20210601基于层次分析法的井口清洁制热评价

　　

基于层次分析法的井口清洁制热评价

邹林¹，刘杰¹，宋长山¹，李云飞¹，刘绍鹏²

（1.胜利油田技术检测中心；2.胜利油田检测评价研究有限公司）

摘 要 ：目前，井口制热方案多种多样，亟待一种行之有效的综合评价方案以便制热设备的选型和优化。本文采用层次分析法（AHP）建立了复合式清洁制热方案评价体系，根据项目的特点建立了合适的技术型指标、经济型指标以及社会型指标并得到相应的量化方法，结合制热案例优选出最佳清洁制热方案，最后通过井口多设备热效率实验平台的统一试验，验证了本文所提出方法的有效性，对制热方案的选取具有重要的指导意义。

关键词 ：AHP法； 清洁制热； 最优方案

Evaluation method of wellhead cleaning heating based on analytic hierarchy process

Zou Lin,Liu Jie, Song Changshan,Li Yunfei,Liu Shaopeng

（Shengli Oilfield Technology Inspection Center Shengli Oilfield Testing and Evaluation Research Co., Ltd.）

Abstract: At present, there are many kinds of wellhead heating schemes, and an effective comprehensive evaluation scheme is urgently needed to facilitate the selection and optimization of heating equipment. This article uses the analytic hierarchy process (AHP) to establish a composite evaluation system for cleaning and heating systems, according to the characteristics of the project the establishment of a suitable technical index and economic index and social index and get the corresponding quantitative method, optimizing the best cleaning and heating with heating cases, and finally, wellhead equipment more thermal efficiency is the unification of the experiment platform test, The validity of the method proposed in this paper is verified, and it has an important guiding significance for the selection of heating scheme.

Key words: AHP method； cleaning and heating； optimal scheme

0 引言

目前，油田生产系统的供热能源以化石燃料、电能为主，总占比高达93%。井口加热作为原油开采和集输过程中一道必不可少的工序，需耗费大量能源，如胜利油田生产系统全年加热耗能占生产耗能的42.7%，其中井口加热占比加热能耗的26%^[1]。如何降低能耗和提高能源利用率成为亟待解决的问题。

单井燃气加热炉的使用是一种油田井场主要的加热方式，但由于其热效率低、所需气源季节供需不平衡、调节管理难度大及难以达到环保排放标准等问题，逐渐被其它加热方式所取代。

电加热方式供能稳定，但以电能为单一能源的加热装置的运行费用过高，油田全年电加热费用达七千余万元。利用光能、地热等清洁能源结合相关储热的技术设计复合清洁制热方案，可以保证在需求侧的连续稳定输出的同时，利用低价位谷电时段大幅地降低用电费用。

按照储热方式进行分类，储热主要分为三类即显热储热、潜热储热（或称相变储热）以及热化学储热，各储热方式的基本原理及其特点如表1所示。因此，综合各储热的特点，复合清洁制热方案采用具有恒定温度和高储热密度优点的相变储热方式，合理设计设备保温和相变基材料两个环节来进一步的提高装置效率。

多种的制热方式决定了迥异的复合制热方案，一种统一的综合评价方法就显得十分重要，本文基于井口清洁制热系统一体化平台，在统一的试验条件和标准下，采用层次分析法（AHP），建立了复合式清洁制热方案评价体系，优选出最优制热方案。

表1 各储热方式原理及其特点

1 井口清洁制热系统一体化实验平台

本文采用太阳能，PTC，双源热泵为基本测试单元，多个设备通过管路串联或并联在一起。

相变储热模块储热阶段：1）从储罐出来的换热介质，经泵加压后，进入PTC加热装置进行加热，关闭与储罐之间的阀门，换热介质与相变储热材料进行换热，相变材料进行储热；2）从储罐出来的换热介质，经泵加压后，进入太阳能热水器进行加热，关闭与储罐之间的阀门，换热介质与相变储热材料进行热量交换，相变材料吸收高温介质热能储存热量；3）从储罐出来的换热介质，经泵加压后，进入双源热泵，工作环境气温高时，采用空气源对介质进行加热，关闭与储罐之间的阀门，换热介质与相变储热材料进行热量交换，相变材料吸收高温介质热能储存热量；工作环境气温低时，采用水源对介质进行加热，关闭与储罐之间的阀门，换热介质与相变储热材料进行换热，相变材料进行储热。

