基于焖经济分析法的地面集输系统用能经济评价

某油田区块A的接转站一直采用粗放式生产方式，导致其站内生产损耗严重。通过对主要能耗设备进行分析发现，系统中加热炉设备是能耗薄弱环节。接转站所辖井口16口，其中3口为中频电加热，其他均为热水伴热流程。主要工艺流程：油罐—外输泵—流量计—加热炉—外输管线，如图1所示。针对该区块的这一问题，目前研发了1套可再生能源一体化供热装置替代对原油采出液加热工艺的可行性方案[1-2]。

图1　接转站工艺流程图 Fig.1　Process flowchart of field production facility (FPF)

笔者对该区块改进前后的集输系统实施效果进行预评估，通过建立矩阵模式热经济学模型[3-5]，采用焖经济分析方法对原有工艺系统和即将投产的工艺系统进行用能经济性分析[6-7]。与传统的能量分析法相比[8]，焖经济分析法考虑了系统的投资和其他费用支出，因此焖单价成本由系统效率及投资费用共同决定，是一个综合性的系统性能评价参数，能综合反映系统的节能性与经济性。

东营市支持建设创业孵化基地、创业园区和创客空间，为创新创业者提供低成本运营场地和综合性创业服务，使他们敢创业、能创业、创成业。对评估认定的市级创业孵化示范基地和创业示范园区，给予每处最高200万元的一次性奖补;对直接购买或租赁已开发闲置房地产楼盘作为创业孵化基地和创业园区的，认定为市级创业孵化示范基地和创业示范园区的，最高给予400万元的一次性奖补。［3］“十二五”期间，东营市建成省级创业示范载体5家、市级创业示范载体14家，拨付市级创业载体奖补资金2 400万元。创业载体的健康发展，在为创业者提供良好的创业创新环境的同时，也为东营市产业转型升级和延伸优势产业链提供了有力帮助。

1　经济分析法

传统的能量分析技术仅从系统的能量消耗角度出发，而忽视了系统运营过程中的成本消耗，因此无法全面地评价其生产性能[9-10]。笔者采用的实际是一种焖经济分析方法[11]，综合运用热力学分析原理与经济学理论和方法，同时考虑技术和经济两个方面因素，将结果经济量纲化，以直接用于方案技术经济的比较与决策。

程良伟等[12]采用热经济学理论与方法建立边际焖成本能耗分析模型，针对整个能量系统中某单元或设备进行设计优化和经济运行，可以计算各股焖造成的系统消耗，为节能潜力诊断提供了基础。华贲[13]提出了工艺过程用能分析的“三环节”理论。此模式创造性地应用了R.A.Gaggioli提出的焖经济学的代数模式，为炼油工程的建模和热经济学分析提供了理论基础。Sanaei等[14]发现，焖能效率通常远低于大多数行业和工业部门的能源效率。根据焖能分析结果，得出的效率优先级与根据能量分析得出的结果有一定的差异，建议采用焖能分析作为决策的适当手段。

(2)在本模型中，工资及福利费、外购材料费视为常数项；

图2　接转站焖平衡模型 Fig.2　Exergy equilibrium model of FPF

其中：

流入系统的焖值：

(1)

(3)在本模型中，将原油采出液和伴热水流入系统的焖成本设为0。

1.教师要让学生多角度了解几何学的内容和用途，如在黑板上画赵州桥的草图，让学生猜桥的名称，并说明有关的知识，然后教师进行必要补充，说明赵州桥是几何学和力学的完美结合，美观、轻巧、坚固、实用等等，从而引入几何更多内容，也让学生自己举一些相关例子。

(2)

电焖值：

一是认真做好《意见》的宣贯工作。面向全社会广泛持久深入地宣传《意见》，提高社会各界对实行最严格水资源管理制度的认识，增强贯彻落实自觉性。制定《意见》实施方案和任务分工，细化工作任务，明确目标要求，落实责任主体。

Exe=We

(3)

泵焖值损耗：

Exp=Exe(1-ηexp)

(4)

燃料焖值可以用近似公式进行计算(液体燃料，2个碳原子以上)：

3.大力引进核心人才和高新技术，进一步拓宽领导干部的知识面。针对采油厂开发复杂、难度大的实际，着眼引进掌握高新技术和尖端理论的核心人才，专门从事地质勘探课题研究。以前沿知识和尖端科技进一步开阔领导干部的思路，拓宽其知识面，完善其知识体系，提高其执政能力和领导水平。

(5)

