基于組合模型的集輸系統(tǒng)綜合能效評(píng)價(jià)研究

彭飛 （大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠）

1 指標(biāo)體系建立

隨著井口采出液的含水率逐漸升高，油氣田的生產(chǎn)能耗呈逐年上升趨勢(shì)，對(duì)能耗的管控壓力也越來(lái)越大[1]。集輸系統(tǒng)是指將油井采出氣液混合物匯集、處理和輸送的整個(gè)工藝系統(tǒng)。受工藝復(fù)雜化、設(shè)備多樣化、工況多變化的影響，集輸系統(tǒng)成為油氣生產(chǎn)中的耗能大戶(hù)[2-3]。

目前，關(guān)于集輸系統(tǒng)能效評(píng)價(jià)已有諸多學(xué)者進(jìn)行了研究，成慶林等[4]、王萍等[5]對(duì)輸油泵機(jī)組的能效進(jìn)行了研究，李鵬等[6]、陳浩[7]對(duì)加熱爐的能效進(jìn)行了研究。以上研究均是以提高設(shè)備效率、減少用能損失為目的的單一局部性能評(píng)價(jià)，未從整體上考慮集輸系統(tǒng)的綜合能效，不利于從頂層設(shè)計(jì)的角度提出技改措施。鑒于此，構(gòu)建和完善多層級(jí)集輸系統(tǒng)綜合能效評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用組合賦權(quán)和TOPSIS 法完成系統(tǒng)用能水平的評(píng)價(jià)，以期客觀真實(shí)地反映系統(tǒng)實(shí)際用能情況。

GB/T 33653—2017《油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測(cè)試和計(jì)算方法》中規(guī)定了多個(gè)與集輸系統(tǒng)相關(guān)的能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)，基于黑箱能量平衡模型構(gòu)建集輸系統(tǒng)綜合能效指標(biāo)體系（圖1）。目標(biāo)層為集輸系統(tǒng)綜合能效水平，準(zhǔn)則層由聯(lián)合站能效水平、轉(zhuǎn)油站能效水平、管道能效水平和工藝能效水平組成，指標(biāo)層由基礎(chǔ)能耗指標(biāo)構(gòu)成。

圖1 集輸系統(tǒng)綜合能效指標(biāo)體系Fig.1 System of comprehensive energy efficiency indicator for gathering and transportation system

2 綜合能效評(píng)價(jià)方法

2.1 指標(biāo)歸一化處理

圖1 中除工藝能效水平下的基礎(chǔ)能耗指標(biāo)外，其余能耗指標(biāo)均為定量值，為避免量綱、數(shù)量級(jí)不一致造成指標(biāo)間的不可比性，將其進(jìn)行歸一化處理。對(duì)于正向指標(biāo)的指標(biāo)，采用公式（1） 處理，對(duì)于反向指標(biāo)的指標(biāo)，采用公式（2）處理。

式中：xij為第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象第j個(gè)指標(biāo)的原始值；yij為第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象第j個(gè)指標(biāo)的歸一化值；m為評(píng)價(jià)對(duì)象個(gè)數(shù)；n為指標(biāo)個(gè)數(shù)。

對(duì)于工藝能效水平下的定性評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用0～100 的評(píng)分進(jìn)行專(zhuān)家評(píng)估，0 分對(duì)應(yīng)水平最差，100 分對(duì)應(yīng)水平最好，再采用公式（1）～（2）進(jìn)行歸一化處理。

2.2 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

采用單一熵權(quán)法進(jìn)行權(quán)重賦值時(shí)，會(huì)因某項(xiàng)指標(biāo)數(shù)值過(guò)于集中導(dǎo)致權(quán)重分配不合理，故在此引用以專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)判斷為依據(jù)的G1 法[8]，通過(guò)最小鑒別原理將兩者權(quán)重融合，形成組合權(quán)重，見(jiàn)公式（3）。

式中：wj為組合權(quán)重；wj′、wj″分別為主觀權(quán)重和客觀權(quán)重；Pi為主觀權(quán)重按照從小到大排列的順序值；α、β為調(diào)和系數(shù)。

2.3 TOPSIS 法計(jì)算相對(duì)貼近度

在利用常規(guī)TOPSIS 法進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，視指標(biāo)屬性為相互獨(dú)立，未考慮指標(biāo)間的相互作用對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，且某項(xiàng)結(jié)果可能存在正、負(fù)理想解均接近的現(xiàn)象，無(wú)法辨別結(jié)果準(zhǔn)確性[9]。采用灰色關(guān)聯(lián)分析法可確定不同指標(biāo)發(fā)展趨勢(shì)的相似程度，將灰色關(guān)聯(lián)度和歐式距離法作為兩種與正、負(fù)理想解接近程度的計(jì)算方式，由此確定相對(duì)貼近度。

