一种基于层次分析法的原油管输 耗评价体系分析方法
技术领域
[0001] 本
发明涉及一种原油管道能效评价领域，具体涉及一种基于层次分析法的原油管输 耗评价体系分析方法。
背景技术
[0002] 管道输送原油一般采用加热输送的方式，需耗费大量
燃料，同时还伴随着热
力损耗与动力损耗，导致管输原油总能耗量巨大。进出站
温度、油品性质、外界环境条件以及各站
能量供应情况都会对复杂的原油输送过程产生影响。一般情况下，研究人员通过对运行方案进行优化调整来使得某些技术经济指标达到最优化。因此，能耗最小便是管道运行优化研究的最终目标，经过研究者们一系列的理论实验研究，取得了一定的进展。
[0003] 传统的能耗评价指标侧重点一般为供能站，而很少关注消耗能量的管段本身，并且传统的基于
热力学第一定律建立的能耗评价指标体系仅仅考虑了能“量”在管输过程中的利用以及损失状况，并没有全面考虑到管输过程中能“质”的变化，这种无法区分不同品质能量的方法显然是不够严谨科学的。由于传统能耗评价指标的局限性和欠严谨性，人们开始关注 这一概念。能效指标是对
油气管道运行情况进行分析评价的重要依据，国内一些专家、学者对于管道的能耗评价指标也进行了进一步的研究，并提出某些 耗评价指标作为对传统能耗评价指标的补充，但目前尚无专
门针对油气管道运行能效评价的完整指标体系。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提供一种基于层次分析法的原油管输 耗评价体系分析方法，这种基于层次分析法的原油管输 耗评价体系分析方法用于解决传统的原油管道能耗评价分析方法不精确的问题。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种基于层次分析法的原油管输耗评价体系分析方法：
[0006] 步骤一：对原油管输过程进行 分析，通过输入 输出 耗，计算系统总损失、不可避免 损失、耗 输量比、 单耗，求解压 热 总 损失率、 耗偏差
指数、 平衡指数，并根据分析指标建立原油管道 耗评价体系层次结构模型，第一层管输原油能耗系数；第二层的四个指标从四个方面对
输油管道能耗划分，四个指标为实物层级指标、强度层级指标、效率层级指标、指数层级指标；第三层包括总 损失、不可避免损失；耗 输量比、 单耗；管道压 损率、热 损率、总 损率；管道 耗偏差指数、平衡指数；
[0007] 步骤二：依据步骤一所建立的原油管道 耗评价体系层次结构模型，将不同层级各指标采用1～9标度法构造判断矩阵，根据各层级矩阵采用“方根法”求解各层次指标权重，在求解最大特征根的
特征向量时归一化进行处理；
[0008] 步骤三：判断矩阵一致性检验，验证步骤二所产生的矩阵思维逻辑的一致性，如果相关指标满足要求，则接受判断矩阵的一致性，根据步骤二计算的各层次结构的指标权重，
整理得出最下层对最上层影响程度的大小；
[0009] 步骤四：通过建立的原油管道 耗评价体系层次结构模型，结合管道的生产数据对原油管输过程进行能效评价；为了计算综合能效，采用计算隶属度进行无量纲处理，结合步骤二中得出的第三层级指标权重进一步求出第二层级指标能耗系数，最终根据第二层级指标能耗系数与指标权重计算管输原油能耗系数；结合各层级指标能耗系数，分析不同输量、不同出站温度工况下
能源利用率不高的原因，有针对性的进行调整，实现原油管道高效低耗运行。
[0010] 上述方案中步骤一中总 损失表示油流热 损失和油流压 损失的和，总 损失Ex计算如下：
[0011] Ex＝Ex(T)+Ex(P)
[0012] 式中：Ex表示总 损失，kJ；Ex(T)表示管输过程中的热 损失，kJ；Ex(P)表示管输过程中的压 损失，kJ；
[0013]
[0014]
[0015] 式中：G表示油品
质量流量，kg/h；c为油品
比热容，kJ/kg·K；A为管道横截面积，m2；T0表示
环境温度；T1表示管道起点温度；T2表示管道终点温度；p0表示
大气压力；p1表示管道起点压力；p2表示管道终点压力；
[0016] 步骤一中不可避免 损失Ex，U为热 损失和压 损失的理论最小值Ex(T)min和Ex(p)min的加和，即不可避免热 损失与不可避免压 损失之和：
[0017] Ex，U＝Ex，U(T)+Ex，U(p)
[0018] 式中：Ex，U表示不可避免 损失，kJ；Ex，U(T)表示不可避免热 损失，kJ；Ex，U(p)表示不可避免压 损失，kJ；
[0019]