加热炉焖值损耗：

2.4 ROC曲线分析 结果(表3、表4)显示：BMI、腰围、WHtR、WHR均对2型糖尿病患者发生NAFLD有预测意义(P=0.000)；BMI、腰围、WHtR、WHR预测2型糖尿病患者发生NAFLD的截断值分别为24.23 kg/m2、93.5 cm、0.57、0.89。两两间预测价值比较，差异无统计学意义。

Exh=Exf(1-ηexh)

(6)

2　热经济学模型建立

2.1　改造前模型

2.1.1　模型假设

(3)一段还原氢气露点的提高有助于得到窄带粒度分布的钼粉颗粒，在一定范围内钼粉费氏粒度增大趋势较为明显，与一段还原氢气露点增加呈正相关关系。

(1)模型对于压力沉降罐、污水缓冲罐等温度、压力变化较小，能耗较小的设备不做考虑；

系统焖流的平衡分析原理基于热力学第二定律，从工程应用角度形成焖评价准则[15-16]。以油田接转站工艺系统为例，通过分析系统中焖的流动建立焖平衡模型，如图2所示。

流出系统的焖值：

2.1.2　建模方法

根据系统的物理模型建立灰箱模型并进行子系统的划分[15]，灰箱模型如图3所示。

本研究中，研究对象年龄、冠状动脉狭窄程度的比例等情况统计使用IBM SPSS Statistics 21.0完成。

图3　系统灰箱模型 Fig.3　Grey box model of system

输入系统的是来自于计量间的油田采出液和伴热水，输出的是达到外输要求的外输液和达到伴热要求的伴热水。系统中的供给焖为电焖和燃料焖。能耗设备为外输泵、热水泵和加热炉。本灰箱模型子系统共3个，而焖流有9股，需要同时对采出液和伴热水2股物流进行加热和增压。

由图3可以看出，将A区块划分为3个子系统，并且由9股焖流相连，可以得到事件矩阵：

Tout——物流出站温度，℃；

表1　系统的燃料-产品流

Table 1　Fuel-product flow of system

子系统燃料产品1B2B3-B12B5(B7-B3)+(B6-B4)3B8B9-B6

根据系统焖流和子系统的数量，还需要建立6个补充方程才能得到焖成本向量。焖流1、2、4、5、8为已知的输入焖流，焖单价已知，因此可建立5个补充方程，其形式为：

αe×ED×C*=We

(7)

式中：表示已知输入焖流的成本向量。

对于子系统Ⅱ，有2种输出产品E6和E7，按照各产品焖价相等的原则建立补充方程，其形式为：

陈小华：中国创业基本上是人和资本的结合，资本在每个浪潮中起了很大作用。今天看到的独角兽也好，超级独角兽也好，都是跟资本结合的。资本是敏感的，虽然不一定每次看得都准确，但是如果资本完全不看好，这个行业基本就没有太多机会了。

国库集中支付制度顺应了时代发展的潮流，在应用上注重以信息化建设为主，高校财务管理体系应与之相匹配，才可以实现自身管理系统与财政支付信息的有效对接，实现国库集中支付。通过网络信息技术还可以反馈高校财务预算情况，提升了管理职能的效果，促进了高校财务管理的信息化发展，有助于高校财务管理工作的系统化和科学化。

(8)

可以得到扩展后的事件矩阵及扩展后的非能量费用向量：

由此可以得到补充后的现金平衡方程：

(9)

其中：均为已知。

2.2　改造后模型

当前为倡导环保节能和新能源的发展，现针对加热炉系统进行优化改造，提出了可再生能源一体化供热装置，主要用太阳能集热器和地源热泵作为能量获取设备[17-18]，并配有储热水罐，达到能量调峰作用，其模型如图4所示，主要设备如表2所示。由于受到当地太阳能资源及可安装太阳能集热器的面积条件限制，一体化供热装置只是对原油采出液进行加热，伴热水则仍然由原来的真空加热炉进行加热。

图4　太阳能/地热-热泵原油加热装置原理 Fig.4　Principle of solar/geothermal-heat pump crude oil heating device

表2　可再生能源供热一体化装置设备表

Table 2　Integrated heating equipment of renewable energy

项目名称规格单位工程数量太阳能系统空气源热泵系统真空管集热器4.94m2台242(～1200m2)夜间用热水箱250m3个1白天用热水箱5m3个1太阳能热水泵流量21.6m3、扬程26m台6管路系统材料及安装含管道及配件、保温空气源热泵30.24kW台2循环水泵ISGB65-12.5(I) 1备1用台2设备安装含管道、阀门、配电等台2管壳式换热器BEM600-0.4/0.25-72.5-4.5/25-6/1台1热水循环泵流量50m3/H,扬程:12.5m,1用1备台2变频器3.7kWVFD037CP43B台2软化水设备2t/h台1控制系统套1

