王萍 高李穎 羅政華 丁進(jìn)善 劉永明 梁昌晶

1中國(guó)石油華北油田公司第一采油廠

2中國(guó)石油華北油田公司第二采油廠

在石油和天然氣的運(yùn)輸過(guò)程中，泵和壓縮機(jī)是為流體運(yùn)輸提供主要能量的機(jī)械設(shè)備。由于不同區(qū)塊所產(chǎn)原油的油品物性、流變性、剪切歷史、熱歷史等不盡相同，導(dǎo)致泵機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)差異較大，容易出現(xiàn)輸油泵機(jī)組效率低、能耗高等情況[1-3]。因此，對(duì)泵機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行合理評(píng)價(jià)，進(jìn)行能耗分析和能效對(duì)標(biāo)，對(duì)提高集輸系統(tǒng)效率尤為重要。

在能效對(duì)標(biāo)體系的構(gòu)建中，評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取及相關(guān)權(quán)重的確定直接關(guān)系到評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。范明月等[4]采用灰色關(guān)聯(lián)對(duì)采油廠運(yùn)行的299 臺(tái)輸油泵進(jìn)行評(píng)價(jià)，但只考慮了功率因數(shù)、節(jié)流損失率和泵機(jī)組效率3個(gè)因素，在指標(biāo)選取上對(duì)泵機(jī)組效率的影響覆蓋不全，同時(shí)無(wú)法避免指標(biāo)信息之間的重復(fù)性。在此，根據(jù)前期現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)據(jù)分析，采用Pearson相關(guān)系數(shù)描述評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的相關(guān)性[5]，避免指標(biāo)重復(fù)選取，同時(shí)采用熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重，建立合理的標(biāo)桿值及數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，引入綜合評(píng)價(jià)因子，以此反映關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)泵機(jī)組能耗的影響程度，以期實(shí)現(xiàn)泵機(jī)組運(yùn)行能耗的降低和管理水平的提升。

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

評(píng)價(jià)指標(biāo)選取的原則應(yīng)遵循全面性、獨(dú)立性、代表性、可比性和可操作性[6-8]。其中全面性是指指標(biāo)可覆蓋泵機(jī)組的主要用能環(huán)節(jié)，全面反映能效水平；獨(dú)立性是指指標(biāo)之間無(wú)耦合冗余信息，相關(guān)性較?。淮硇允侵钢笜?biāo)可反映泵機(jī)組能量利用效率的主要方面；可比性是指指標(biāo)的計(jì)算方法應(yīng)在行業(yè)具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)；可操作性是指指標(biāo)便于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和計(jì)算。根據(jù)以上原則，參照GB/T 31453—2015《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測(cè)規(guī)范》的相關(guān)要求，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況，選定泵機(jī)組效率、功率因數(shù)、泵機(jī)組單耗、電動(dòng)機(jī)綜合效率、泵效率、節(jié)流損失率6個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

以華北油田采油一廠為例，對(duì)4個(gè)聯(lián)合站內(nèi)的15 臺(tái)輸油機(jī)泵進(jìn)行測(cè)試和統(tǒng)計(jì)，測(cè)試儀器的精度應(yīng)滿足規(guī)范對(duì)準(zhǔn)確度等級(jí)的要求，測(cè)試時(shí)間的選擇和測(cè)算值的取值應(yīng)具有平均值的代表性，同一泵機(jī)組各個(gè)參數(shù)的測(cè)試宜在同一時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表1。其中有2 臺(tái)泵因出口管線距匯管的長(zhǎng)度不夠，導(dǎo)致操作空間不足，無(wú)法測(cè)得節(jié)流損失率。

表1 輸油泵機(jī)組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Tab.1 Monitoring data of oil pump set

為了使評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取更加全面，避免出現(xiàn)無(wú)效指標(biāo)，采用Pearson 相關(guān)系數(shù)衡量隨機(jī)變量間的線性相關(guān)性[9]。假設(shè)有N個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)(xi，yi)(i=1，2，…，N)，相關(guān)系數(shù)ρ計(jì)算式為

其中：ρ的取值范圍為[-1，1]。ρ＞0表示兩組變量正相關(guān)，即當(dāng)一組變量增加或減少時(shí)，另一組變量也增加或減少；ρ＜0表示兩組變量負(fù)相關(guān)，即兩組變量變化情況相反。ρ的絕對(duì)值代表相關(guān)性，0.8＜ |ρ|≤1 表示變量呈極強(qiáng)相關(guān)，0.6＜ |ρ|≤0.8 表示變量呈強(qiáng)相關(guān)，0.4＜ |ρ|≤0.6表示變量呈中等相關(guān)，0.2＜ |ρ|≤0.4 表示變量呈弱相關(guān)，0＜ |ρ|≤0.2表示變量呈極弱相關(guān)或不相關(guān)。