[0020]
[0021] 上述方案中步骤一中耗 输量比Ryg是将可避免压 损失换算成标准热值后与质量流量的比值，表示为：
[0022]
[0023] 式中：Ex，U(p)表示管输过程中的不可避免压 损失，kJ；ry表示油品折标准
煤系数，1t油＝1.4286t标煤；G管段中原油的质量流量，kg/s；
[0024] 步骤一中 单耗My是总 损失与原油管道周转量的比值，表示为：
[0025] My＝Ex/Qy
[0026] 式中：Ex表示管输过程的总 损失，kJ；Qy表示原油管道周转量，104kg·km。
[0027] 上述方案中步骤一中压 损率ηy是指各站间除不可避免压 损失之外的压 损与输油干线的压 耗的比值，按下式计算：
[0028]
[0029] 式中：Ex(p)表示管输过程的压 损失，kJ；Ex，U(p)表示管输过程的不可避免压损失，kJ；
[0030] 步骤一中热 损率ηr是指各站间输油干线除不可避免热 损失之外的热 损与该站加热干线介质所消耗的热 耗比值的百分数，按下式计算：
[0031]
[0032] 式中：Ex，U(T)表示管输过程的不可避免热 损失，kJ；Ex(T)表示管输过程的
热损失，kJ；
[0033] 步骤一中 损率ηz是指管输过程中除不可避免 损失之外的 损与总 损失的比值，按下式进行计算：
[0034]
[0035] 上述方案中步骤一中 耗偏差指数Di是指报告期生产单耗与历史平均生产单耗相对百分比偏差，按下式计算：
[0036]
[0037] 式中：Myi表示报告期生产 单耗，MJ/(104t·km)； 表示历史平均生产 单耗，MJ/(104t·km)；
[0038] 步骤一中 平衡指数Bi是指报告期供给输油管道的不可避免压 损失与总 损失的比值，按下式计算：
[0039] Bi＝Ex，U(p)/Ex。
[0040] 上述方案步骤三中“方根法”的求解各层次指标权重步骤如下：
[0041] (1)判断矩阵中每一行分值乘积Ni：
[0042] (2)计算Ni的n次方根
[0043] (3)对向量 进行归一化处理：
[0044] 向量W＝(w1，w2，…wn)T为特征向量。
[0045] 上述方案中检验步骤二所产生的矩阵思维逻辑的一致性的步骤如下：
[0046] (1)判断矩阵最大特征根λmax：
[0047] (2)判断矩阵偏离的一致性指标C.I.：
[0048] (3)随机一致性比率C.R.：
[0049] 其中，R.I.为平均随机一致性指标，由随机一致性指标R.I.值表查得。
[0050] 本发明具有以下有益效果：
[0051] 1、结合现阶段传统能效评价指标，本发明从含蜡原油管道能耗
角度出发，应用分析法提出九个原油管输过程 耗评价指标，并初步建立多层级能耗评价体系构造矩阵。从整体出发，通过权重的计算得出原油管输过程中耗能较大，能效较低的层级指标，利用各耗指标对管道的用能状况进行分析评价，从而判明系统的节能潜力和用能的改进方向，科学合理精准的提高原油
管道系统运行效率，起到节能降耗的目的。
[0052] 2、本发明将管输原油 耗评价指标进行详细地评价，建立更加具有科学性、全面性的管输原油能耗评价体系，可以为降低原油管输过程能耗、提高能源利用效率提供更加充分的理论指导及技术支持。
附图说明
[0053] 图1是本发明原油管输系统 耗指标体系层次结构图；
[0055] 图3不同出站温度下管道综合能耗指标。
具体实施方式
[0056] 下面结合附图对本发明作进一步的说明：
[0057] 这种基于层次分析法的原油管输 耗评价体系分析方法，包括如下步骤：
[0058] 步骤一：建立层次结构模型。从上而下的将系统划分成若干层次，同一层次的各因素从属于上一层因素或者对上一层因素有影响，并支配下一层因素或者受到下一层因素的作用，在此能耗指标体系中从实物、强度、效率、指数四个角度出发，评价能耗的状况，其中G、M、C代表指标。指标体系共分为3层，第一层综合各子层的综合影响；第二层的四个指标是输油管道能耗划分的四个主要方面。建立附图1所示原油管道 耗评价体系层次结构图。
[0059] (1)实物层级(Object)
[0060] 实物层级指标，简称O级指标，是指与能耗相关的最
基础的实物量数据。实物层级包括总 损失，不可避免 损失。
[0061] 不涉及系统的组分与成分
不平衡而仅计及系统与环境的压差和温差，因此包含热损失和压 损失。所以总 损失(Ex)表示油流热 损失和油流压 损失的和，即管输过程的总 耗。
