輸油管線優(yōu)化的泵管耦合分析模型

程瑜華，戴定益，崔 萌 (長(zhǎng)慶油田第八采油廠，陜西 西安 710021)

輸油管線優(yōu)化的泵管耦合分析模型

程瑜華，戴定益，崔 萌 (長(zhǎng)慶油田第八采油廠，陜西 西安 710021)

在輸油管線的運(yùn)行過程中，管線的電力和燃油消耗成為其主要的費(fèi)用，原油在輸送中所消耗的能量要占到原油的1% ～ 3%，因此，對(duì)輸油管線實(shí)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低輸油管道系統(tǒng)的能耗，對(duì)管線的長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行有重大的意義。介紹了傳統(tǒng)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(yīng)目標(biāo)函數(shù)的對(duì)策。

輸油管線；優(yōu)化；解耦處理模型；泵管耦合分析模型；目標(biāo)函數(shù)

原油在輸油管線的輸送中會(huì)消耗大量的能量，對(duì)于任何一條正在運(yùn)行的輸油管線而言，其所消耗的費(fèi)用大多來自于管線的電力和燃油消耗，據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，能源的消耗費(fèi)用有時(shí)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(duì)輸油管線實(shí)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 影響管線經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的因素

通過對(duì)輸油管線的運(yùn)行分析，影響其經(jīng)濟(jì)性的因素大致有以下幾點(diǎn)：

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(shè)計(jì)人員對(duì)管線多年來的運(yùn)行記錄和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)整理，這些記錄和數(shù)據(jù)一般為不同季節(jié)管道沿線的地溫變化、不同的輸量和埋設(shè)地域站的溫降和壓降、結(jié)蠟情況等。通過總結(jié)和整理，以此來對(duì)傳熱系數(shù)進(jìn)行反算，這些記錄會(huì)經(jīng)過數(shù)學(xué)計(jì)算等處理后存入數(shù)據(jù)庫。為了能夠使反算的數(shù)據(jù)結(jié)果更加符合實(shí)際，在計(jì)算時(shí)應(yīng)當(dāng)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(shè)備的最大負(fù)荷以及進(jìn)站壓力、末站進(jìn)站油溫等因素，這些因素都屬于約束條件，其會(huì)直接影響到最終方案設(shè)計(jì)的正確性和操作性。

4)管線的鋪設(shè)方式 一般而言，其包括單管線、雙管線、分輸、合輸?shù)取Ｔ谶M(jìn)行分輸、合輸方案時(shí)，要建立相應(yīng)的模型從而解決流量分配的問題。

5)熱力和壓力越站判據(jù) 確定合適的判據(jù)并不容易，其所受到的影響因素十分復(fù)雜，因此在進(jìn)行判據(jù)獲取時(shí)，應(yīng)當(dāng)針對(duì)管線的具體情況來對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演。

6)人為的決策 如泵爐啟動(dòng)的位置、油溫油壓的參數(shù)控制等等。

2 傳統(tǒng)解耦處理模型存在的問題

因?yàn)楣?jié)能降耗能夠大大降低輸油管線的運(yùn)行成本，經(jīng)過多年的研究和實(shí)踐，在節(jié)能降耗的方面，通過使用加劑降凝降粘、熱處理、泵調(diào)速及設(shè)備改造等措施都可以降低輸油成本。對(duì)輸油管線進(jìn)行優(yōu)化，使全線的泵爐實(shí)現(xiàn)優(yōu)良組合，是降低輸油成本的基礎(chǔ)。在過去的研究中，多數(shù)研究是采用泵管解耦，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化和優(yōu)化過程，即先對(duì)加熱方案進(jìn)行優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上通過二次分析，最終來確定泵運(yùn)行的方式。但是，實(shí)際上，泵管耦合模型的關(guān)系是十分密切的。采用傳統(tǒng)解耦處理雖然可以將分析過程簡(jiǎn)化，但是與實(shí)際情況卻存在著明顯的偏離，會(huì)最終影響到分析的精確性和實(shí)用結(jié)果。如在輸油管線的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，對(duì)泵問題的處理是比較多的，其中，輸送條件的改變會(huì)使動(dòng)力費(fèi)在總費(fèi)用中的比例發(fā)生40%～60%的變化，可以看出，解耦處理模型在實(shí)際的工程應(yīng)用中可能會(huì)造成一定的偏差。

同時(shí)，解耦處理可能會(huì)導(dǎo)致一些工藝約束無法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行有效約束，如泵特性工藝、進(jìn)站壓力要求等，這些都會(huì)導(dǎo)致其工程應(yīng)用受到限制。因此，筆者基于傳統(tǒng)解耦處理模型所存在的問題，采取泵管耦合分析模型，對(duì)相關(guān)的工藝約束條件進(jìn)行確定，使得其成為符合實(shí)際和能夠直接應(yīng)用于實(shí)際工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

