輸油管線優化的泵管耦合分析模型

程瑜華，戴定益，崔 萌 (長慶油田第八采油廠，陜西 西安 710021)

輸油管線優化的泵管耦合分析模型

程瑜華，戴定益，崔 萌 (長慶油田第八采油廠，陜西 西安 710021)

在輸油管線的運行過程中，管線的電力和燃油消耗成為其主要的費用，原油在輸送中所消耗的能量要占到原油的1% ～ 3%，因此，對輸油管線實行優化設計，降低輸油管道系統的能耗，對管線的長期經濟、安全運行有重大的意義。介紹了傳統解耦處理模型所存在的問題，提出了建立泵管耦合分析模型及相應目標函數的對策。

輸油管線；優化；解耦處理模型；泵管耦合分析模型；目標函數

原油在輸油管線的輸送中會消耗大量的能量，對于任何一條正在運行的輸油管線而言，其所消耗的費用大多來自于管線的電力和燃油消耗，據統計分析，能源的消耗費用有時可以占到輸油成本的一半以上[1-3]。因此，要降低輸油成本，就需要降低輸油能耗，對輸油管線實行優化設計。

1 影響管線經濟運行的因素

通過對輸油管線的運行分析，影響其經濟性的因素大致有以下幾點：

1)已知因素 已知因素一般包括管徑、輸量、原油物性、地形等因素。

2)條件已知因素 設計人員對管線多年來的運行記錄和實測數據進行總結整理，這些記錄和數據一般為不同季節管道沿線的地溫變化、不同的輸量和埋設地域站的溫降和壓降、結蠟情況等。通過總結和整理，以此來對傳熱系數進行反算，這些記錄會經過數學計算等處理后存入數據庫。為了能夠使反算的數據結果更加符合實際，在計算時應當考慮到過泵油流溫升、管閥件摩阻等因素的影響。

3)輸送工藝的條件 這些條件一般包括允許的最高油溫和管壓、設備的最大負荷以及進站壓力、末站進站油溫等因素，這些因素都屬于約束條件，其會直接影響到最終方案設計的正確性和操作性。

4)管線的鋪設方式 一般而言，其包括單管線、雙管線、分輸、合輸等。在進行分輸、合輸方案時，要建立相應的模型從而解決流量分配的問題。

5)熱力和壓力越站判據 確定合適的判據并不容易，其所受到的影響因素十分復雜，因此在進行判據獲取時，應當針對管線的具體情況來對現場的經驗數據進行反演。

6)人為的決策 如泵爐啟動的位置、油溫油壓的參數控制等等。

2 傳統解耦處理模型存在的問題

因為節能降耗能夠大大降低輸油管線的運行成本，經過多年的研究和實踐，在節能降耗的方面，通過使用加劑降凝降粘、熱處理、泵調速及設備改造等措施都可以降低輸油成本。對輸油管線進行優化，使全線的泵爐實現優良組合，是降低輸油成本的基礎。在過去的研究中，多數研究是采用泵管解耦，實現簡化和優化過程，即先對加熱方案進行優化，在此基礎上通過二次分析，最終來確定泵運行的方式。但是，實際上，泵管耦合模型的關系是十分密切的。采用傳統解耦處理雖然可以將分析過程簡化，但是與實際情況卻存在著明顯的偏離，會最終影響到分析的精確性和實用結果。如在輸油管線的優化設計中，對泵問題的處理是比較多的，其中，輸送條件的改變會使動力費在總費用中的比例發生40%～60%的變化，可以看出，解耦處理模型在實際的工程應用中可能會造成一定的偏差。

同時，解耦處理可能會導致一些工藝約束無法對目標函數進行有效約束，如泵特性工藝、進站壓力要求等，這些都會導致其工程應用受到限制。因此，筆者基于傳統解耦處理模型所存在的問題，采取泵管耦合分析模型，對相關的工藝約束條件進行確定，使得其成為符合實際和能夠直接應用于實際工程的優化設計方案。

3 泵管耦合分析模型

為了簡化分析的過程，首先可以進行以下的幾點假設條件：①管道石油的輸送過程屬于穩態過程；②在管壁的結蠟段，所有的凝蠟的厚度均是相等，厚度取值為平均的當量。因此，通過以上假設，就確定了管線的運行費用只與熱爐啟用站中的進站油溫有關系。可以通過對沿線的溫降和壓降進行計算，并根據輸送工藝的要求和越站判據，對泵爐的啟用站位置數目以及出站的管壓和溫度進行確定，得出熱力動力的消耗。通過以上分析過程，在進行密閉輸送時，運行優化的目標函數可以表示為：

minf=S1(tzm)+{S2(tzm)}

(1)

