基于组合模型的集输系统综合能效评价研究

彭飞 （大庆油田有限责任公司第五采油厂）

1 指标体系建立

随着井口采出液的含水率逐渐升高，油气田的生产能耗呈逐年上升趋势，对能耗的管控压力也越来越大[1]。集输系统是指将油井采出气液混合物汇集、处理和输送的整个工艺系统。受工艺复杂化、设备多样化、工况多变化的影响，集输系统成为油气生产中的耗能大户[2-3]。

目前，关于集输系统能效评价已有诸多学者进行了研究，成庆林等[4]、王萍等[5]对输油泵机组的能效进行了研究，李鹏等[6]、陈浩[7]对加热炉的能效进行了研究。以上研究均是以提高设备效率、减少用能损失为目的的单一局部性能评价，未从整体上考虑集输系统的综合能效，不利于从顶层设计的角度提出技改措施。鉴于此，构建和完善多层级集输系统综合能效评价指标，采用组合赋权和TOPSIS 法完成系统用能水平的评价，以期客观真实地反映系统实际用能情况。

GB/T 33653—2017《油田生产系统能耗测试和计算方法》中规定了多个与集输系统相关的能耗评价指标，基于黑箱能量平衡模型构建集输系统综合能效指标体系（图1）。目标层为集输系统综合能效水平，准则层由联合站能效水平、转油站能效水平、管道能效水平和工艺能效水平组成，指标层由基础能耗指标构成。

图1 集输系统综合能效指标体系Fig.1 System of comprehensive energy efficiency indicator for gathering and transportation system

2 综合能效评价方法

2.1 指标归一化处理

图1 中除工艺能效水平下的基础能耗指标外，其余能耗指标均为定量值，为避免量纲、数量级不一致造成指标间的不可比性，将其进行归一化处理。对于正向指标的指标，采用公式（1） 处理，对于反向指标的指标，采用公式（2）处理。

式中：xij为第i个评价对象第j个指标的原始值；yij为第i个评价对象第j个指标的归一化值；m为评价对象个数；n为指标个数。

对于工艺能效水平下的定性评价指标，采用0～100 的评分进行专家评估，0 分对应水平最差，100 分对应水平最好，再采用公式（1）～（2）进行归一化处理。

2.2 指标权重计算

采用单一熵权法进行权重赋值时，会因某项指标数值过于集中导致权重分配不合理，故在此引用以专家经验判断为依据的G1 法[8]，通过最小鉴别原理将两者权重融合，形成组合权重，见公式（3）。

式中：wj为组合权重；wj′、wj″分别为主观权重和客观权重；Pi为主观权重按照从小到大排列的顺序值；α、β为调和系数。

2.3 TOPSIS 法计算相对贴近度

在利用常规TOPSIS 法进行评价时，视指标属性为相互独立，未考虑指标间的相互作用对评价结果的影响，且某项结果可能存在正、负理想解均接近的现象，无法辨别结果准确性[9]。采用灰色关联分析法可确定不同指标发展趋势的相似程度，将灰色关联度和欧式距离法作为两种与正、负理想解接近程度的计算方式，由此确定相对贴近度。

2.3.1 加权矩阵计算

将组合权重和归一化矩阵结合，形成加权矩阵Z，zij为矩阵中的数值。

2.3.2 确定正、负理想解

取加权矩阵Z中每项评价指标的最大值作为正理想解即指标值越接近该值越好；取每项评价指标的最小值 作 为 负 理 想 解Z-={minzij|i=1，2，…m}即指标值越远离该值越好。

2.3.3 计算灰色关联度和欧式距离

通过公式（5） ～（7） 计算实际能效水平与正、负理想解的贴近程度。

式中：d+i、d-i分别为第i个评价对象与正、负理想解的欧式距离；s+ij、s-ij分别为第i个评价对象第j个指标与正、负理想解的灰色关联系数；s+i、s-i分别为第i个评价对象与正、负理想解的灰色关联度；ρ为分辨系数，取0.5。

再将欧式距离和灰色关联度进行归一化处理，得到综合贴近度，计算式为

式中：D+i、Di分别为欧式距离的归一化结果；分别为灰色关联系数的归一化结果；E+为正贴近度，表示不同集输系统综合能效水平与最佳运行状态之间的贴近程度，值越大，能效水平越高；E-为负贴近度，表示不同集输系统综合能效水平与最差运行状态之间的贴近程度，值越大，能效水平越差。

2.3.4 计算相对贴近度

根据综合贴近度计算相对贴近度fi：

3 实例分析

大庆油田某联合站所属集输系统为例，采用二级布站方式，油井采出液经掺水加热后输送至阀组，阀组负责汇集各井组采出液；随后进入接转站进行初步油水分离和计量；最后进入联合站三相分离器和电脱水器进行油、气、水分离。原油经沉降脱水后，进入负压稳定装置，待含水率小于0.5%且饱和蒸气压低于当地大气压70%后进行外输。采出水经除油、除悬浮物、杀菌后加压进入分区注水或掺水环节；伴生气进入轻烃回收装置回收C3～C4组分，一部分进入加热炉为掺水伴热、原油维温和站内取暖提供热量，另一部分经增压后进入伴生气管道外输。

