輸油管道泵組合優化運行方案設計及實現

姜遠征 楊祖釗 張金芳

（1.華北電力大學控制與計算機工程學院，北京 102206；2. 中國石油長慶石化公司，陜西 咸陽 712000）

節能減排是“十二五”規劃的重要目標之一。然而，在我國很多行業的多數裝置上，能源消耗與產出的比值遠遠低于發達國家，2010年數據統計表明中國單位 GDP能耗約是日本的 5倍，美國的 3倍[1]。隨著能源的日漸枯竭，高消耗的模式不可持續，因此，提高生產效益勢在必行。在原油的輸送中，由于我國原油含蠟含硫量較高，通常要求加熱輸送，在此過程中，存在許多配置應用不合理的地方，如為保證安全輸油，一般都會過多地設置輸油中繼站，同時配置功率較大的輸送電機，采用較高的輸送溫度。這些“超配”措施能很好地保證輸油的安全卻帶來了極大的能源浪費。對于一些中小型的原油加工企業來說，其超配更加嚴重。本文將要探討的輸油管道隸屬于某中型企業，其設備利用率比較低下。

1 設備現狀及運行方式

1.1 運行概況

某碼頭站原油輸送系統原油接卸能力200萬t/年，輸油操作主要首站有3臺長輸泵、2臺混輸泵，五臺泵年耗電約為占碼頭輸油總電耗的60%。現場數據表明，由于對輸送變化流量的原油時首站各泵的控制運營僅憑調度人員經驗操作，當前習慣操作的泵機組運行效率較低，功耗偏高，泵運行方式單一，現場各泵不能充分利用，特別在最高流量或最低流量時效率更低，因此有必要利用各泵進行優化組合運行，改進目前輸送方案，在保證安全運行的前提下，確定穩定工況下合理的泵組合，達到降低輸油電耗，原油輸送經濟運行、穩定最優的目的。本文只討論泵組合的一個主要原因是因為在實際中，為了加快卸船速度，通常采用高溫卸油，即碼頭站的原油溫度幾乎不需要再加熱就能直接輸送，因此只討論泵組合優化對該碼頭站來說有更大的實際意義。

1.2 首站各泵的主要技術參數

首站各泵機組主要技術參數參見表1。

表1 碼頭站泵機組的主要技術參數

1.3 泵站特性描述

泵站的流量調節是通過合理調整輸油泵的出口閥門開度及多臺輸油泵機組的串并聯實現的。管道特性曲線可以表示為f=H+KQ2，泵的特性曲線為f’=Hb-KbQb2[2-3]。相同泵組合在不同給定質量流量下運行時，流量小于一定值時其單位輸油電耗明顯大于流量高的單位輸油電耗。這是由于輸送小流量原油時，單位輸油電耗較大，引起泵輸送效率下降所致。

由圖1可知，泵特性曲線與管道特性曲線的交點為效率最高的工作點，保持泵特性曲線不變，改變管道的特性曲線，兩曲線得到的建議工作點的流量值也減小。當泵處于最高工作點，流量越大，泵效率越高，從而單位輸油電耗越小，因此為了保證泵高效運行，泵機組運行時應盡量使其在滿負荷下運行[4]。

圖1 泵特性曲線

1.4 單位輸油電耗的計算

輸油管道運行費用主要由輸油泵的動力費用和熱力費用組成，其中原油泵的動力費用占主導地位，本文中對管道的運行優化主要針對泵機組的組合優化，降低泵的實際消耗功率，即單位輸油電耗比，以節省動力費用。由于原油碼頭各泵采用三相電動機帶動，實際能耗比計算公式如下所示：

其中，N為實際功率，kW·h；U為電機線電壓，V；I為電機線電流，A；cos?為功率因數，現場功率因數波動范圍為 0.85～0.92，本文中cos?取為相對穩定區間內的值0.9。

單位輸油電耗[5]如下所示：

其中，Ne為單位輸油電耗（簡稱單耗），kW·h/t；N為實際消耗功率，kW；Q為質量流量，t/h。

1.5 輸油泵實際運行工況

泵組合的優化是通過泵的組合排列來實現的。根據輸油工藝的要求，泵機組實驗應保證在管道穩定運行條件下實現從一種工況向另一種工況的過渡。根據管道設計運行情況統計得到現場流量的波動范圍有八種，分別約為 100t/h，120t/h，140t/h，160t/h，180t/h，200t/h，210t/h，240t/h。由該碼頭6個月的數據得到運行過程中具體波動范圍見表2。

