙氣中的熱量；采用新型高效的保溫隔離裝置，增強爐體保溫能力，減少散熱損失。

表7 現(xiàn)場數(shù)據(jù)Tab.7 Field data

（2）對三管伴熱工藝參數(shù)進行優(yōu)化，降低其換熱熱水溫度，避免過多的熱量損失；更換管道保溫層，選擇保溫性能更好的硬質(zhì)聚氨酯泡沫保溫層。

3 結(jié)論

采用三管伴熱集輸?shù)霓D(zhuǎn)油站，由于三管伴熱的能量主要來源于其上級轉(zhuǎn)油站，對這類轉(zhuǎn)油站單純地優(yōu)化其站內(nèi)加熱爐及輸油泵的工藝參數(shù)并不能起到良好的優(yōu)化效果。因此引入層次分析法，將轉(zhuǎn)油站內(nèi)熱力、電力系統(tǒng)與站外集油管網(wǎng)列為同一層級，在考慮其相互影響的因素下對轉(zhuǎn)油站進行能效評價，為集輸系統(tǒng)能效評價提供了一種有效手段。根據(jù)評價體系對轉(zhuǎn)油站進行了整體評價，通過計算能效系數(shù)發(fā)現(xiàn)，在秋季及冬季時，其能效系數(shù)隨著環(huán)境溫度的降低也大幅度下降，在冬季時最低，能效系數(shù)僅為0.31，對比夏季的能效系數(shù)0.8，差距較大。導(dǎo)致能效系數(shù)大幅度降低的原因在于冬季時保溫溫度過高，而環(huán)境溫度較低，設(shè)備及管道的散熱損失較為嚴(yán)重。因此在冬季條件下，可通過改變集油管網(wǎng)伴熱循環(huán)水及站內(nèi)設(shè)備伴熱循環(huán)水的溫度，從而有效提高站場熱能的利用率，降低散熱損失，進而提升節(jié)能潛力。