油田站間輸油管道熱力優(yōu)化計(jì)算

王霽（大慶油田有限責(zé)任公司儲(chǔ)運(yùn)銷售分公司）

溫度是熱油管道輸送過(guò)程中最重要的參數(shù)之一，溫度高低直接影響油品的黏度、比熱、密度等物性。出站溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致輸送過(guò)程中的散熱量增加，能量損失變大；而出站溫度過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致安全停輸時(shí)間減少，增加安全隱患。因此選擇合理的出站溫度對(duì)于熱油管道安全經(jīng)濟(jì)輸送具有重要意義。在熱油管道生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化過(guò)程中，管道溫降計(jì)算的精度對(duì)于方案的合理性影響巨大。

1 現(xiàn)狀

為提高輸油管道溫降計(jì)算的精度，許多學(xué)者進(jìn)行了大量研究，徐睿妤為解決現(xiàn)有熱力模型上存在的不足，根據(jù)熱阻原理編制了具備常見模型模塊和自定義模塊的OHTC計(jì)算軟件，提高了管道運(yùn)輸上熱力計(jì)算的精準(zhǔn)度[1]；龐海濤采用PIPESIM流體計(jì)算軟件進(jìn)行對(duì)K值影響因素的模擬，分析得出了各因素對(duì)其影響程度[2]；魏立新，周剛等提出一種更適用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況的基于相關(guān)向量機(jī)算法（RVM）的埋地?zé)嵊凸艿罍亟殿A(yù)測(cè)的新方法[3]；楊新明、蔣洪等在利用探針?lè)y(cè)量土壤導(dǎo)熱系數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合管道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，通過(guò)理論公式計(jì)算求解管道的總傳熱系數(shù)[4-5]；楊加棟，張曉靈等以聚氨酯彈性體保溫管道作為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)可模擬深水環(huán)境下壓力和溫度的管道散熱測(cè)試裝置，有助于分析測(cè)驗(yàn)材料保溫性能，為工程現(xiàn)場(chǎng)提供了有力參考[6]。

針對(duì)某油田站間原油輸送管道，采用最優(yōu)化擬合方法建立了管道熱力計(jì)算模型，并對(duì)不同輸量不同月份管道的合理出站溫度進(jìn)行了計(jì)算。

2 熱力計(jì)算模型

某油田站間管道全長(zhǎng)30km，采用加熱輸送方式。該管道環(huán)境溫度-8~15℃，油品比熱容1.94~2.69J/(kg·℃)，黏度23.5~43.8mPa·s，密度0.87kg/m3，進(jìn)站溫度39~49℃。

熱油管道溫降通常采用蘇霍夫公式：

式中：G為油品的質(zhì)量流量，kg/s；c為輸油溫度下油品的比熱容，J/(kg·℃)；K為管道總傳熱系數(shù)，W/(m2?℃)；D為管道外徑，m；L為管道長(zhǎng)度，m；TR為管道起點(diǎn)溫度，℃；TZ為管道終點(diǎn)溫度，℃；T0為管道周圍土壤溫度，℃；a為參數(shù)。

采用蘇霍夫公式計(jì)算溫降，總傳熱系數(shù)是最關(guān)鍵的參數(shù)之一。總傳熱系數(shù)選擇不合理，會(huì)導(dǎo)致溫降計(jì)算結(jié)果與實(shí)際偏差較大。采用理論公式計(jì)算總傳熱系數(shù)，計(jì)算過(guò)程復(fù)雜、參數(shù)獲取難度大、計(jì)算結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行結(jié)果偏差大。為提高精度，可以采用反算法[7]計(jì)算，但其計(jì)算精度取決于所采用的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在實(shí)際輸送過(guò)程中，輸量、環(huán)境溫度、進(jìn)出站溫度等參數(shù)一般會(huì)隨時(shí)間不同而有一定程度的變化，這樣就會(huì)導(dǎo)致采用不同生產(chǎn)數(shù)據(jù)反算出的總傳熱系數(shù)結(jié)果的不同，進(jìn)而影響到溫降的計(jì)算誤差。為減少采用單一生產(chǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)致的誤差較大的問(wèn)題，采用最優(yōu)化擬合方法，以輸油溫降殘差平方和最小為目標(biāo)，綜合考慮一段時(shí)間內(nèi)的所有生產(chǎn)數(shù)據(jù)，建立了總傳熱系數(shù)最優(yōu)化擬合模型：

式中：ΔTi為由管道第i組實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)得到的實(shí)際溫降，℃；n為某一生產(chǎn)時(shí)期內(nèi)管道生產(chǎn)數(shù)據(jù)的樣本總數(shù)；F(K)為管道傳熱系數(shù)計(jì)算的擬合度；K為某一時(shí)間段的管道傳熱系數(shù)，W/m2?℃。