3 泵管耦合分析模型

為了簡(jiǎn)化分析的過程，首先可以進(jìn)行以下的幾點(diǎn)假設(shè)條件：①管道石油的輸送過程屬于穩(wěn)態(tài)過程；②在管壁的結(jié)蠟段，所有的凝蠟的厚度均是相等，厚度取值為平均的當(dāng)量。因此，通過以上假設(shè)，就確定了管線的運(yùn)行費(fèi)用只與熱爐啟用站中的進(jìn)站油溫有關(guān)系。可以通過對(duì)沿線的溫降和壓降進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)輸送工藝的要求和越站判據(jù)，對(duì)泵爐的啟用站位置數(shù)目以及出站的管壓和溫度進(jìn)行確定，得出熱力動(dòng)力的消耗。通過以上分析過程，在進(jìn)行密閉輸送時(shí)，運(yùn)行優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)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(diǎn)，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(jìn)站的最低油溫，其通常是由原油物性和儲(chǔ)存要求決定的；pmax表示的是輸油管道內(nèi)允許的最大承壓值，其通常由強(qiáng)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(huì)隨著站間的管線以及油流條件的不同而發(fā)生變化；[pzm]表示的是中間站允許的最低進(jìn)站壓力；[pend]表示的是末站允許的最低進(jìn)站壓力，最低進(jìn)站壓力是由進(jìn)站壓頭要求、壓降計(jì)算誤差、站內(nèi)摩阻等確定的；ηjmin表示的是下限效率，其是由運(yùn)行泵按照高效區(qū)的工作要求來進(jìn)行確定的；Njmax表示的是運(yùn)行泵允許的最大軸功率，其是由所配的電機(jī)確定的，目的是為了防止超載。

tzm作為所優(yōu)化的對(duì)象，應(yīng)當(dāng)滿足工藝的規(guī)范要求，即：

tzm>tn+(3～5)

(4)

出站油溫tout應(yīng)當(dāng)滿足的條件為：

tout≥tn+Δtmin+(3～5)

(5)

為了保障管道能夠安全運(yùn)行，需要對(duì)管壁的結(jié)蠟進(jìn)行考慮，即要保障結(jié)蠟厚度要低于結(jié)蠟危險(xiǎn)區(qū)下限結(jié)蠟厚度。

在上述方程中，管道安全輸送規(guī)定的溫度為3～5℃；Δtmin表示的是在油管輸送時(shí)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(shù)、管壁的結(jié)蠟情況、出站油溫以及泵揚(yáng)程約束等條件確定的。應(yīng)當(dāng)指出的是，當(dāng)處于輸量條件時(shí)，結(jié)蠟厚度必須要小于危險(xiǎn)區(qū)下限的結(jié)蠟厚度。在上述所有的約束條件中，熱泵站泵爐設(shè)備和站間的管線的約束值在實(shí)際情況下要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于9。

從上可見，當(dāng)約束條件的取值不同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致不同的設(shè)計(jì)方案，只要嚴(yán)格根據(jù)工藝的要求，并按照設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況才能確定出符合實(shí)際的許可值，才能設(shè)計(jì)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(jù)，但是其取值的復(fù)雜和困難程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于方程式本身，是需要通過對(duì)各種因素進(jìn)行綜合和計(jì)算后才能得到的。因?yàn)槟繕?biāo)函數(shù)和約束條件基本上已經(jīng)包含了管線和設(shè)備的運(yùn)行情況，因此式(1)的優(yōu)化過程就成為泵管耦合。同時(shí)，又因?yàn)楸媒M合具有多樣性，其所形成的S2(tzm)系列使得在式(1)函數(shù)的求解過程中，自然地將tzm和S2l兩個(gè)尋優(yōu)過程結(jié)合在一起。其中，目標(biāo)函數(shù)中的溫降計(jì)算是以蘇霍夫公式為依據(jù)的，壓降計(jì)算對(duì)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(jìn)行處理的。此外，為了使得數(shù)值的處理更加方便，可以采用等溫降試算迭代法，當(dāng)Δt的取值非常小時(shí)，計(jì)算段的溫度處理的誤差會(huì)更小，從而保證了物性參數(shù)能夠獲取更加準(zhǔn)確，也有利于在管線中流態(tài)和結(jié)蠟段的分布。

4 泵管耦合分析模型的優(yōu)化效果

泵管耦合分析模型的優(yōu)化效果，對(duì)石油管線和石油經(jīng)濟(jì)效益有著非常大的意義。在泵管組對(duì)上可以多元化和多組化，并且能夠適應(yīng)多種地形和環(huán)境，以及運(yùn)輸?shù)臏囟群蜕釛l件。有效地避免了以前傳統(tǒng)方法中的弊端，比如管壁的結(jié)臘過厚現(xiàn)象，具有很高的運(yùn)輸質(zhì)量和精度；在泵管耦合分析模型的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力、熱彎率、熱振動(dòng)問題。泵管耦合分析模型能夠完全符合石油運(yùn)輸和石油工藝要求，降低能耗，增大經(jīng)濟(jì)效益，減少人力資源。

5 結(jié) 語

在輸油管線中，管泵的關(guān)系是十分密切的，在給定輸量的情況下，其運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與泵爐的匹配相關(guān)，通過泵管耦合分析模型和目標(biāo)函數(shù)的建立，分析目標(biāo)函數(shù)的約束條件，為優(yōu)化分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和合理性打下了可靠的基礎(chǔ)。

[1]孟振虎，陳毅忠,馬平.輸油管線運(yùn)行優(yōu)化實(shí)用分析[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2002,21(4) ：9-131.

[2]劉曉燕，劉揚(yáng)，孫建剛，等.輸油管道運(yùn)行優(yōu)化研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2004,25( 4): 558-561.

[3]徐嚴(yán)波.輸油管道優(yōu)化運(yùn)行方案研究[D].南充：西南石油學(xué)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(xué)畢業(yè)，助理工程師，現(xiàn)主要從事采油管理方面的研究工作。

[編輯] 洪云飛