[0062] Ex＝Ex(T)+Ex(P)
[0063] 式中：Ex表示总 损失，kJ；Ex(T)表示管输过程中的热 损失，kJ；Ex(P)表示管输过程中的压 损失，kJ。
[0064]
[0065]
[0066] 式中：G表示油品质量流量，kg/h；c为油品比
热容，kJ/kg·K；A为管道横截面积，m2；T0表示环境温度；T1表示管道起点温度；T2表示管道终点温度；p0表示大气压力；p1表示管道起点压力；p2表示管道终点压力；
[0067] 不可避免 损失Ex，U为热 损失和压 损失的理论最小值Ex(T)min和Ex(p)min的加和，即不可避免热 损失与不可避免压 损失之和：
[0068] Ex，U＝Ex，U(T)+Ex，U(p)
[0069] 式中：Ex，U表示不可避免 损失，kJ；Ex，U(T)表示不可避免热 损失，kJ；Ex，U(p)表示不可避免压 损失，kJ。
[0070]
[0071]
[0072] (2)强度层级(Intensity)
[0073] 强度层级指标，简称I级指标，是指与能耗相关的反映某一单位量下的强度的指标。强度层级包括耗 输量比、 单耗等。
[0074] 耗 输量比(Ryg)是将可避免压 损失换算成标准热值后与质量流量的比值，可表示为：
[0075]
[0076] 式中：Ex，U(p)表示管输过程中的不可避免压 损失，kJ；ry表示油品折标准煤系数，1t油＝1.4286t标煤；G管段中原油的质量流量，kg/s。
[0077] 单耗(My)是总 损失与原油管道周转量的比值，可表示为：
[0078] My＝Ex/Qy
[0079] 式中：Ex表示管输过程的总 损失，kJ；Qy表示原油管道周转量，104kg·km。
[0080] (3)效率层级(Efficiency)
[0081] 效率层级指标，简称E级指标，是指与能耗相关的反映利用率或者损失率的指标。效率层级包括管道压 损率、热 损率和总 损率等，此三项指标从不同角度对含蜡原油管输过程的 耗状况进行评价分析。
[0082] 压 损率(ηy)是指各站间除不可避免压 损失之外的压 损与输油干线的压耗的比值，可按下式计算：
[0083]
[0084] 式中：Ex(p)表示管输过程的压 损失，kJ；Ex，U(p)表示管输过程的不可避免压损失，kJ。
[0085] 热 损率(ηr)是指各站间输油干线除不可避免热 损失之外的热 损与该站加热干线介质所消耗的热 耗比值的百分数，按下式计算：
[0086]
[0087] 式中：Ex，U(T)表示管输过程的不可避免热 损失，kJ；Ex(T)表示管输过程的热损失，kJ。
[0088] 损率(ηz)是指管输过程中除不可避免 损失之外的 损与总 损失的比值，按下式进行计算：
[0089]
[0090] (4)指数层级(Target)
[0091] 指数层级指标，简称T级指标，是指为反映管道宏观能效情况，在实物层级指标、强度层级指标、效率层级指标基础上，综合考虑各相关因素并按照一定
算法形成的综合指数能效指标。指数层级指标主要反映管道能效方面的优化程度。指数层级包括管道 耗偏差指数和 平衡指数， 耗偏差指数(Di)是指报告期生产单耗与历史平均生产单耗相对百分比偏差，按下式计算：
[0092]
[0093] 式中：Myi表示报告期生产 单耗，MJ/(104t·km)； 表示历史平均生产 单4
耗，MJ/(10t·km)。
[0094] 平衡指数(Bi)是指报告期供给输油管道的不可避免压 损失与总 损失的比值，按下式计算：
[0095] Bi＝Ex，U(p)/Ex
[0096] 步骤二：构造判断矩阵采用1～9标度法构造判断矩阵其原理如表1所示。
[0097] 表1 1～9标度法的基本原理
[0098]
[0099] 得
[0100] 计算各层次指标权重。根据步骤二构造判断矩阵采用“方根法”进行求解，在求解最大特征根的特征向量时归一化进行处理。“方根法”的求解步骤如下：
[0101] (1)判断矩阵中每一行分值乘积Ni：
[0102] (2)计算Ni的n次方根
[0103] (3)对向量 进行归一化处理： 向量W＝(w1，w2，…T
wn) 即为特征向量。
[0104] 步骤三：判断矩阵一致性检验。步骤二所产生的矩阵思维逻辑的一致性，步骤如下：
[0105] (1)判断矩阵最大特征根λmax：
[0106] (2)判断矩阵偏离的一致性指标C.I.：
[0107] (3)随机一致性比率C.R.：