图1 清洁制热工艺设计图

清洁制热放热阶段：1）换热介质从多功能罐，经泵加压后，进入相变储热装置进行换热，介质流回到污水罐进行换热。2）换热介质从多功能罐，经泵加压后，进入双源热泵进行换热，工作环境气温高时，采用空气源对介质进行加热，气温低时，采用水源对介质进行加热，介质流回到污水罐进行换热。

2 井口清洁制热系统评价体系的建立

本文通过井口清洁制热系统的自身特点及实现功能，综合部分现有技术规范和评价指标，主要设立了技术性能指标、经济性能指标和社会性能指标，尝试建立井口清洁制热系统综合评价体系[2]。

2.1 技术性能指标

井口制热设备众多，制热方案迥异，采用的制热原理也不尽相同。统一的实验平台框架下技术性能指标的设立需考虑各个制热方案的技术特点及能源利用效率情况，因此本文通过选取典型的一次能源利用率、性能系数等定性指标来对各制热方案进行合理分析比较[3][4]。

2.1.1 一次能源利用率

从自然界中获得的未经过加工的能源如原油、天然气等称为一次能源。一次能源利用率PER（Primary Energy Ratio）通过定义所获得可用的能源与对应的所消耗的一次能源的比值，可以较为全面的反映制热系统的能源转化效率。

对于平台的双源热泵系统：

（1）

式中：、——分别为系统产热量、用电量

——为热泵系统中制热系数

——一次能源发电效率

——输电过程中的能源损耗率

对于PTC加热系统：

（2）

式中：————分别为PTC系统系统产热量

————分别为PTC加热系统中制热系数

对于太阳能制热系统：

（3）

式中：————分别为太阳能制热系统产热量

、————分别为太阳总辐射量、太阳能制热系统的集热器总面积按下式计算

（4）

式中：为日均用水量，kg/d；为水的比热容，4.18kJ/(kg·℃)；为储水箱内水的终止温度，℃；为水的初始温度,℃；为当地年平均日太阳辐射量，17813kJ/m²；为太阳能保证率，取为60%；为年平均集热效率，取50%；为管路及储水箱热损失率，取为0.2.

2.1.2 可再生能源利用率

可再生能源主要分为风能、水电、太阳能、地热能、海洋能和生物质能。复合制热系统中的可再生能源主要为太阳能，因此定义的该方案的可再生能源利用率REP(Renewable Energy Ratio)如下：

（5）

式中：——为清洁制热系统中太阳能的利用量，kWh；

——为清洁制热系统能源消耗总量，kWh；

2.1.3 性能系数

在制热工况的性能系数称为制热系数，它是指系统的制热量和有效地输入功率之比，用来衡量系统制热的最基本、最重要的指标。通常用标准工况（或额定工况）的性能系数衡量系统性能的优劣。根据选型设备确定性能系数。

2.1.4 其他技术参数

（1）技术成熟度

技术成熟度是指关键技术如制热设备的技术水平、工艺流程、配套资源等方面满足项目目标程度的一种度量。技术成熟度越高即意味制热设备的产业化实用程度越高。清洁制热系统综合评价系统主要涉及太阳能制热、PTC制热及热泵制热三种制热方式。其中太阳能制热技术非常成熟、已经商业化；双源热泵技术应用较为广泛且技术应用成熟。PTC加热方式能耗很大，但其通过自身的材料特性来进行温度调节，不需要专门的温控器和热电阻热电偶等温度传感器进行温度反馈即能对温度进行控制，产品寿命长，随着PTC材料的优化，发展越来越快。

（2）设备可维护性

设备的可维护性主要包含两个方面即设备的可靠性及维修性，系统可靠性的主要指标包含可靠度、故障率和平均寿命。而系统的维修性主要包含平均修复时间等指标。它们反映了设备是否能够持久地发挥应有的功能，不发生或少发生故障从而降低停机造成的损失及减少维修的工作与费用。

太阳能制热系统的结构简单，运行费用低，维护费用小，无需专门的操作管理人员；双源热泵系统相对复杂，运行维护成本相对较高；PTC制热运行维护保养的成本低。

（3）运行安全稳定性

运行安全稳定性是指制热设备能够在热负荷发生变化或者外界极端天气的情况下，依然能够在制热过程中安全平稳地运行，相关的技术参数和指标保持在合理的数值范围之内而不会发生大的波动。综合分析实验平台的三种制热方式，可以发现太阳能制热系统受天气因素较大，制热量随日照辐射水平发生较大的波动；低室外温度下的双源热泵机组效率低下,系统相对复杂，且在冬季极端恶劣天气的情况下，会存在结霜的问题；PTC加热器室内安装，不受天气因素困扰，且温控较为简易，能够平稳运行，全年相对保持稳定。