通过SCADA 系统和现场报表记录，收集2022年1—12 月的各项指标值，利用上述评价方法对能效进行综合评价，基础数据见表1。集输工艺适应性和设备老化程度由集输、储运、安全、设备管理等方面的技术专家和操作员工综合评定。

表1 基础数据Tab.1 Basic data

其中，燃料消耗量、耗电量、单位液量集输综合能耗、单位原油集输综合能耗、管道伴热供给能、管道能损率、设备老化程度等指标与综合能效水平呈反相关；热能利用率、电能利用率、伴热效率和集输工艺适应性等指标与综合能效水平呈正相关。根据公式（1）、（2）对表1 中数据进行归一化处理，以消除量纲对评价结果的影响。

参照2.2 的方法，对归一化的指标权重进行熵权法计算。熵权法结果中，转油站电能利用率的权重最大，转油站只负责对采出液进行预处理，保证采出液可以在满足水力和热力的条件下输送至联合站，因此权重占比应低于联合站级别；单位液量集输综合能耗和单位原油集输综合能耗的权重较小，综合能耗反映了生产1 t 采出液或原油所消耗的能量，属于综合性指标，权重占比应较大。因此，继续对指标进行G1 法主观赋权，再通过公式（3）计算组合权重，其中α和β分别为0.75、0.25。组合权重结果中单位液量集输综合能耗、集输工艺适应性、单位原油集输综合能耗的权重较大，其中集输工艺适应性反映了现有管网布局方式与采出液量、地形地貌、能耗水平、运行安全之间的关系。一般而言，三管伴热工艺的能耗最高，其次为双管掺水、单管环状掺水，常温集输工艺的能耗最低。该集输系统从8 月开始进行了节能改造，将原来的三管伴热工艺改为双管掺水工艺，剩余的伴热水管道为备用，故集输工艺适应性大幅提升。

用G1 法确定准则层的权重，权重从大到小依次为联合站能效水平、转油站能效水平、管道能效水平、工艺能效水平。集输系统综合能效评价指标权重见表2。

表2 集输系统综合能效评价指标权重Tab.2 Weight of comprehensive energy efficiency evaluation indicator for gathering and transportation system

参照公式（4） 对归一化矩阵进行加权处理，并计算出加权矩阵正、负理想解（表3）。

表3 矩阵加权及正、负理想解Tab.3 Matrix weighting and positive and negative ideal solutions

最后，参照公式（5）～（10）计算该集输系统在不同月份的相对贴近度（图2）。不同月份的相对贴近度虽然受正、负贴近度的影响，但明显与正贴近度的变化趋势更为接近。其中2 月的相对贴近度最小，2 月联合站和接转站的耗电量、耗气量较大，电能利用率、热能利用率较低，综合能耗偏高，故集输系统的综合能效水平较差；6 月份的相对贴近度最大，此时地温较高，从热力角度出发对管道输送的要求最低，热能消耗较好，故集输系统的综合能效水平较好。

图2 不同月份的相对贴近度结果Fig.2 Relative proximity results for different months

4 整改措施

针对耗电量大和电能利用低的站场，从以下方面进行整改：①淘汰不符合国家节能标准的电动机和泵组，采用变频调速技术，结合PID 控制动态调整转速与出口阀门开度之间的关系，降低泵出口节流损失和泵管压差，保持泵运行在高效区间；②利用叶轮切割技术，在泵转速不变的前提下适应流量减少的工况，降低泵额定排量与实际排量不匹配的现象，但要注意叶轮切割为不可逆过程，切割直径应控制在10%以下；③对于机组效率较低的泵，有可能是变频器矢量参数不匹配造成的，重新优化参数，控制50 Hz 以下时关闭变频器。

针对管道和工艺能效水平低的站场，从以下方面进行整改：①在井下采用保温隔热油管工艺，提高采出液的井口温度；②对站内能量利用率较低的设备停用或并用，提高设备负荷率；③采用水源热泵、空气源热泵等技术回收站内余热，来用于掺水加热[10]。

整改前后的优化情况见表4。整改后，每月的单日耗气量可节约2.0～35.8 m3，每月的单日耗电量可节约5.7～18.6 kWh，节能效果明显。

表4 整改前后的优化情况Tab.4 Optimization situation before and after rectification

5 结论

基于标准规范，构建了集输系统综合能效评价指标体系，并采用组合权重-TOPSIS 法对某油田集输系统不同月份的能效水平进行了评价，得到如下结论：

1）由于单一指标数据过于集中，导致熵权法的计算结果与现场实际情况不符，通过G1 法调和，得到组合权重中单位液量集输综合能耗、集输工艺适应性、单位原油集输综合能耗的权重较大。

2）待评价集输系统中不同月份的相对贴近度与正贴近度的变化趋势更为接近，其中2 月的相对贴近度最小，综合能效水平较差；6 月份的相对贴近度最大，综合能效水平较好。

3）从水力、热力和管网角度出发，针对用能薄弱环节，提出了相应的技改措施，节能效果明显。