第29卷第1期辽宁石油化工大学学报Vol

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29No.
12009年3月JOURNALOFLIAONINGUNIVERSITYOFPETROLEUM&CHEMICALTECHNOLOGYMar.
2009文章编号:1672-6952(2009)01-0048-02原油管道安全优化运行研究李晋1,马英利2,张静2,吴明1*(1.
辽宁石油化工大学储运与建筑工程学院,辽宁抚顺113001;2.
辽河油田公司油气集输公司,辽宁盘锦121000)摘要:加热输送是目前输送高粘易凝油品普遍使用的方式.
热油管道在实际运行过程中,管道的能耗费用主要包括输油泵的动力费用和加热炉的燃料费用.
对于一条热油管道,在工艺流程、设备配置、外部环境条件等因素给定的前提下,随着工艺运行方案的变化,相应的电费与燃料费往往按相反的方向变化.
建立了以各站进站温度为决策变量,以输油总能耗最小为目标函数的管道优化运行数学模型,并应用动态规划法来求解优化模型.
实现了输油管道优化运行的目的,使加热原油管道系统处于安全、经济的最佳运行工况.
关键词:原油管道;数学模型;目标函数中图分类号:TE812文献标识码:ASafeandOptimalRunningofCrudeOilPipelineLIJin1,MAYing-li2,ZHANGJing2,WUMing1*(1.
SchoolofStorageandArchitectureEngineering,LiaoningUniversityofPetroleum&ChemicalTechnology,FushunLiaoning113001,P.
R.
China;2.
LiaoheOilfieldOilandGasCompany,PanjinLiaoning121000,P.
R.
China)Received3November2008;revised10December2008;accepted15December2008Abstract:Heatedtransportisacommonwayforhigh-viscosityandsolidificationcrudeoil.
Itconsumeslotsofenergyincludingcostsofthedrivingforcesofthepumpandfuelcostsoffurnaceintheheatedoiltransportation.
Foraheatedoilpipeline,whentheprocess,equipment,externalenvironmentalconditionsarefixed,theelectricandfuelcostwillchangeintheoppositedirectioninaccordancewithrunningprogram.
Themathematicalmodelsofoptimizingoperationonpipingwereestablished,inwhichminimizingthewholeoiltransferenergyconsumptionisusedasobjectfunction,andtheentrancetemperatureofeachstationwasusedasdecision-makingvariable.
Dynamicplanningwasusedtosolvethemodel.
Optimizingoperationofthepipelinemakestheheatedoilpipelinesystemrunsafelyandeconomically.
Keywords:Crudeoilpipeline;Mathematicalmodel;objectfunction*Correspondingauthor.
Tel.
:+86-413-6861858;fax:+86-413-6860766;e-mail:wuming0413@sohu.
com热油管道优化运行可定义为在管线系统本身的结构、流程及其外部环境条件为给定的前提下,合理制定管线的输油计划及运行方案(包括设备组合及运行参数),使之在规定期内完成给定输油任务的同时运行能耗最低[1].
加热输送是目前输送高粘易凝油品普遍使用的方式.
热油管道加热费用占管道总能耗的比例较大,在管道运行中,降低热能损失以降低总能耗对降低输油成本、提高经济效益影响重大[2-3].
考虑到输油管道的自身特点,可采用不同收稿日期:2008-11-03作者简介:李晋(1975-),女,山西长治市,在读硕士.
基金项目:中国石油天然气总公司项目(20080907);辽宁省自然科学基金(20072208).
*通讯联系人的优化方法[4-9].
本文以各站进站温度为决策变量,建立了以输油总能耗最小为目标函数的管道优化运行数学模型,并应用动态规划法来求解优化模型.
1数学模型热油管道在实际运行过程中,输油费用主要包括动力费用和热力费用,动力费用就是泵站通过离心泵将原油从首站一直输送到末站所耗电力的费用,由泵站的升压值决定.
热力费用指用加热炉来提高原油输送温度而耗费的燃料油费用,由加热炉的进出口温度确定.
电能消耗增加,则相应的燃料油消耗减小,电能消耗减小,则相应的燃料油消耗增加,如图1所示.
图1平均输油成本与输送温度的关系因此,热油管道稳态优化运行的目标函数表示为:minS=SR(TZ)+SP(Q)(1)式中,S为输油总能耗费用,元/d;SR(TZ)为管道全线热力费用,元/d;SP(Q)为全线总动力费用,元/d;TZ为进站温度,℃.
由苏霍夫温降公式可知,当输量一定时,热力费用仅与进站温度有关.
已知进站温度,即可求出出站温度.