（4）占用面积

清洁制热系统中太阳能制热部分主要包含集热板、储水塔、电控箱及管路设置；PTC制热器占用面积较小，只要附着于需要被加热的管路表面；双源热泵系统需要大量空地面积且需设置大的冷却塔。

2.2 经济性能指标

清洁能源经济性评价指标时决定工程项目是否可行的最重要 ，也是各评价准则层中最受项目投资者关注的指标，通常采用初投资、运行成本、投资回收期等二级经济性评价指标^[6][7]。

2.2.1 初投资

井口清洁制热系统中的制热设备众多，各个制热设备可组成不同的的制热方案和系统结构。设备的初投资应包含各个设备的购置费、安装费及调试费用等，制热方案的初始投资费用计算由各个设备各自的初投资组成，如下式所示:

（6）

式中：——为设备单价，万元；——为设备数目，台。

2.2.2 运行成本

涉及电驱动的系统，年能耗费用为年总电费。下表为山东省工业用电220千伏及以上两部制用电价格。

表2 山东省工业用电220千伏及以上两部制用电价格

2.2.3 投资回收期

（7）

式中：——为系统的投资回收期，a;

——系统产品中单位热价，元/kWh；

——系统供热量，kWh。

——为初投资年折算值。

（8）

式中：——折现率，取4.9%；

——为项目运行年限，a。

2.3 社会型指标

2.3.1 资源可利用性

清洁制热方案的确定需分析当地的可利用能源资源的条件和评价相关成本，因地制宜，基于现有的可再生能源资源条件进行遴选。

2.3.2 政策支持

能源方案的确定应符合国家大政策层面，满足国家能源规划等。

2.3.3 平衡能源结构

清洁制热系统方案的确定需要因地制宜，确定工业用电谷电及峰电时间段和日照时间，同时以太阳能资源的特点设计辅助加热储热系统，以降低用电成本。

3 层次分析法（AHP）

3.1 分析评价流程

井口清洁制热系统的评价是一个多层次、多指标复杂问题，对于此类问题的解决方法主要有模糊综合评判法、层次分析法等方法^{[8][9][10][11]}。本文采用层次分析法来解决此类需要考虑各目标、各层次之间的相互关系的复杂问题。

运用层次分析法建立的综合评价模型，需要在建立综合指标体系的基础上，通过上述的三大类指标，本清洁制热方案多维度的指标体系设立如图2所示。在应用到综合评价模型前，需要对综合指标体系进行处理：首先，采用指标量化方法计算各指标，实现综合指标体系的量化；采用层次分析法确定综合指标体系各维度的权重和方案的组合权重；最后，根据各维度指标的权重和组合权重，对方案进行决策分析。

图2 清洁制热多维度指标体系

层次分析法应用于清洁制热方案的评价和最优决策过程是将与决策相关的元素分解为目标、准则及方案三个层次，并在这样的基础上进行定性和定量分析。而建立起复杂的清洁制热系统的评价体系，首先需要建立评价体系的层次结构，然后基于各个层次的定性或定量的指标，建立评价矩阵，最后通过求解各个层次的单排序和各个方案的综合排序权重向量，建立最优的方案^[12]。

3.1 分析模型

（1）层次分析法的评价模型包含目标层、准则层和方案层（图3）

图3 评价模型结构图

（2）构造判断矩阵。通过准则层和方案层元素之间两两比较，确定各个层次各个因素之间的权重。

（3）方案层各元素对准则层的权重依次构成权重向量；将准则层各元素和目标层各元素之间两两比较，判断矩阵的元素由两层元素之间的权重比值采用1-9标度法依式（9）和表3决定。

