液化石油氣管道優(yōu)化設(shè)計(jì)

畢 瀠，韓 鋼, 劉德俊，官學(xué)源，于德龍

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順113001; 2. 舟山實(shí)華原油碼頭有限公司，浙江 舟山 330900 ; 3. 新疆油田公司工程技術(shù)研究院，新疆 克拉瑪依 834002）

液化石油氣管道優(yōu)化設(shè)計(jì)

畢 瀠1，韓 鋼2, 劉德俊1，官學(xué)源3，于德龍1

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順113001; 2. 舟山實(shí)華原油碼頭有限公司，浙江 舟山 330900 ; 3. 新疆油田公司工程技術(shù)研究院，新疆 克拉瑪依 834002）

液化石油氣管道建設(shè)周期長(zhǎng)，投資大，且影響總費(fèi)用的因素眾多，而管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)直接決定著管線的經(jīng)濟(jì)性和可行性，因此，建立液化石油氣管道數(shù)學(xué)模型，對(duì)液化石油氣管道設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化具有重要的研究意義。在綜合考慮了影響液化石油氣(LPG)管道總費(fèi)用的各項(xiàng)因素，并以此基礎(chǔ)，建立液化石油氣管道的總費(fèi)用為最小目標(biāo)函數(shù)，以管道的管道強(qiáng)度、水力、穩(wěn)定性為約束條件建立數(shù)學(xué)模型。并用VC++進(jìn)行數(shù)值求解。通過算例計(jì)算得出，當(dāng)管徑為?114× 3.2時(shí)，可使總費(fèi)用達(dá)到最小值。該數(shù)學(xué)模型能夠全面反映出各因素對(duì)總費(fèi)用的影響，對(duì)相關(guān)的液化石油氣管道優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

液化石油氣；目標(biāo)函數(shù)；數(shù)學(xué)模型；約束條件

液化石油氣管道建設(shè)具有投資大，建設(shè)運(yùn)行周期長(zhǎng)，經(jīng)營(yíng)費(fèi)用高的特點(diǎn)，能否確定較優(yōu)的方案直接關(guān)系到管線的經(jīng)濟(jì)性和可行性。液化石油氣管道總運(yùn)行費(fèi)用包括管道建設(shè)費(fèi)用和泵所需的電費(fèi)[1]。管道的壓力對(duì)管道的建設(shè)費(fèi)用和動(dòng)力費(fèi)用有一定的影響，為防止液化石油氣在管內(nèi)氣化，管內(nèi)的每一點(diǎn)壓力必須大于輸送溫度下的飽和蒸汽壓，但是壓力越大，壁厚就越大，對(duì)所需費(fèi)用有顯著的影響[2-8]。

本文在給定輸量的前提下，求解變量，使管道在其壽命期內(nèi)總費(fèi)用最低。并以總費(fèi)用最低為目標(biāo)函數(shù)，提出一個(gè)合理的液化石油氣管道設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)模型[9]。

1 數(shù)學(xué)模型

液化石油氣管道總運(yùn)行費(fèi)用主要由管道建設(shè)費(fèi)用和泵的電費(fèi)用組成。

1.1 液化石油氣管道壽命期內(nèi)總費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)

1.1.1 管道的建設(shè)費(fèi)用[10,11]

1.1.2 泵設(shè)備的電費(fèi)

式中：F1m— 管道建設(shè)費(fèi)用，元；

F2m—泵設(shè)備用電費(fèi)用，元；

a0,a1,a2—管道投資因數(shù)；

P—貸款，元；

i—年利率；

n—年限；

ρ—液態(tài)LPG密度，t/m3；

Q—流量，m3/ s；

H—揚(yáng)程，J/kg;

T—運(yùn)行時(shí)間，h；

e0—電價(jià)，元/(kW·h-1)；

η—泵組效率。

根據(jù)雷諾數(shù)判斷液化石油氣的流態(tài)。牛頓流體雷諾數(shù)：

式中：γ—液化石油氣的運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s。

e—管壁的絕對(duì)當(dāng)量粗糙度，m。

根據(jù)各流態(tài)管段的摩阻選擇泵牛頓流體沿程摩阻損失：

1.2 約束條件

（1）管道強(qiáng)度約束[12,13]管道的壓力必須不大于管子的允許最大操作壓力。

式中：δ—管壁計(jì)算厚度，mm；

σ—管材最低屈服強(qiáng)度，MPa；

F—強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)；

Φ—管道縱向焊縫系數(shù)。

（2）穩(wěn)定性約束條件

管道設(shè)計(jì)時(shí)所選擇的壁厚，在任何情況下，不得小于根據(jù)剛性要求確定的最小壁厚。鋼管的外直徑與壁厚的比值不應(yīng)大于140。