泵機組組合方式在給定輸量下根據管線上的閥門開度與/或泵的串并聯的不同一般有多種。分析各流量區間的實際運行統計數據，選取各參數在穩定運行一定時間后的平均值，對比可知，已有的運行方式中在各給定流量下的所有歷史數據的平均單位輸油電耗遠高于歷史最優單位輸油電耗，說明現有輸送方式大部分都為不經濟的泵組合方式，經驗操作的隨機性令現有控制方案有較大的優化空間。

表2 現場各泵運行數據

2 優化運行方案的確定

2.1 方案原則

1）輸油管道運行優化的目的是在保證輸送任務的前提下，通過泵組合選取效率較高功率最小的匹配機組，確定最優泵組合方案，實現長輸泵與混輸泵的有效利用，從而降低碼頭站動力消耗。

2）當各泵輸送小流量原油時，其泵效率減小，導致單位輸油電耗較大，所以各泵盡量滿負荷運行，保證單耗相對較小[6]。當滿負荷運行泵機組不能滿足給定流量要求時，適當調整閥門開度或改變泵組合方式，以完成付油任務。

2.2 實驗方案

分析碼頭站的實際運行數據可知，輸油系統質量流量區間為80～260t/h，流量變化較大。由于泵串并聯及管道上的閥門開度可以調節，一種泵組合方式一般可以滿足多個輸油量范圍。每種組合可能滿足的給定流量情況如表3所示。另外由于可能存在安全隱患，且當前最大質量流速能夠充分完成付油任務，實際運行中未考慮P2-113與P2-105接力、P2-113與P2-103并聯P2-104接力的泵組合方式。

由表所示，不同輸油流量區間下泵組合方式共有28種。在確認當前批次原油量，確保安全運行的前提下，確定當前每個流量區間對應泵組合方式分別有幾種，從中找到穩定運行下的最小單位輸油電耗。從而確定最優泵組合方式。

目前，煉油廠脫除MDEA溶液中HSS主要采用在線離子交換技術(如青島煉油、鎮海煉化、惠州煉油等)，把含有HSS的貧胺液通過離子交換樹脂，HSS中的陰離子與樹脂上的氫氧根離子發生置換反應，從而被樹脂吸附。樹脂飽和后再用氫氧化鈉溶液再生，產生鈉鹽和堿液的混合廢液。離子交換技術需要耗費一定量的堿液以不斷再生樹脂，同時產生大量含胺廢水，平均每處理1 m3胺液約產生含胺廢水1.5～2.4 m3[6]。含胺廢水對污水處理場生化系統的運行非常不利。因此，對污水處理能力有限的煉油廠，選擇離子交換除鹽技術時要充分評估設備運行對系統污水平衡的影響。

2.3 數據分析

現場采集到的變量有電壓，電流，質量流量，溫度，首站壓力，末站壓力等，采樣間隔為 30s。為精確計算單位輸油電耗等參數，對所取數據作初步分析。現有采集碼頭站的各參數數據僅僅局限于管道中若干測試點，且因原油流動各參數受到系統、測量元件及外部干擾產生的大量未知噪聲的污染，使得部分數據失真，難免會和實際情況不符，出現隨機誤差。在利用此類現場實時數據進行規律總結之前，需進行數據預處理，才能更好地對碼頭站運行狀態進行觀測、評價和優化。

本文對單位輸油電耗相關變量如各泵電壓，電流，質量流量分別進行濾波，首先采用洛必達法則判斷各變量壞值，然后采用滑動平均法對各變量壞值及缺失值進行平滑處理。

由表4可知，輸油泵P2-103單獨運行時在質量流量低于205t/h的各流量區間單耗占優；輸油P2-105單獨運行時在質量流量為205～270t/h時單耗占優；輸油泵P2-104單獨運行時單耗較高，滿負荷時(質量流量約為140t/h)單耗相對低流量時較低；輸油泵P2-103與P2-104并聯運行時能夠覆蓋的流量區間范圍較大，為133～250t/h，但其單耗均較高，可作為備用方案運行；另外，長輸泵與P2-113串聯后流量提升幅度明顯大于與P2-115并聯，P2-104與P2-113、P2-103與P2-113并聯后分別可作為質量流量準則約為180t/h和200t/h的備選方案。

3 節能效果綜合評價

3.1 以瞬時流量為標準進行節能優選

管道輸送能力是指啟泵輸送時的流量，由表4可知，當質量流量約為240～260t/h，建議啟用泵P2-105；當質量流量區間為100～210t/h，建議啟用泵P2-103。單位輸油電耗最高的泵組合方式為在各流量區間各有不同，此外其余流量區間時不存在經濟泵組合。