2.3.1 加權(quán)矩陣計(jì)算

將組合權(quán)重和歸一化矩陣結(jié)合，形成加權(quán)矩陣Z，zij為矩陣中的數(shù)值。

2.3.2 確定正、負(fù)理想解

取加權(quán)矩陣Z中每項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的最大值作為正理想解即指標(biāo)值越接近該值越好；取每項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的最小值 作 為 負(fù) 理 想 解Z-={minzij|i=1，2，…m}即指標(biāo)值越遠(yuǎn)離該值越好。

2.3.3 計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度和歐式距離

通過(guò)公式（5） ～（7） 計(jì)算實(shí)際能效水平與正、負(fù)理想解的貼近程度。

式中：d+i、d-i分別為第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象與正、負(fù)理想解的歐式距離；s+ij、s-ij分別為第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象第j個(gè)指標(biāo)與正、負(fù)理想解的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)；s+i、s-i分別為第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象與正、負(fù)理想解的灰色關(guān)聯(lián)度；ρ為分辨系數(shù)，取0.5。

再將歐式距離和灰色關(guān)聯(lián)度進(jìn)行歸一化處理，得到綜合貼近度，計(jì)算式為

式中：D+i、Di分別為歐式距離的歸一化結(jié)果；分別為灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)的歸一化結(jié)果；E+為正貼近度，表示不同集輸系統(tǒng)綜合能效水平與最佳運(yùn)行狀態(tài)之間的貼近程度，值越大，能效水平越高；E-為負(fù)貼近度，表示不同集輸系統(tǒng)綜合能效水平與最差運(yùn)行狀態(tài)之間的貼近程度，值越大，能效水平越差。

2.3.4 計(jì)算相對(duì)貼近度

根據(jù)綜合貼近度計(jì)算相對(duì)貼近度f(wàn)i：

3 實(shí)例分析

大慶油田某聯(lián)合站所屬集輸系統(tǒng)為例，采用二級(jí)布站方式，油井采出液經(jīng)摻水加熱后輸送至閥組，閥組負(fù)責(zé)匯集各井組采出液；隨后進(jìn)入接轉(zhuǎn)站進(jìn)行初步油水分離和計(jì)量；最后進(jìn)入聯(lián)合站三相分離器和電脫水器進(jìn)行油、氣、水分離。原油經(jīng)沉降脫水后，進(jìn)入負(fù)壓穩(wěn)定裝置，待含水率小于0.5%且飽和蒸氣壓低于當(dāng)?shù)卮髿鈮?0%后進(jìn)行外輸。采出水經(jīng)除油、除懸浮物、殺菌后加壓進(jìn)入分區(qū)注水或摻水環(huán)節(jié)；伴生氣進(jìn)入輕烴回收裝置回收C3～C4組分，一部分進(jìn)入加熱爐為摻水伴熱、原油維溫和站內(nèi)取暖提供熱量，另一部分經(jīng)增壓后進(jìn)入伴生氣管道外輸。

通過(guò)SCADA 系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)報(bào)表記錄，收集2022年1—12 月的各項(xiàng)指標(biāo)值，利用上述評(píng)價(jià)方法對(duì)能效進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。集輸工藝適應(yīng)性和設(shè)備老化程度由集輸、儲(chǔ)運(yùn)、安全、設(shè)備管理等方面的技術(shù)專(zhuān)家和操作員工綜合評(píng)定。

表1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Tab.1 Basic data

其中，燃料消耗量、耗電量、單位液量集輸綜合能耗、單位原油集輸綜合能耗、管道伴熱供給能、管道能損率、設(shè)備老化程度等指標(biāo)與綜合能效水平呈反相關(guān)；熱能利用率、電能利用率、伴熱效率和集輸工藝適應(yīng)性等指標(biāo)與綜合能效水平呈正相關(guān)。根據(jù)公式（1）、（2）對(duì)表1 中數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，以消除量綱對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響。

參照2.2 的方法，對(duì)歸一化的指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行熵權(quán)法計(jì)算。熵權(quán)法結(jié)果中，轉(zhuǎn)油站電能利用率的權(quán)重最大，轉(zhuǎn)油站只負(fù)責(zé)對(duì)采出液進(jìn)行預(yù)處理，保證采出液可以在滿(mǎn)足水力和熱力的條件下輸送至聯(lián)合站，因此權(quán)重占比應(yīng)低于聯(lián)合站級(jí)別；單位液量集輸綜合能耗和單位原油集輸綜合能耗的權(quán)重較小，綜合能耗反映了生產(chǎn)1 t 采出液或原油所消耗的能量，屬于綜合性指標(biāo)，權(quán)重占比應(yīng)較大。因此，繼續(xù)對(duì)指標(biāo)進(jìn)行G1 法主觀賦權(quán)，再通過(guò)公式（3）計(jì)算組合權(quán)重，其中α和β分別為0.75、0.25。組合權(quán)重結(jié)果中單位液量集輸綜合能耗、集輸工藝適應(yīng)性、單位原油集輸綜合能耗的權(quán)重較大，其中集輸工藝適應(yīng)性反映了現(xiàn)有管網(wǎng)布局方式與采出液量、地形地貌、能耗水平、運(yùn)行安全之間的關(guān)系。一般而言，三管伴熱工藝的能耗最高，其次為雙管摻水、單管環(huán)狀摻水，常溫集輸工藝的能耗最低。該集輸系統(tǒng)從8 月開(kāi)始進(jìn)行了節(jié)能改造，將原來(lái)的三管伴熱工藝改為雙管摻水工藝，剩余的伴熱水管道為備用，故集輸工藝適應(yīng)性大幅提升。