泵機(jī)組效率可全面反映機(jī)組的能耗水平，故將其作為參考序列，比較其余5個(gè)指標(biāo)與其相關(guān)系數(shù)的大?。ū?）。泵機(jī)組效率除與泵機(jī)組單耗和節(jié)流損失率呈負(fù)相關(guān)，與其余指標(biāo)均呈正相關(guān)，其中與泵效率呈極強(qiáng)相關(guān)，說(shuō)明兩者包含重疊信息，應(yīng)將泵效率指標(biāo)去除，以避免指標(biāo)的冗余性。

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣Tab.2 Correlation coefficient matrix of evaluation indexes

2 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

熵權(quán)法是通過(guò)熵值計(jì)算某一評(píng)價(jià)指標(biāo)在不同評(píng)價(jià)體系中的差異程度，屬客觀賦權(quán)法，不受專家判斷、人為因素的影響，廣泛用于多目標(biāo)屬性問(wèn)題。評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值越大，指標(biāo)所包含的信息量越小，不確定性越大，權(quán)重越小；反之亦然。將熵權(quán)法用于輸油泵機(jī)組能效對(duì)標(biāo)中，使賦權(quán)更加符合實(shí)際工況，計(jì)算步驟如下：

（1）假設(shè)有a個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象和b個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)造原始矩陣R={rij}rij（rij表示第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)）。

（2）由于不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的單位、數(shù)量級(jí)不盡相同，故對(duì)原始矩陣進(jìn)行無(wú)量綱化處理，根據(jù)表2的相關(guān)性分析，功率因數(shù)、電動(dòng)機(jī)綜合效率為正向指標(biāo)，即指標(biāo)越大，泵機(jī)組效率越高；泵機(jī)組單耗和節(jié)流損失率為反向指標(biāo)，即指標(biāo)越大，泵機(jī)組效率越低，歸一化公式為

（3）計(jì)算第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)下第i個(gè)對(duì)象的所占比例Pij和第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值Hj，計(jì)算公式為

式中：m為評(píng)價(jià)對(duì)象的總數(shù)，當(dāng)Pij=0 時(shí)，lnPij=0。

（4）計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重ωj。計(jì)算公式為

根據(jù)泵機(jī)組的能量輸出，結(jié)合影響泵機(jī)組效率的各項(xiàng)因素，將功率因數(shù)、泵機(jī)組單耗、電動(dòng)機(jī)綜合效率和節(jié)流損失率作為能效對(duì)標(biāo)的主要因素。對(duì)表1 的數(shù)據(jù)進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，結(jié)果見表3。權(quán)重從大到小依次為功率因數(shù)、節(jié)流損失率、泵機(jī)組單耗和電動(dòng)機(jī)綜合效率，說(shuō)明功率因數(shù)對(duì)該油田集輸泵機(jī)組的用能評(píng)價(jià)影響最大。

表3 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of index weight

3 能效對(duì)標(biāo)分析

關(guān)于對(duì)泵機(jī)組效率、功率因數(shù)和節(jié)流損失率標(biāo)桿值的選取，GB/T 31453—2015《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測(cè)規(guī)范》中按照泵的額定排量對(duì)節(jié)能監(jiān)測(cè)限值進(jìn)行了規(guī)定。對(duì)泵機(jī)組單耗和電動(dòng)機(jī)綜合效率標(biāo)桿值的選取，目前尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[10-11]，在此以最終確定的標(biāo)桿值應(yīng)滿足大于等于平均值為原則，按照樣本覆蓋率進(jìn)行選取。對(duì)于電動(dòng)機(jī)綜合效率這類正向指標(biāo)，在同類樣本中，從小到大排序，當(dāng)平均值大于60%的樣本值時(shí)，以平均值為標(biāo)桿值；當(dāng)平均值未大于60%的樣本值時(shí)，以60%樣本值為標(biāo)桿值。表1中電動(dòng)機(jī)綜合效率的平均值為82.11%，60%的樣本值為90.61%，故標(biāo)桿值為90.61%。對(duì)于泵機(jī)組單耗這類反向指標(biāo)，在同類樣本中，從大到小排序，當(dāng)平均值大于60%以上的樣本值時(shí)，以60%的樣本值為標(biāo)桿值；當(dāng)平均值未大于60%的樣本值時(shí)，以平均值為標(biāo)桿值。表1中泵機(jī)組單耗的平均值為0.78 kWh/m3，60%的樣本值為0.77 kWh/m3，故標(biāo)桿值為0.77 kWh/m3。標(biāo)桿值選取結(jié)果見表4。

當(dāng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)全部達(dá)到標(biāo)桿值時(shí)，則泵機(jī)組定義為監(jiān)測(cè)合格設(shè)備；當(dāng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)泵機(jī)組效率達(dá)到節(jié)能評(píng)價(jià)值，則泵機(jī)組定義為節(jié)能合格設(shè)備。為了充分考慮不同評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)泵機(jī)組效率的影響，引入綜合評(píng)價(jià)因子F，計(jì)算公式為