图5　改造后区块灰箱模型 Fig.5　Grey box model of reconstructed block

为了进行与改造前的比较，将整个可再生能源一体化供热装置作为1个子系统进行考虑，需要注意的是，由于受到当地太阳能资源及可安装太阳能集热器的面积条件限制，一体化供热装置只是对原油采出液进行加热，伴热水则仍然由原来的真空加热炉进行加热。建模方法与2.1相同，改造后的灰箱模型如图5所示。由图5中可以看出，由于改造后原油采出液和伴热水采用不同的加热方式，因此改造后系统整体划分为2部分共4个子系统；此外，新加入焖流10为太阳能和空气能资源，因此焖成本可视为0。

就PTA量表法评价开展前后实验课堂比较，开展后学生对于实验的科学探究能力和兴趣，实验操作过程的科学性和严谨性都有显著的提高。但课堂中一些偶发情况量表是否能够量化体现，不同科学实验能否使用相同的量表进行评价还值得探究。

3　模型求解

3.1　改造前模型

3.1.1　ED计算

已知该区块接转站采出液为120 t/d，进站温度为47 ℃，出站温度为70 ℃。燃油消耗：冬季为1.4 t/d；夏季为0.6 t/d。根据焖值计算式可得到各股焖流的焖值，如表3所示。

3.1.2　非能量费用计算

非能量费用是指除燃料费用外的所有费用，主要包括工资及福利费、外购材料费、折旧费、摊销费、修理费和其他费用。本模型主要对折旧费用和修理费用进行计算。模型中的3个子系统设备投资如表4所示。

表3　各焖流的焖值

Table 3　Energy valve of each flow

焖■用流焖■用值/kW111.4421.78312.044107.545677.766164.2731.9818.59170.91

表4　子系统设备投资

Table 4　Equipoment investrment of subsystem

子系统设备数量投资/(万元)ⅠDYK12-50×9外输油泵216.4Ⅱ1250kW真空加热炉2149ⅢDG25304热水循环泵210.8

由表11可以看出，改造后的系统经济效益有明显提升。可再生能源一体化供热装置对原油采出液和伴热水进行加热后，由于太阳能资源是不计成本的，因此达到外输要求的原油采出液焖成本由0.40元/MW显著降低到0.32元/MW，因此，可再生能源对于节省成本有显著效果。然而，伴热水的焖成本降低幅度较小。这是由于在减少了加热炉热负荷后(即只对伴热水进行加热)，加热炉的规模本应该减小以满足较高的能源利用率，但是出于经济性考虑，仍然采用之前设计规模较大的加热炉，因此能源利用率相较改造前有所降低，分摊到了焖值上。这能够充分说明焖经济成本的大小是通过系统能源利用率和系统投资费用的综合考量得出。

如图2A、图2B、图2C所示，处理7 d时，增温处理下美国薄荷叶片的 PSⅡ最大光化学效率（Fv/Fm）、PSII电子传递量子产率（ΦPSII）和光化学猝灭系数（qP）与对照相比略有升高，但不显著；处理14 d时，则分别较对照下降了11.0%、21.5%（P=0.017<0.05）和 17.1%（P=0.033<0.05）。如图2D所示，处理7 d时，增温处理下美国薄荷叶片的非光化学猝灭系数（qN）与对照相比无显著变化；处理 14 d时，则较对照显著上升了 17.0%（P=0.045<0.05）。

表5　子系统非能量费用

Table 5　Non-energy cost of subsystem

子系统固定资产原值/(万元)折旧年限/年折旧费/(万元·a-1)维修费用/(万元·a-1)非能量费用/(万元·a-1)Ⅰ16.4014.001.170.491.66Ⅱ149.0014.0010.644.4715.11Ⅲ10.8014.000.770.321.10

为使模型中数值单位的统一，将以上所得成本进行单位换算，结果如表6所示。

表6　非能量费用

Table 6　Non-energy cost

非能量费用价格/(元·s-1)Z10.000549Z20.004997Z30.000364

3.1.3　焖流成本计算

对于本系统，焖流1、2、4、5、8为已知输入焖流，其中焖流1和4代表的物流为原油采出液和伴热水，由于该接转站只是中间生产环节，没有明确的“进价”规定，且本次主要目的是进行经济性比较，因此将焖流1和4的成本设为0，不会影响最终结果的比较。

焖流4、5、8分别代表外输泵电耗、加热炉燃油消耗、热水循环泵电耗的焖流。以工业用电价格为0.85元/(kW·h)，燃料油价格为4 520元/t为准。输入焖流的价格如表7所示。

