分時電價體制下原油管道運行優化研究

寇 杰，李春輝，孫 奇，郭勛臣

(1.中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院，山東 青島266580；2.勝利油田石油開發中心有限公司，山東 東營257000)

隨著經濟的高速發展，對電力的需求在逐步加大。發電廠為了保證用電，在設計發電能力時通常是按照用電高峰時期的容量來設計的。這樣，在用電高峰時期就能保證提供足量的電力，但是在用電低谷時期，部分發電設備就會空轉閑置。因此，在用電高峰和用電低谷時期的發電成本就產生了差距，所以造成了在不同時段內按照不同的電價進行收費的情況。

輸油管道運行優化是降低輸油成本的有效措施，一直都是油田集輸領域的熱點問題。以往國內進行運行優化研究時，通常只考慮如何使泵在高效率區工作，再采用“分時均量”方式輸送，即每小時外輸量相等，忽略了利用分時電價政策。事實上，峰谷電價相差很大，這就會致使即便外輸量一直不變，各時段耗電量相同，一天內不同時段電費也會有很大的差距。以某管道為例，外輸泵峰、谷時段耗電情況見表1。

表1 某管道外輸泵峰、谷時段耗電情況

由表1可以看出，外輸泵在“峰”時段輸送了550 m3原油，花費321元，在“谷”時段輸送了880 m3原油，卻只花費128元，證明目前的“分時均量”輸送方式有很大的優化優化空間。

因此，為實現降低電費的目的，可以利用峰谷電價體制，合理調整不同時段管道輸量，在完成每天輸油任務的前提下，使日電費最少。但是，從管道運行安全角度考慮，受油品本身特性和管道設計壓力的限制，不能無限制增加谷時電價期間的輸量，同時峰時輸量也不能小于最小安全輸量。因此，在峰谷電價體制下輸量必須控制在一定的范圍內[1-5]。本文通過建立原油管道泵送電費數學模型，研究外輸油泵優化運行方案，合理安排不同時段輸量，達到降低電費的目的。

1 數學模型

本文研究的管道只有一臺泵對原油增壓，且可通過變頻裝置調節輸量。

將每天分四個時段，設第i時段(i=1、2、3、4，分別對應尖時、峰時、平時、谷時)電價為Ci元/(kW·h)，運行ti小時，該時段泵頻率為niHz，軸功率為NeikW，該時段管道流量為qim3/h，每天計劃輸量為Qm3，故每日電費的數學模型，見式(1)，約束條件見式(2)～(4)。

(1)

qmin

Hc=Hf+Hh(4)

式中：qmin為管道最小安全輸量，m3/h；qmax為管道允許最大輸量，由管道材質決定，m3/h；Hc為出站壓頭，m；Hf為管道全線摩阻，由于是長輸管道，可近似為沿程摩阻損失，m；Hh為管道起點和終點的高程差，m。

管道最小安全輸量需要從熱力和管道特性兩個方面來確定。使用蘇霍夫公式計算管道熱力條件允許的最小安全輸量；對于管道特性最小安全輸量的確定，要計算不同輸量時管道的摩阻損失，做出管道的工作特性曲線，找出不穩定工作區，確定管道特性最小安全輸量，取二者中較大的作為管道安全輸量界限[6-7]。

利用達西公式計算沿程摩阻損失，首先需要確定摩阻系數，摩阻系數與雷諾數有關，而輸送過程中油品溫度不斷降低，雷諾數也隨之改變，因此，不能把摩阻系數當做定值。計算時使用Matlab編寫程序，把管線分為等距離的若干段，分別計算每一段溫降，再求出壓降，壓降之和即為沿程摩阻損失，稱為“分段算法”，這樣在保證精度的前提下簡化了求解過程。

離心泵輸量隨頻率改變，但同時泵的效率也會變化，Nei由式(5)求解。

(5)

式中：qi為第i時段泵的輸量；Hi為第i時段泵在輸量qi下泵的揚程；ηi為此時段泵的效率，由相似工況下泵的效率不變原理，若要確定ηi,需先計算輸量qi在額定轉速n0下對應的相似點q0。

泵額定工況下的特性方程H=A-BQ2-m已知，將通過“分段算法”求出的摩阻Hi和此時的輸量qi帶入式(6)，即可求出此時段泵的轉速ni。

(6)

根據離心泵改變轉速時輸量和轉速的關系可以求出相似點q0,進而可以求出此時泵的效率。

沿程摩阻損失與管道輸送過程中的溫度變化直接相關，因此，求解管道傳熱系數十分重要。實際運行時，管道傳熱系數與外界溫度有關，考慮到相鄰月份外界溫度變化不大，把一年分為四個季度，1月、2月、3月為第一季度，以此類推，求解不同季度管道傳熱系數。為提高管道熱力計算的精度，采用“最優化擬合”技術，在特定季度內，最大限度符合所有管道實際溫降的K值即為該季度管道的傳熱系數，為提高求解效率采用LINGO優化軟件進行編程求解[8-10]。

