輸油管道能耗預測數學模型研究

摘 要：通過對數學模型的建立、求解，輸量分布模型確定使用平均分配法、歷史分配法兩種方法，以西部原油管道鄯蘭干線為例進行能耗計算分析對比，得出結論能耗預測數學模型適用于現有的輸油管道的能耗測算。

關鍵詞：輸油管道；能耗預測；數學模型

長距離輸油管道的運行能耗包括輸油泵電力消耗和加熱爐燃料消耗兩部分，對于不加熱輸送的管道而言，相應的運行能耗只包括輸油泵電力消耗。一條輸油管道在一個運行期內的能耗主要取決于原油的任務輸量、物性、管線周圍的傳熱條件、輸油計劃、運行方式、設備組合和運行參數等。在實際運行過程中，對于任務輸量和油品物性一定的情況下，由于其輸油計劃、運行方案不同導致的輸油管道的運行能耗的差異也是很大。因此，本研究在對輸油管道的工藝原理和運行特點進行分析的基礎上，通過合理優化輸油管道的輸油計劃、運行方式、設備組合和運行參數，建立能耗測算模型，得到考核周期內的最優能耗指標值。

2 數學模型的求解

2.1 輸油溫度及站內熱負荷分配

對于管徑、管長、高差、地溫及所輸油品固定的熱油管道，其摩阻與輸量間的變化關系隨管道的熱力工況而不同。根據經驗控制管段終點為最低進站溫度一般就是管道的最優的運行溫度，因此在本研究中控制管段終點為最低進站溫度的溫度控制方式。

具體步驟描述為：驗算是否需要加熱，首先假定為常溫輸送，根據公式（1）（2）（3）（4）（5）依次類推，直到生成所有站的點爐方案，循環結束。

2.2 站間壓頭的最優分配

在輸量一定的條件下，管道沿線為克服摩阻損失和位差需消耗的總壓頭是一定的。這個總壓頭在各輸油站間的分配存在一個最優分配即站間壓頭最優分配，站間壓頭最優分配的任務是根據管道設備配置的實際情況將總壓頭分配到管道沿線各泵站，這種分配一方面要滿足管道運行的各種約束條件，另一方面要使得全線所有泵站的總能耗最低。要實現這種最優分配，一方面要使全線各泵站提供的總壓頭盡可能不要超過管線所需要的總壓頭，應盡量消除節流；另一方面應該根據各泵站的泵配置、泵運行效率合理分配壓頭，即在滿足管道運行約束的前提下，讓泵機組運行效率高、能耗低的泵站分配較多的壓頭。

如果把全線各泵站所提供的總有效壓頭看成一種資源，則總有效壓頭在全線各泵站之間的分配過程就是一個有限資源分配問題，該問題的目標是使全線的總能耗最省。針對該問題，可利用動態規劃方法進行求解，動態規劃中有逆序遞推和順序遞推兩種算法，由于所輸送油品總是從管道首站流向管道末站，因此采用順序遞推算法。

2.3 總傳熱系數及摩阻修正系數

在熱油管道的穩態優化運行計算中，沿程溫降和壓降的計算至關重要，管線的總傳熱系數是影響溫降計算的關鍵因素，同時它也通過溫降影響壓降。在熱油管道的運行管理中，總傳熱系數一般是根據管線實際運行參數的記錄值統計預測出來的。現場測試和實際運行經驗都表明：按照目前通用的牛頓流和非牛頓流壓降計算公式的摩阻與實際值有一定的偏差。為了修正摩阻計算公式本身的偏差并反映管內壁結蠟對計算摩阻的影響，我們引入摩阻修正系數f，它是相同條件下的實際記錄摩阻與按公式計算摩阻的比值。在考慮了摩阻修正系數以后，計算公式中的管徑均為不結蠟時的管徑。

3 輸量分布模型的確定

3.1 平均分配法

一個月內每天的輸量多集中在日平均輸量附近。因此，我們采用的第一種分配方案就是根據月輸油任務和月輸油天數把月輸油任務均分到每一天，進而得到管道的月輸油能耗指標。

3.2 歷史分配法

對于各條管線而言，歷史上月份之間輸量的波動情況有所不同，以各月日輸量/月輸量的百分比作為獨立的統計數據，則歷史上每個月的數據都可以產生一個輸量分配方案。在預測具體管道的月輸油能耗時，可以根據需要調用已經生成的輸量分配表，調用不同的輸量分配方案將得到不同的能耗指標，將這些能耗指標構成的區間，作為最優能耗區間。如果最優能耗區間比較窄，則說明輸量的分配方案對能耗指標的影響不顯著；如果最優能耗區間比較寬，則說明能耗指標對輸量的波動比較敏感，有必要進一步研究該管線的輸油計劃優化問題。

4 管線能耗計算分析

4.1 能耗計算

以西部原油管道鄯蘭干線為例進行能耗計算分析對比。其中2010年2月份加劑輸送工況、2010年4月份冷熱油交替輸送工況、2010年8月份不加劑常溫輸送工況，利用HOPOPT軟件計算得到的月輸油電耗如表1所示。

4.2 誤差分析

在鄯干蘭線2010年2月、4月、8月的算例中，月能耗預測值與實際值的誤差較大，在-19.47～-27.6%之間，一方面說明鄯蘭線有一定的節能潛力，另一方面也可能是簡化計算導致能耗誤差較大，可能導致誤差較大的原因如下：（1）地溫。在使用所見模型進行電耗計算時，為了完成計算，地溫普遍高于實際值，這會使管道電耗降低，產生一定的誤差。（2）停輸再啟動時的額外電耗。2010年08月份的一個運行特點就是，該月有頻繁的啟停輸操作，這也會增大實際電耗值。（3）順序輸送的影響。計算過程中沒有考慮油品順序輸送對能耗的影響，而是按每一種油品單獨輸送來計算其能耗值，再將輸送不同油品的能耗值相加，得到月總能耗值，這與實際的運行工況有一定偏差。

5 結束語

首先，本研究建立的能耗預測數學模型和采用的算法具有一定的普遍性，適用于現有的輸油管道的能耗測算。能耗預測模型的測算結果對生產運行和節能考核有一定的決策支持作用；其次，對各管線輸量的概率分布統計及分析進行了研究。研究提出的月任務輸量的分配方法，可以測算出最優能耗區間，不僅使得能耗測算的結果更接近實際能耗值，而且從最優能耗區間的大小可以判斷流量波動對管線能耗的影響程度，從而進一步挖掘管線的節能潛力。

參考文獻

[1]陳由旺，左麗麗，林冉，等.原油管道能耗測算軟件的開發與應用[J].油氣儲運，2013（5）：501-501.

作者簡介：徐烈（1982，2-），男，工程師，畢業于中國石油大學（華東），現從事油氣管道運行管理工作。