因此,全线的热力费用计算如下:SR(TZ)=∑ni=1[GC(TRi-TZi)Ef/(ηfBH)](2)式中,i为热站号;n为热站数;G为日输原油质量,kg/d;C为原油热容,J/(kg·℃);TRi为i第站出站温度,K;TZi为第i站进站温度,℃;Ef为燃料油价格,元/kg;ηf为加热炉效率;BH为燃料油热值,J/kg.
每站动力费用计算如下:Smk(Q)=9.
8*24*GgEPH1000η(3)式中,j为泵的序号;k为泵站序号;Smk(Q)为第k站所耗的动力费用,元/d;EP为电力价格,元/(kW·h);H为管道摩阻损失,m;η为泵的效率.
在输油量为定值的情况下,全线总动力费用由式(4)求出,即为各站动力费用的累加.
SP(Q)=Sm1(Q)+Sm2(Q)+…+Smn(Q)(4)式中,SP(Q)为全线总动力费用,元/d;Smn(Q)(n=1,2,3,…)为各站的动力费用,元/d.
按压力、温度、泵特性分类的约束条件为:进站压力约束:pZi≥pmini(5)出站压力约束:pRi≤pmaxi(6)进站温度约束:TZi≥TminZi(7)出站温度约束:TRi≤TmaxRi(8)翻越点压力约束:pmi≥0(9)泵站特性约束:Hmaxi=Ai-BiQ2-m(10)加热炉特性约束:ΔTi=STi/(GC)(11)式中,pZi为第i站进站压力,Pa;pmini为第i站允许最低进站压力,Pa;pRi为第i站出站压力,Pa;pmaxi为第i站允许最高出站压力,Pa;pmi为距第i站m千米处管线压力,Pa;Hmaxi为第i站的泵站最高升压值,Pa;Ai,Bi为第i站泵站系数;Q为体积流量,m3;m为原油流态系数;TZi为第i站进站温度,℃;Tmini为第i站允许最低进站温度,℃;TRi为第i站出站温度,℃;Tmaxi为第i站允许最高出站温度,℃;ΔTi为第i站最大升温值,℃;STi为第i站加热炉有效热负荷,kW.
2模型的求解求解步骤如下:①令首站出站温度为TR1=TminR1.
②根据首站进出站温度差,计算首站热力费用SR1,计算首站-中间站间的阻力损失,从而计算出TR1下的首站最优开泵方案及相应动力费用Sp1,将热力费用和动力费用相加作为首站的总费用S1.
③根据首站出站温度TR1计算中间站进站温度TZ1,根据中间站进站温度,计算中间站在不同出站温度情况下的动力费用和热力费用并得到总能耗费用,从总能耗费用中搜索出最小的一个作为首站出站温度TR1(即中间站进站温度TZ1)下的中间站最优开泵方案和中间站出站温度TR2,如图2所示.
图2首站、中间站出站温度示意图④将首站的总费用和中间站的总费用相加,作为首站出站温度为TR1下的管道全线最优能耗.
⑤令首站出站温度为TR1=TR1+Tstep.
若TR1≤TmaxR1,重复步骤②,否则转步骤⑥.
⑥遍历所有的TR1(计算过程中删去不符合约束条件的方案),得到不同的总能耗费用,从这所有能耗费用中搜索出最小的即为最优解[7-8],对应的各站开泵方案和进站温度即为最优开泵方案和最优进站温度,如图3所示.
图3全线最优出站温度示意图(下转第53页)49第1期李晋等.
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(Ed.
:ZW,Z)(上接第49页)3计算实例以沈抚输油管道2007年运行数据为例,进行管道优化运行方案设计.
全线分3座输油站,分别为首站、中间站和末站.
全长64.
4km,管径为219mm*6mm.
首站油品进站温度62℃,出站温度72.
2℃,出站压力2.
9MPa,出站排量159m3/h,中间站油品进站温度64.
1℃,出站温度69℃,进站压力0.
04MPa,出站压力3.
14MPa,末站油品进站温度57.
6℃,进站压力0.
32MPa.
根据沈抚线运行数据对实际运行费用与优化运行费用的结果进行比较,计算结果见表1.
表1实际运行费用与优化运行费用比较万元/d站次实际费用优化费用节省费用首站0.
5150.
518-0.
003中间站0.
3580.
2360.
122从比较结果可以看出,优化运行后,由于首站出站温度比优化前运行温度高,油品温度增加,从而管道摩阻损失降低,相应的热力费用增加,所以造成首站优化费用增加.
但由于中间站优化费用减少的量超过首站优化费用增加的量,因此总费用还是减少的,节能降耗率为13.
6%.
用该方案优化后每年可节省费用43.
435万元,经济效益可观.
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:ZW,Z)53第1期管建军.
高斯热源模型中单元尺寸与精度关系