用G1 法確定準(zhǔn)則層的權(quán)重，權(quán)重從大到小依次為聯(lián)合站能效水平、轉(zhuǎn)油站能效水平、管道能效水平、工藝能效水平。集輸系統(tǒng)綜合能效評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重見(jiàn)表2。

表2 集輸系統(tǒng)綜合能效評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重Tab.2 Weight of comprehensive energy efficiency evaluation indicator for gathering and transportation system

參照公式（4） 對(duì)歸一化矩陣進(jìn)行加權(quán)處理，并計(jì)算出加權(quán)矩陣正、負(fù)理想解（表3）。

表3 矩陣加權(quán)及正、負(fù)理想解Tab.3 Matrix weighting and positive and negative ideal solutions

最后，參照公式（5）～（10）計(jì)算該集輸系統(tǒng)在不同月份的相對(duì)貼近度（圖2）。不同月份的相對(duì)貼近度雖然受正、負(fù)貼近度的影響，但明顯與正貼近度的變化趨勢(shì)更為接近。其中2 月的相對(duì)貼近度最小，2 月聯(lián)合站和接轉(zhuǎn)站的耗電量、耗氣量較大，電能利用率、熱能利用率較低，綜合能耗偏高，故集輸系統(tǒng)的綜合能效水平較差；6 月份的相對(duì)貼近度最大，此時(shí)地溫較高，從熱力角度出發(fā)對(duì)管道輸送的要求最低，熱能消耗較好，故集輸系統(tǒng)的綜合能效水平較好。

圖2 不同月份的相對(duì)貼近度結(jié)果Fig.2 Relative proximity results for different months

4 整改措施

針對(duì)耗電量大和電能利用低的站場(chǎng)，從以下方面進(jìn)行整改：①淘汰不符合國(guó)家節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的電動(dòng)機(jī)和泵組，采用變頻調(diào)速技術(shù)，結(jié)合PID 控制動(dòng)態(tài)調(diào)整轉(zhuǎn)速與出口閥門(mén)開(kāi)度之間的關(guān)系，降低泵出口節(jié)流損失和泵管壓差，保持泵運(yùn)行在高效區(qū)間；②利用葉輪切割技術(shù)，在泵轉(zhuǎn)速不變的前提下適應(yīng)流量減少的工況，降低泵額定排量與實(shí)際排量不匹配的現(xiàn)象，但要注意葉輪切割為不可逆過(guò)程，切割直徑應(yīng)控制在10%以下；③對(duì)于機(jī)組效率較低的泵，有可能是變頻器矢量參數(shù)不匹配造成的，重新優(yōu)化參數(shù)，控制50 Hz 以下時(shí)關(guān)閉變頻器。

針對(duì)管道和工藝能效水平低的站場(chǎng)，從以下方面進(jìn)行整改：①在井下采用保溫隔熱油管工藝，提高采出液的井口溫度；②對(duì)站內(nèi)能量利用率較低的設(shè)備停用或并用，提高設(shè)備負(fù)荷率；③采用水源熱泵、空氣源熱泵等技術(shù)回收站內(nèi)余熱，來(lái)用于摻水加熱[10]。

整改前后的優(yōu)化情況見(jiàn)表4。整改后，每月的單日耗氣量可節(jié)約2.0～35.8 m3，每月的單日耗電量可節(jié)約5.7～18.6 kWh，節(jié)能效果明顯。

表4 整改前后的優(yōu)化情況Tab.4 Optimization situation before and after rectification

5 結(jié)論

基于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，構(gòu)建了集輸系統(tǒng)綜合能效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并采用組合權(quán)重-TOPSIS 法對(duì)某油田集輸系統(tǒng)不同月份的能效水平進(jìn)行了評(píng)價(jià)，得到如下結(jié)論：

1）由于單一指標(biāo)數(shù)據(jù)過(guò)于集中，導(dǎo)致熵權(quán)法的計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況不符，通過(guò)G1 法調(diào)和，得到組合權(quán)重中單位液量集輸綜合能耗、集輸工藝適應(yīng)性、單位原油集輸綜合能耗的權(quán)重較大。

2）待評(píng)價(jià)集輸系統(tǒng)中不同月份的相對(duì)貼近度與正貼近度的變化趨勢(shì)更為接近，其中2 月的相對(duì)貼近度最小，綜合能效水平較差；6 月份的相對(duì)貼近度最大，綜合能效水平較好。

3）從水力、熱力和管網(wǎng)角度出發(fā)，針對(duì)用能薄弱環(huán)節(jié)，提出了相應(yīng)的技改措施，節(jié)能效果明顯。