式中：C—管徑與壁厚比值限制。

（3）在運(yùn)輸過程中，要求管道中任何一點(diǎn)的壓力都必須高于管道中液化石油氣所處溫度下的飽和蒸汽壓。

式中：P任—管道內(nèi)任意一點(diǎn)的壓力，MPa；

P飽—液化石油氣所處溫度下的飽和蒸汽壓，MPa。

總數(shù)學(xué)模型為：

依據(jù)圖1程序求解該數(shù)學(xué)模型。

圖1 液化石油氣管道運(yùn)行費(fèi)用數(shù)學(xué)模型求解程序框圖Fig.1 Solving program model diagram of gas pipeline liquefied petroleum mathematical operation cost

2 算 例

某液化石油氣管道，已知管道長(zhǎng)為31.4 km,由于地勢(shì)平緩，站間高差忽略不計(jì)，輸量為 1.7×105t/a。在恒定溫度為20 ℃下輸送，液化石油氣液態(tài)的密度為449 kg/m3，飽和蒸汽壓為0.82 MPa，管道投資因數(shù)a0，a1，a2分別為-2.604、40.35、371.2，當(dāng)?shù)仉娰M(fèi)1元/(kw·h)。根據(jù)上面的分析，對(duì)液化石油氣管道的總費(fèi)用進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化結(jié)果見圖2和表1。

圖2 管道的壓降線Fig.2 Pipeline pressure drop line

表1 算例管道的最優(yōu)運(yùn)行方案Table 1 The optimal operation scheme for example 1 pipeline

3 結(jié) 語

目前，關(guān)于液化石油氣管道設(shè)計(jì)優(yōu)化的研究較少，多為石油運(yùn)輸管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)。液化石油氣管道建設(shè)具有運(yùn)行周期長(zhǎng)，投資大等特點(diǎn)，且液化石油氣容易氣化，對(duì)壓強(qiáng)和溫度的要求較高，因此，影響因素更加復(fù)雜。本文在綜合考慮各項(xiàng)因素的前提下，列舉三個(gè)約束條件：一是管道強(qiáng)度約束條件，管道的壓力必須不大于管子的允許最大操作壓力；二是穩(wěn)定性約束條件，管道壁厚在任何情況下，不得小于剛性要求確定的最小壁厚；三是管道中任何一點(diǎn)的壓力都必須高于管道中液化石油氣所處溫度下的飽和蒸汽壓，最終以石油天然氣管道總費(fèi)用的最小值為目標(biāo)函數(shù)確定數(shù)學(xué)模型。經(jīng)算例可知，在管徑為?114.3×3.2時(shí)，可使總費(fèi)用達(dá)到最小值。研究證明，本文得出的數(shù)學(xué)模型和算法切實(shí)可行，以期為相關(guān)的設(shè)計(jì)研究提供參考。

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環(huán)保趨嚴(yán)推高印染上游的染料價(jià)格

2014年 9月左右，國(guó)內(nèi)還原物主要生產(chǎn)廠家—寧夏明盛染化有限公司(下稱“明盛染化”)老廠區(qū)因非法排污而被勒令永久性關(guān)閉，而公司新廠在短期內(nèi)又無法投產(chǎn)，導(dǎo)致還原物價(jià)格暴漲。還原物為生產(chǎn)分散染料的重要中間體，因此分散染料由此進(jìn)入持續(xù)上漲行情。

2015年10月底，染料龍頭企業(yè)浙江龍盛及閏土股份等皆率先上調(diào)了分散深藍(lán)產(chǎn)品價(jià)格2000元/噸。相對(duì)于其他分散染料，還原物在分散深藍(lán)生產(chǎn)成本中所占比重最大。

去年年底，分散深藍(lán)系列染料價(jià)格再次上漲5000-10000元/噸,漲幅高達(dá)12%～23%。占分散染料約50%的黑系列也隨著跟漲。今年1月19日，分散染料藍(lán)系列主要規(guī)格再度漲價(jià)5000元/噸，分散紅系列同步漲價(jià)2000元/噸。至此，分散染料已基本完成全面提價(jià)的目標(biāo)，其中分散深藍(lán)系列染料累計(jì)漲價(jià)逾10000元/噸，目前均價(jià)已在5.5萬元/噸以上;分散黑系列已普漲5000元/噸左右。