（9）

式中：取值范围是1，2，3，…，9及其倒数。权重取值对应的重要性见表2。

表3 权重取值及其含义

（4）定义一致性比率C.R.如公式（10）所示，对构造的判断下矩阵进行一致性检验。C.R.<0.1即表明判断矩阵在一致性程度允许的范围内。

（10）

式中：为一致性指标，计算式为

（11）

其中，为判断矩阵最大特征值，为矩阵阶数。

为平均随机一致性指标，与矩阵阶数有关，一般阶数越大，一致性随机偏离越可能出现，一般取值依据下表：

表4 取值与判断矩阵阶数对应关系

（5）准则层各元素对目标层相对权重依次构成权重向量。

（6）层次总排序，计算目标层单一准则下对于各个方案层的权重。

3.2 制热方案分析与决策

3.2.1 仿真方案工况

以井口清洁制热实验平台运营一年的制热项目为例，

方案A：采用双源热泵，空气源制热量约为45kW，水源制热量约为43.5kW。

方案B：采用PTC加热，制热功率为30kW。

方案C：采用太阳能日照时间制热及双源热泵非日照时间制热，太阳能制热功率约为9kW

3.2.2 综合分析评价

基于本文提出的指标体系及层次分析法，对3种制热方案进行综合评价，3种方案的指标权重向量如下式所示。

（12）

（13）

（14）

根据各准则的重要性，通过专家评分，构造判断矩阵：

（15）

对判断矩阵进行检验，计算得

（16）

故判断矩阵满足一致性要求，各向量权重向量

（17）

（18）

综上，仿真结果如表2所示

表5 各方案总排序

准则	权重	方案A	方案B	方案C
技术型指标	0.3331	0.32	0.21	0.47
经济型指标	0.5695	0.26	0.18	0.56
社会型指标	0.0974	0.34	0.08	0.58
方案总排序		0.2878	0.1803	0.5320

从上述表格可以看出，3种方案中，方案C的各项指标更好。

4 结论

本文针对井口制热方案的评价问题通过层次分析法建立了复合式结构的清洁制热方案的评价分析模型，依据制热方案的特点，首先建立了以技术型性能指标、经济型性能指标以及社会型性能指标为主干的多维度多指标体系；然后，利用层次分析法对决策相关元素进行分解，建立了相应的制热方案评价体系；最终通过清洁制热实验平台的仿真方案，利用层次分析法对上述评价体系对各仿真备选制热方案进行排序，选出最优制热方案，验证了本文所提出的制热方案评价方法的有效性，对制热方案的选取有着重要的指导意义。

参考文献

[1] 崔彬澎. 胜利油田集输系统节能降耗措施探讨[J]. 探索科学, 2019, 000(012):185-186.

[2] 袁闪闪, 徐伟. 绿色医院建筑能源系统评价方法研究[J]. 建筑科学, 2014(10):1-7.

[3] 江亿, 刘晓华, 薛志峰, 付林. 能源转换系统评价指标的研究[J]. 中国能源, 2004(03):28-32.

[4] Somma D , M, Graditi, et al. Operation optimization of a distributed energy system considering energy costs and exergy efficiency[J]. Energy conversion & management, 2015.

[5] 田国华、刘朋、张丽娟. 太阳能热水系统集热效率测试与经济效益研究[J]. 江苏建筑职业技术学院学报, 2020, v.20;No.79(03):33-36.

<, /a>[6] 徐宝萍, 徐稳龙. 新区规划可再生能源利用率算法研究与探讨[J]. 暖通空调, 2013(10):52-55.

[7] Tichi S G , Ardehali M M , Nazari M E . Examination of energy price policies in Iran for optimal configuration of CHP and CCHP systems based on particle swarm optimization algorithm[J]. Energy Policy, 2010, 38(10):6240-6250.

[8] Cho H , Mago P J , Luck R , et al. Evaluation of CCHP systems performance based on operational cost, primary energy consumption, and carbon dioxide emission by utilizing an optimal operation scheme[J]. Applied Energy, 2009, 86(12):2540-2549.

[9] Yi Y , Changjun L , Hongbing Z , et al. 模糊综合评判法优选地下储气库方案设计研究[J]. Natural Gas Industry, 2005, 25(8):112-114.

[10] 周丽晖. 一种新的综合评价方法——人工神经网络方法[J]. 北京统计, 2004(11):51-52.

[11] 戴航, 贾斌, 慕德俊. 基于模糊评判法的信息安全风险评估模型[J]. 信息安全与通信保密, 2006(10):133-134.

[12] Wang Y , Zhang C , Zhu L , et al. Application of improved AHP in the evaluation of railway emergency plans[C]// Proceedings of the IEEE International Conference on Networking, Sensing and Control, ICNSC 2010, Chicago, IL, USA, 10-12 April 2010. IEEE, 2010.

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