2 模型求解

遺傳算法的基本思想簡單，具有全局搜索、簡單通用、魯棒性強等優點[11-13]。各時段輸量組合優化問題，可以采用基于整數編碼的遺傳算法對日電費數學模型進行求解。

1) 步驟一：編碼與產生初始種群。使用整數編碼，將一條染色體編碼成向量ck，染色體長度為4，依次對應尖、峰、平、谷各時段輸量，將種群在一定的約束條件下初始化，產生初始可行解，見式(7)。因此，每條初始染色體代表一種可行的輸量方案。

(7)

3) 步驟三：遺傳操作。對染色體的遺傳操作包括選擇、交叉、變異。選擇操作采用輪盤賭選擇法，根據各染色體的適應度，從種群中選出一定規模的個體重組成新種群；交叉操作采用單點交叉方式產生子代，即根據交叉概率挑選兩組染色體，把這兩組染色體上對應位置的數據互換；變異操作采用均勻多點變異方式產生子代。本文研究的變量之和為定值，所以在交叉前和變異后，需對所得染色體進一步處理以滿足要求。

交叉前：

交叉后：

數據處理：

這樣處理后，最后得到的數據可滿足輸量要求。

4) 步驟四：對于子代群體，重復步驟二和步驟三，進行新一輪遺傳進化過程，直到迭代收斂(適應度值趨向穩定)，可認為找到最優解。

3 案例分析

某原油管道全長45.7 km，首站高5.5 m，末站高22 m，管徑為Φ 273 mm×15 mm，管壁粗糙度0.1 mm，日輸量4 600 m3，首站所在地區“尖時”電價為1.10元/(kW·h)，“峰時”電價為1.04元/(kW·h)，“平時”電價為0.65元/(kW·h)，“谷時”電價為0.26元/(kW·h)，各時段分別運行3 h、5 h、8 h，輸送一種原油。

表2是各種輸量方案結果的對比。優化結果表明，并不是電費最低時輸量最大，電費最高時輸量最小，這不符合利用分時電價的預期，為了使優化結果更有說服力，引入“理想調量”方案進行對比。“分時均量”輸送是油田原來采用的輸送方案，即每小時輸量相同，“理想調量”輸送是指“谷時”以最大輸量輸送、“尖時”以最小輸量輸送，“優化調量”輸送是優化求得的運行方案。

由表2可以看出，由于各季度管道傳熱系數的不同，日電費也隨之改變。這是因為隨著傳熱系數的增大，油品溫降也會變大，導致黏度上升，沿程摩阻損失增加，最終會使泵耗電費變大。因此，三種輸量方案都是第三季度日電費最小，第一季度日電費最大。同時，與“分時均量”輸送方案相比，兩種調量輸送方案能節約的日電費也在變小，這是因為調量輸送時不同時段輸量相差較大，當輸量較小時，易受管道傳熱系數影響，溫降較大，沿程摩阻損失增大，最終使電費變大，而“分時均量”輸送時輸量較大，溫降變化不大，電費較為穩定。

表2 各季度輸量方案日電費/電量對比

與“分時均量”輸送方案相比，后兩種輸送方案耗電量明顯增大，這是由于輸量變化較大導致的。一般來說，選泵的時候會考慮盡可能使泵在高效率區工作，當泵輸量過小時，泵的效率會降低，需要消耗更多電量；而當輸量過大時，由于沿程摩阻損失與輸量的平方成正比，摩阻損失會隨著輸量的增大急劇增大，也會使耗電量顯著增加。因此，“分時均量”輸送方案耗電量會顯著小于后兩者，但本文的優化目標是電費最小，可不考慮一定要讓泵在高效率區工作。

與“理想調量”方案費用相比，“優化調量”方案費用更少，是最優運行方案。當泵耗電費最小時，“谷時”輸量沒有達到最大輸量，“峰時”輸量也不是最小輸量，這是由三方面因素造成的：①每天都需要完成額定的輸量任務，由于管材承壓性能的限制，不能無限制增大輸量，管道有一個最大輸量，為確保管道安全運行，若是在電價較高的時候都用最小輸量輸送，在電價較低時即使以最大輸量輸送也無法完成計劃；②優化的目標是日電費最低，需要把四個時段作為一個整體來考慮，各時段所耗電費之和最小才是要求解的目標；③摩阻損失與輸量的平方成正比，因此，摩阻損失會隨著輸量的增大急劇增大，從而使泵耗電費顯著增加。從表2也可看出，“理想調量”方案日電費明顯大于“優化調量”的日電費。

4 結 論

針對分時電價政策，建立日電費數學模型，并使用遺傳算法進行求解。現場驗證表明，使用優化方案調量輸送可顯著降低日電費，這種方法不需要購買新裝置，有推廣使用的價值。

優化結果表明，要使日電費最低，需要把四個時段作為一個整體來考慮，并不是“谷時”以最大輸量、“尖時”以最小輸量輸送就是最優輸送方案。此外，為達到電費最低的目的，不需盡量使泵在高效率區工作。

大氣溫度的改變會導致管道埋深處自然地溫變化，管道傳熱系數也會隨之改變，因此，不同季度的最優輸送方案不同。同時，泵耗電費與管道傳熱系數密切相關，為減小管道傳熱系數，可在管道上敷設新型保溫材料。

精確測定油品性質是優化的前提，隨著油田進入開采后期，使用大量藥劑輔助開采，油品性質會經常變化，要每隔一段時間重新測定油品性質。

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