[0108] 其中，R.I.为平均随机一致性指标，可由下表2查得。
[0109] 表2随机一致性指标R.I.值表
[0110]
[0111] 如果C.R.＜0.1，则认为判断矩阵的一致性可以接受，权重向量W＝(w1，w2，…wn)T计算合理；如果C.R.＞0.1，则对判断矩阵中的部分分值进行调整，并进行重新计算。
[0112] 层次总排序。根据步骤二计算的各层次结构的指标权重，整理得出最下层对最上层影响程度的大小。
[0113] 表3指标权重总排序
[0114]
[0115] 步骤四：通过建立的 耗效指标体系，结合管道的生产数据对原油管输过程进行能效评价。为了计算综合能效，采用计算隶属度进行无量纲处理，步骤(二)中得出的权重进一步求出能耗系数。其计算方法如表4所示。
[0116] 表4能耗系数计算公式
[0117]
[0118]
[0119] 其中，w代表相应指标的权重值，Ci，max、Ci，min、Ci，0分别代表相应指标的最大值、最小值和平均值，Mi，max、Mt，min、Mi，0分别代表相应能耗系数的最大值、最小值和平均值。
[0121] 为使本发明上述内容能更明显易懂，下面以大庆油田某管道作为研究对象，模拟计算原油管输过程，作详细说明如下：
[0122] 大庆油田某管道长20729m，管径Φ114×4.5mm，保温层厚度40mm，
土壤导热系数1.4W/(m·℃)，管道导热系数45.24W/(m·℃)，埋深1.6m，所处环境温度269.15K(-4.4℃)，油品凝点17℃，反常点36.2℃，油品50℃时比热容为2.228J/g·℃，油品30℃时
密度为
820kg/m3，油品50℃时密度为800kg/m3，油品30℃时
粘度为18mPa·s，油品50℃时粘度为
5.68mPa·s。1月到5月运行参数如下表所示
[0123] 表5 1月～5月运行参数
[0124]
[0125] 对管输过程分析如下：
[0126] 步骤一：建立层次结构模型，根据相关计算公式计算指标结果如下表：
[0127] 表6指标计算结果
[0128]
[0129]
[0130] 步骤二：设计评价指标重要程度并构建矩阵，通过分步计算得到矩阵的相对权重，如表所示：
[0131] 表7判断矩阵G-M及权重
[0132]
[0133] 表8判断矩阵M1-C权重
[0134]
[0135] 表9判断矩阵M2-C及权重
[0136]
[0137] 表10判断矩阵M3-C及权重
[0138]
[0139] 表11判断矩阵M4-C权重
[0140]
[0141] 表12各矩阵相对权重
[0142]
[0143]
[0144] 步骤三：以及一致性检验结果如下：G-M矩阵：W＝(0.4668，0.2776，0.1603，0.0953)；M1-C矩阵：w＝(0.8572，0.1429)；M2-C矩阵：w＝(0.8，0.2)；M3-C矩阵：w＝(0.6，
0.2，0.2)；M4-C矩阵：w＝(0.25，0.75)；
[0145] 表13各矩阵相对权重
[0146]
[0147] 由此可以判断矩阵G-M、M1-C、M2-C、M3-C、M4-C的不一致程度均在容许范围内，可以采用。
[0148] 通过表12的计算分析，得出C层指标对G层的总排序。如表14所示：
[0149] 表14 C层指标对G层的总排序
[0150]
[0151]
[0152] 步骤四：按照步骤结合无量纲隶属度及权重计算相关指标值得到实物层级、强度层级、效率层级及指数层级能效系数，并结合各级能效系数得到管道综合能耗系数，如表所示：
[0153] 表15层级能耗系数
[0154]
[0155] 表16管道综合能耗系数
[0156]
[0157]
[0158] 以本保密性试验中三月份的管输运行工况为参考标准，依次改变原先18m3/h的原油输量为15、21、24、27、31m3/h，其他条件不变，分别计算实物层级、能效层级、效率层级、指数层级以及管道综合能耗系数，绘制曲线如图2所示。依次改变原先79℃的原油出站温度为55、60、65、70、75℃，其他条件不变，分别计算上述能耗系数，绘制曲线如图3所示。
[0159] 从管道综合能效系数的变化可以看出，流量与设计输量(11～25m3/h)接近时，管道综合能耗系数较小，能效较高。当流量大于25m3/h时，管道处于过高输量运行，能耗反而较大。随着原油出站温度的增大，管输系统综合能耗系数逐渐增大，趋势逐渐减缓，与实物层级评价指标所得规律相一致，再次印证了低温运行是原油管道节能输送的一个重要手段。