表7　已知输入焖流成本

Table 7　Given cost of input energy flow

焖■用流价格/(元·S-1)20.00042050.07324180.004368

由补充后的现金平衡方程可求解单位焖成本，结果如表8所示。

表8　单位焖成本

Table 8　Unit cost of energy

焖■用流单位焖■用成本/(元·MW-1)10.0020.2430.0840.0050.1160.4070.4080.2490.42

A区块主要产品为加热后的外输液以及加热后的伴热水，从表8中可以看出，其单位焖成本分别为0.40元/MW和0.42元/MW。

3.2　改造后模型

改造后模型的求解思路与改造模型的求解方法基本相同，经过投资估算，可再生能源一体化供热装置的改造费用为280万元。故子系统2的非能量费用折合为28.4万元/a。各子系统的非能量费如表9所示。

表9　各子系统非能量费用

Table 9　Non-energy cost of each subsystem

非能量费用价格/(元·s-1)Z10.000549Z20.009392Z30.004997Z40.000364

由于是对原有的接转站工艺流程进行改造，出于经济性考虑，尽量合理利用原有设备以减少改造投资，因此加热炉的非能量费用不发生改变。求解得到改造后区块的单位焖成本，结果如表10所示。

表10　改造后各焖流成本

Table 10　Exergy cost of each flow of improved system

焖■用流焖■用成本/(元·兆瓦-1)10.0020.2430.0840.0050.1560.4870.3280.2490.41100.00

3.3　结果对比

通过对改造后的A区块进行热经济分析，可以得到主要产品的焖经济成本。接转站的生产目的是提供达到外输温度要求的采出液和温度合格的循环热水，因此主要产品为焖流7和焖流9。改造前后焖成本对比如表11所示。

由上述的原理部分分析可知，通过细化所形成的骨架特征线符合中轴线的实质含义，可以看作河流的中轴。另一方面，GIS中关于矢量数据与栅数据间相互转换的方法已相当成熟，对实现河网混合数据的网络拓扑化也提供了有力的保障。基于此，本实验软件为ArcGIS10.2和使用C++语言制作的ArcObjects插件，本文技术全流程如下图3所示。

表11　改造前后产品焖成本对比

Table 11　Comparison of exergy cost between original and improved system

焖■用流焖■用成本/(元·MW-1)改造前改造后备注70.400.32原油采出液90.420.41伴热水

采用平均年限折旧法(直线折旧法)对固定资产进行折旧，折旧年限取14年。维护修理费用取固定资产原值的2.5%～3%，本文中取3%。由此，3个子系统的非能量费用如表5所示。

4　结论

将焖经济分析法应用于油田地面集输系统的用能经济评价中，验证了改造方案的可行性，说明其更加符合生产节能的需要。从A区块转油站的焖成本分析可以看出，该优化方案效果比较理想，新能源的使用可以节约更多的燃料能耗浪费。因此，通过合理地给出用能系统的焖成本分布情况，对实际生产的经济效益提升和能源浪费减少有一定的指导和启发作用。

符号说明：

Gin——物流进站的质量流量，kg/h；

Cin——物流进站温度下的定压比容，kJ/(kg·℃)；

Tin——物流进站温度，℃；

T0——环境温度，℃；

Gout——物流出站的质量流量，kg/h；

Cout——物流出站温度下的定压比容，kJ/(kg·℃)；

针对燃气企业来说，其有着一个庞大的运营体系，随着清洁性能源的全面普及和应用，这给燃气企业的发展提供了条件。其不仅可以给城市群众生活提供诸多便利，同时还能减少交通运营成本投放，改善城市基础设施，对提升城市环境质量以及推动社会经济稳定发展起到了现实性的效果。

在进行热经济学分析时，通常要对系统中各物流和能流进行“燃料”和“产品”的划分，对于每个子系统而言，可以有多个燃料，但只能有1种产品，故在本系统中，将伴热水和原油采出液的热负荷之和作为系统产品。各子系统的“燃料”“产品”划分如表1所示，其中Bi表示第i股物流的焖值。

燃油的高位热值，取42.9 MJ/kg；

ηexp——泵站焖效率，%；

ηexh——加热炉焖效率，%；

A——(m×n)维事件矩阵；

ED——焖向量的对角矩阵；

C*——单位热经济学成本向量，维数为(n×1)；

Ci——第i股的焖单价，元/MW；

Ei——第i股焖流的值，kW；

α——(n-m)行n列的矩阵；

W——(n-m)维的列向量；

Zi——非能量费用，包括设备折旧费用、管理维护费用等，元/s；

维扩展后的事件矩阵，维扩展后的非能量费用向量，

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