{S2(tzm)}=[S21,S22,…,S2l,…,S2m]T

(2)

(3)

在上述的約束條件中,tn表示輸送階段的原油凝點，其是由熱處理特性確定的；tmax表示的是所允許的最高油溫；temin表示的是末站允許進站的最低油溫，其通常是由原油物性和儲存要求決定的；pmax表示的是輸油管道內允許的最大承壓值，其通常由強度要求來確定；pmin表示的是最低出站壓力，其是為了克服沿線地形的高差和站間摩阻，使原油能夠順利出站的最低壓力，其一般會隨著站間的管線以及油流條件的不同而發生變化；[pzm]表示的是中間站允許的最低進站壓力；[pend]表示的是末站允許的最低進站壓力，最低進站壓力是由進站壓頭要求、壓降計算誤差、站內摩阻等確定的；ηjmin表示的是下限效率，其是由運行泵按照高效區的工作要求來進行確定的；Njmax表示的是運行泵允許的最大軸功率，其是由所配的電機確定的，目的是為了防止超載。

tzm作為所優化的對象，應當滿足工藝的規范要求，即：

tzm>tn+(3～5)

(4)

出站油溫tout應當滿足的條件為：

tout≥tn+Δtmin+(3～5)

(5)

為了保障管道能夠安全運行，需要對管壁的結蠟進行考慮，即要保障結蠟厚度要低于結蠟危險區下限結蠟厚度。

在上述方程中，管道安全輸送規定的溫度為3～5℃；Δtmin表示的是在油管輸送時要求的最小的站間溫降，其取值通常是由管道的輸量、站間管線的傳熱系數、管壁的結蠟情況、出站油溫以及泵揚程約束等條件確定的。應當指出的是，當處于輸量條件時，結蠟厚度必須要小于危險區下限的結蠟厚度。在上述所有的約束條件中，熱泵站泵爐設備和站間的管線的約束值在實際情況下要遠遠大于9。

從上可見，當約束條件的取值不同時，會導致不同的設計方案，只要嚴格根據工藝的要求，并按照設備和現場實際情況才能確定出符合實際的許可值，才能設計出可以滿足各種輸送條件的決策方案。

在上述的約束條件方程式中，也包括了熱力、壓力的越站判據，但是其取值的復雜和困難程度要遠遠大于方程式本身，是需要通過對各種因素進行綜合和計算后才能得到的。因為目標函數和約束條件基本上已經包含了管線和設備的運行情況，因此式(1)的優化過程就成為泵管耦合。同時，又因為泵組合具有多樣性，其所形成的S2(tzm)系列使得在式(1)函數的求解過程中，自然地將tzm和S2l兩個尋優過程結合在一起。其中，目標函數中的溫降計算是以蘇霍夫公式為依據的，壓降計算對牛頓流采用的是列賓宗公式，非牛頓流是通過采用假塑性體來進行處理的。此外，為了使得數值的處理更加方便，可以采用等溫降試算迭代法，當Δt的取值非常小時，計算段的溫度處理的誤差會更小，從而保證了物性參數能夠獲取更加準確，也有利于在管線中流態和結蠟段的分布。

4 泵管耦合分析模型的優化效果

泵管耦合分析模型的優化效果，對石油管線和石油經濟效益有著非常大的意義。在泵管組對上可以多元化和多組化，并且能夠適應多種地形和環境，以及運輸的溫度和散熱條件。有效地避免了以前傳統方法中的弊端，比如管壁的結臘過厚現象，具有很高的運輸質量和精度；在泵管耦合分析模型的基礎上，優化了結構熱應力、熱彎率、熱振動問題。泵管耦合分析模型能夠完全符合石油運輸和石油工藝要求，降低能耗，增大經濟效益，減少人力資源。

5 結 語

在輸油管線中，管泵的關系是十分密切的，在給定輸量的情況下，其運行的經濟性與泵爐的匹配相關，通過泵管耦合分析模型和目標函數的建立，分析目標函數的約束條件，為優化分析結果的準確性和合理性打下了可靠的基礎。

[1]孟振虎，陳毅忠,馬平.輸油管線運行優化實用分析[J].油氣儲運，2002,21(4) ：9-131.

[2]劉曉燕，劉揚，孫建剛，等.輸油管道運行優化研究[J].工程熱物理學報,2004,25( 4): 558-561.

[3]徐嚴波.輸油管道優化運行方案研究[D].南充：西南石油學院,2002.

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.08.037

TE973

A

1673-1409(2012)08-N112-02

2012-05-26

程瑜華 (1982-)，男，2006年大學畢業，助理工程師，現主要從事采油管理方面的研究工作。

[編輯] 洪云飛