除了分散染料，紡織印染另一必需的活性染料也進(jìn)入上漲行情。2014年上半年，受江蘇地區(qū)環(huán)保核查趨嚴(yán)影響，位于該區(qū)域的國(guó)內(nèi)兩家主要h酸生產(chǎn)企業(yè)江蘇明盛、江蘇吉華均被停產(chǎn)，導(dǎo)致h酸市場(chǎng)供應(yīng)緊張，價(jià)格大幅上漲。

h酸為生產(chǎn)活性染料的主要原料，占比總成本的30%-50%。受成本推動(dòng)，活性染料價(jià)格去年底開始進(jìn)入上漲行情。今年1月11日，國(guó)內(nèi)另一主要活性染料及中間體企業(yè)湖北省楚源化工集團(tuán)旗下染料公司發(fā)生鍋爐管道泄漏事故，引發(fā)大火，使原本供求緊張的染料生產(chǎn)鏈雪上加霜。楚源化工集團(tuán)年產(chǎn)h酸4萬噸、對(duì)位酯4萬噸和活性染料5萬噸，是全球最大的染料中間體及活性染料生產(chǎn)企業(yè)之一。

近期，浙江龍盛和閏土股份也上調(diào)活性染料價(jià)格，漲幅高達(dá)5000-8000元/噸，目前，活性染料價(jià)格已經(jīng)達(dá)到3萬元/噸以上，相比去年底漲幅高達(dá)16%。

據(jù)安信證券研究報(bào)告分析，染料產(chǎn)品價(jià)格上漲主要是受到環(huán)保壓力的影響，中小企業(yè)將在此期間被逐步淘汰。染料身處高污染行業(yè)減排壓力將持續(xù)存在，在此嚴(yán)峻形勢(shì)下，未來行業(yè)整合速度有望加快，染料價(jià)格有望進(jìn)一步上漲。

染料漲價(jià)給印染企業(yè)帶來了新考驗(yàn)。據(jù)中國(guó)紡織工業(yè)聯(lián)合會(huì)統(tǒng)計(jì)，去年前 11個(gè)月受染料暴漲等因素影響，印染企業(yè)利潤(rùn)下降了大約 6.5%。去年底到今年，染料產(chǎn)品價(jià)格更是暴漲，印染企業(yè)利潤(rùn)或?qū)⒈煌淌纱M。

不過分析人士指出，長(zhǎng)期以來，印染行業(yè)上游染料企業(yè)產(chǎn)能集中，而下游印染企業(yè)產(chǎn)能分散，導(dǎo)致下游企業(yè)對(duì)染料價(jià)格上漲沒有議價(jià)能力。隨著《排放標(biāo)準(zhǔn)》即將出臺(tái)，印染企業(yè)的行業(yè)集中度有望提升，有利于印染上下游議價(jià)平衡。

Optimization Design of Liquefied Petroleum Gas Pipeline

BI Ying1，HANG Gang2，LIU De-jun1，GUAN Xue-yuan3，YU De-long1

（1. College of Petroleum Engineering，Liaoning Shihua University，Liaoning Fushun 113001，China；2. Zhoushan Shihua Crude Oil Dock Co.,Ltd., Zhejiang Zhoushan 330900, China; 3. Technology Research Institute of Xinjiang Oilfield Company, Xinjiang Karamay 834002，China)

The construction of liquefied petroleum gas pipeline has long period and large investment, and it is affected by many factors. Economy and feasibility of pipelines are directly determined by the optimization of design. Thus, it is significant that establishing liquefied petroleum gas pipeline mathematical models for optimizing the design of liquefied petroleum gas pipeline. In this paper, various factors to affect the cost of LPG pipelines were considered during the analysis of total operation cost of LPG pipeline. The mathematical model was established with the total cost of LPG pipeline as the minimum objective function, and the strength, hydraulic and stability of pipeline as the constraint conditions. The minimum value of total cost was obtained by example calculation with VC++. When the diameter of pipeline is Φ114× 3.2, the total cost is the minimum value. This mathematical model can reflect the influence of various factors on the total cost, and it has certain reference value to the related optimization of liquefied petroleum gas pipeline.

Liquefied petroleum gas；Objective function；Mathematical model; Constraint conditions

TE 624

： A

： 1671-0460（2015）03-0612-03

2014-10-13

畢瀠（1989-），女，遼寧撫順人，碩士，畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)，研究方向：液化石油氣管輸研究。E-mail：358481056@qq.com。

劉德俊（1967-），男，副教授，碩士，研究方向：原油及成品油管道輸送技術(shù)研究。E-mail：ldj8448@163.com。