該最優(yōu)化擬合模型屬于無(wú)約束規(guī)劃問(wèn)題，可采用DFP法進(jìn)行求解。

3 計(jì)算結(jié)果與誤差分析

采用站間輸油管道2019年運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)全年的總傳熱系數(shù)和管道溫降誤差進(jìn)行了計(jì)算，總傳熱系數(shù)隨時(shí)間變化見圖1，管道溫降誤差統(tǒng)計(jì)見表1。

圖1 總傳熱系數(shù)隨時(shí)間變化

表1 管道溫降誤差統(tǒng)計(jì)

可見管道傳熱系數(shù)隨季節(jié)變化明顯，在3—5月較低，之后逐漸上升，這是由于埋地管道周圍土壤溫度場(chǎng)的變化滯后性導(dǎo)致的[8]。另外，總傳熱系數(shù)對(duì)土壤熱阻變化的敏感性較強(qiáng)，濕土?xí)?dǎo)致管道總傳熱系數(shù)成倍增加[9-10]，因此降水較多的6—9月總傳熱系數(shù)開始逐漸升高。

由表1的相對(duì)誤差結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用最優(yōu)化擬合模型計(jì)算出的溫降與實(shí)際溫降相比，最大平均相對(duì)誤差5.14%，最小平均相對(duì)誤差0.4%，全年平均相對(duì)誤差2.56%，精度較高，能夠較為準(zhǔn)確地對(duì)站間輸油管道沿線的溫降進(jìn)行計(jì)算。

4 不同輸量下合理出站溫度計(jì)算

該管道原油凝點(diǎn)35℃，以高于凝固點(diǎn)4℃為末站溫度計(jì)算輸量為11000t/d、13000t/d、15000t/d、17000t/d和19000t/d五種情況下的出站溫度。

不同輸量下出站溫度變化見圖2，該原油輸送管道輸量為11000t/d時(shí)，出站溫度為45.4～48.1℃，輸量為19000t/d時(shí)，出站溫度為42.7～44.2℃，最低輸量下的出站溫度比最高輸量平均降低7.55%。相同條件下，日輸量和出站溫度成線性關(guān)系，日輸量每增加1000t，出站溫度大約下降0.4℃。

不同月份出站溫度變化見圖3，可見同一輸量下不同月份的出站溫度變化幅度為2~3℃，3月份比8月份的出站溫度平均高出4.65%。故應(yīng)該根據(jù)管道輸量和環(huán)境溫度的不同，在保障油品安全輸送的前提下制定合理的輸油方案。

圖2 不同輸量下出站溫度變化

圖3 不同月份出站溫度變化

表2 優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對(duì)比

5 實(shí)例計(jì)算

采用前面計(jì)算模型，選取3月、6月、9月、12月15日管道實(shí)際輸量，優(yōu)化了管道的輸油溫度，優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對(duì)比見表2。4個(gè)日期管道終點(diǎn)溫度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于凝固點(diǎn)，實(shí)際輸油溫度也遠(yuǎn)高于優(yōu)化后的輸油溫度。按照優(yōu)化后的輸油溫度運(yùn)行，4個(gè)日期的輸油溫度分別降低11.4、11.8、8.3、4.9℃，熱能損耗分別減少18.2%、37.6%、30.3%、22.4%，節(jié)能效果顯著。

6 結(jié)論

1）針對(duì)實(shí)際運(yùn)行工況各參數(shù)不確定性變化導(dǎo)致的總傳熱系數(shù)計(jì)算誤差較大的問(wèn)題，通過(guò)分析管道內(nèi)部流體因素及管道外部環(huán)境與熱輸管道總傳熱系數(shù)之間的關(guān)系，建立傳熱系數(shù)最優(yōu)化擬合模型。

2）應(yīng)用優(yōu)化模型對(duì)現(xiàn)場(chǎng)全年數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，得出每月最優(yōu)總傳熱系數(shù)，計(jì)算出的溫降與實(shí)際溫降相比，最大相對(duì)誤差5.14%，最小相對(duì)誤差0.4%，全年平均相對(duì)誤差2.56%，該模型能夠在一定程度上提高熱力計(jì)算精度。

3）依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行狀況，計(jì)算全年各月份進(jìn)站溫度為39℃時(shí)不同輸量下對(duì)應(yīng)的出站溫度，當(dāng)日輸量從11000t增加到19000t時(shí)，各月出站溫度降低了3~5℃；同一輸量下，3月份出站溫度最高，8月份最低，兩者相差2~3℃。

4）選擇典型季節(jié)某一天的實(shí)際輸量，優(yōu)化了輸油溫度，并與實(shí)際運(yùn)行參數(shù)相比，輸油溫度降低5~12℃，熱能損失降低18.2%~37.6%。