表3 泵組合方式

表4 實際運行方案

3.2 以日輸量為標準進行節能優選

考慮碼頭站輸油系統實際運行狀況，指定日流量超出5640t時，一般為P2-105滿負荷全天運行，低于2000t時為103號泵全天運行，其余流量區間考慮的泵切換的時間，不能全天都有機組在運行，即公式（1）的時間約束不能取等號。忽略高程差按水平管道考慮輸油系統運行狀況，建立一個動力消耗的目標函數，確定管道系統在最佳效率下泵機組組合方案，計算輸油系統不停輸運行達到最優時每天的動力消耗。用線性規劃單純形法求出每種流量的建議運行時間，通過選擇合適的泵組合調節流量使電力費用達到最小。

式中，S為各建議方案總電費，元；ti為各泵組合建議方案運行時間，單位為 h，有 9個流量準則，因此i=1…9；Qi為各流量準則對應最優泵組合的質量流量，t/h，Q為原油給定日輸送總量，t；Ni為最優泵組合的最小單位輸油電耗，kW·h/t。

3.3 按年輸量為標準進行節能優選

同理，按照年輸量對泵機組組合選擇從而實現單位輸油電耗優化的數學模型可以描述為

3.4 算例計算

根據該碼頭站2003年至2007年運行數據（表5），對優化運行方案的節能效果進行評價。由于輸油電耗占是碼頭站電力消耗的重要組成，約占全部耗電量的60%。

表5 2003－2007年運行數據

按照單純形法對式（1）、式（2）兩模型進行求解，依次得到不同規格下給定輸量的優化結果（表6－8）。

如表6所示，將年輸量按照年運行360天折算為瞬時流量，對照表3中各流量區間建議泵組合最低輸油電耗，按優化方案運行后，2003－2007年單位輸油電耗明顯低于實際數據。

表6 瞬時流量

如表7所示，按優化方案運行后，2003－2007年平均每日節約電能分別為282.9kW·h，365.5kW·h，461kW·h，346kW·h，87kW·h。

如表8所示，按優化方案運行后，2003－2007年平均每年節約電能分別為10.72萬kW·h，15.6萬kW·h，17.22 萬 kW·h，13.44 萬 kW·h，3.51 萬 kW·h。

表7 實際日輸油量

表8 實際年輸油量

4 實際運行數據及其優化

本文所設計的優化準則在2011年2月份開始試運行，5月份開始按建議方案運行，2－4月份建議運行與實際運行的節能效果平均優化百分比分別為20.6%，13.75%，16.95%。5月中上旬的每天的運行數據如表9所示。

表9 5月實際運行數據

*備注，優化比為0%的表示該天已經按建議方案運行。

總體看來，按照建議操作方案操作，能較大幅度地降低輸油電耗。

5 結論

對于國內短輸管線輸量多，原油輸送管理市場需求大，本文以單位質量流量能耗比為依據的泵組合優化分析方法良好，數值準確，運行優化方案合理，結果對現場有實際意義，可為工程提供參考。在不同規格給定輸油量下，經濟運行與泵組合方案有關，建立的經濟運行時間最小輸油電耗的目標函數是優化分析結果合理可靠的重要依據之一。最后根據某碼頭的實際工況，給出了節約電耗的泵組方案，并根據2003－2007年輸油量計算出的不同最優泵組合動力費用，與實際電費相比，按照日輸油量和年輸油量平均相差分別約為4.09%，3.75%，平均每年節省電能12.31萬kW·h。考慮到該碼頭站以往的統計數據并沒有具體統計原油輸送的電耗，故該節能并不具有代表性。由2011年2－5月實際優化運行數據可知，平均每月節約16.51%電耗。這表明輸油系統經過簡單的調整就能實現大幅節能。因此，合理的泵匹配一定程度下可以降低輸送成本，對國內短輸管線的經濟運行有實際意義。

[1]http∶//data.worldbank.org/

[2]嚴大凡.輸油管道設計與管理[M].北京∶石油工業出版社,1986.

[3]孫青峰, 吳長春. 慶鐵輸油管道系統穩態優化運行分析[J].油氣儲運,23(6)∶7-14, 2004.

[4]吳長春, 李東風等. 秦京管道穩態優化運行方案的分析與確定[J]. 油氣儲運, 21(12)∶ 4-11.

[5]何紹軍.順序輸送成品油管道主泵運行方式的優選[J].油氣儲運, 1999,(12) .

[6]宮敬,儲祥萍,于達.成品油管道優化運行方法研究[J].油氣儲運,2000(10).