式中：A為評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)桿值；B為評(píng)價(jià)指標(biāo)監(jiān)測(cè)值。

結(jié)合表1、表3 和表4，計(jì)算綜合評(píng)價(jià)因子F，并與監(jiān)測(cè)到的泵機(jī)組效率進(jìn)行對(duì)比（圖1）。兩者曲線無(wú)法達(dá)到完全一致，原因是由于評(píng)價(jià)對(duì)象數(shù)量較少，且泵機(jī)組效率還與油品物性和泵提升出口壓力大小等因素有關(guān)，但總體上兩者曲線的變化趨勢(shì)類似，說(shuō)明選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)可較好地反映泵機(jī)組用能情況。對(duì)兩者的散點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，擬合函數(shù)為η=39.006 7F+47.225 2，η為泵機(jī)組效率，決定系數(shù)R2=0.952 4，說(shuō)明擬合效果較好（圖2）。

圖1 綜合評(píng)價(jià)因子與泵機(jī)組效率曲線對(duì)比Fig.1 Comparison of the comprehensive evaluation factor and pump unit efficiency curve

圖2 綜合評(píng)價(jià)因子與泵機(jī)組效率擬合曲線Fig.2 Fitting curve of the comprehensive evaluation factor and pump unit efficiency

表4 輸油泵機(jī)組標(biāo)桿值選取結(jié)果Tab.4 Result of benchmarking value selection for oil pump unit

表1中只有1#、3#、4#、5#四臺(tái)泵機(jī)組的效率達(dá)到標(biāo)桿值，其余均未達(dá)標(biāo)，大多數(shù)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)較低，個(gè)別泵機(jī)組的節(jié)流損失率和單耗超過(guò)標(biāo)桿值。在此，計(jì)算標(biāo)桿值與監(jiān)測(cè)值之間的差值，并優(yōu)化調(diào)節(jié)目標(biāo)值，利用擬合函數(shù)預(yù)測(cè)泵機(jī)組效率，提出改進(jìn)措施（表5）。

表5 標(biāo)桿值與監(jiān)測(cè)值的差值及泵機(jī)組效率預(yù)測(cè)Tab.5 Difference between benchmarking value and monitoring value and the prediction of pump unit efficiency

經(jīng)過(guò)參數(shù)優(yōu)化和調(diào)整后，大部分泵機(jī)組均能達(dá)到監(jiān)測(cè)合格和節(jié)能合格的標(biāo)準(zhǔn)，但仍有11#和15#兩臺(tái)泵機(jī)組不合格，其配套電動(dòng)機(jī)為工信部公布的淘汰型電動(dòng)機(jī)（見工信部關(guān)于《高耗能落后機(jī)電設(shè)備（產(chǎn)品）淘汰目錄（第二批、第三批）》中所列設(shè)備），故這兩臺(tái)泵機(jī)組沒有進(jìn)行調(diào)節(jié)優(yōu)化的必要，可直接更換。功率因數(shù)偏低，應(yīng)檢查無(wú)功補(bǔ)償器或電容完好情況并及時(shí)調(diào)整，從而改善電能質(zhì)量；泵機(jī)組單耗較高，主要原因是運(yùn)行泵機(jī)組與實(shí)際生產(chǎn)要求不匹配，未在最佳工作區(qū)內(nèi)運(yùn)行，應(yīng)降低站外集輸與站內(nèi)處理工藝用能負(fù)荷，提高能量利用率；電動(dòng)機(jī)綜合效率偏低，應(yīng)淘汰不合格電動(dòng)機(jī)，可利用變頻調(diào)速技術(shù)改變其流量、揚(yáng)程及電動(dòng)機(jī)的輸入功率；節(jié)流損失率偏高，可在節(jié)流閥處安裝變頻調(diào)速或采用PID整定控制減少節(jié)流損失和壓降。

4 結(jié)論

（1）采用Pearson 相關(guān)系數(shù)對(duì)影響泵機(jī)組效率的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行篩選，利用熵權(quán)法確定了評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，權(quán)重從大到小依次為功率因數(shù)、節(jié)流損失率、泵機(jī)組單耗和電動(dòng)機(jī)綜合效率，說(shuō)明功率因數(shù)是影響該油田集輸泵機(jī)組能耗的重要指標(biāo)。

（2）引入綜合評(píng)價(jià)因子反映關(guān)鍵性指標(biāo)對(duì)泵能效的影響程度，通過(guò)差值計(jì)算預(yù)測(cè)節(jié)能措施實(shí)施后的泵機(jī)組效率，可為針對(duì)性地進(jìn)行能效對(duì)標(biāo)提供理論依據(jù)。