成品油管道工藝設計方案研究

石美云

（國家管網集團華南公司，貴州貴陽 550005）

成品油是指市場工業生產與煤油行業運營中，具有可代替生物柴油、乙醇汽油的燃料物質，具體包括汽油類燃料與煤油類燃料等。目前，我國針對此種燃料大多采用長輸管道進行運輸，此種運輸方式具有可輸送量大、運輸距離長、可輸送成品油種類多等優勢，但此種輸送方式在實際應用中也存在工藝復雜的問題[1]。在建設成品油輸送管道時，建設工程受到社會、經濟、政治、市政、生態、環境、技術等多方面因素的影響，一旦在建設中其中一個環節出現問題，便會對運輸效果與管道使用情況造成負面影響。通常情況下，設計一個完善的成品油運輸管道，需要考慮管道的直徑、材質、覆蓋范圍、中轉泵的數量與不同中轉泵在管道中的布設位置、輸油揚程距離、不同輸送線路對成品油在輸送中的損耗量、輸送末端與前端油罐的容量等諸多因素。因此，有必要加大對此方面建設的投入，進行管道工藝在設計與開發中的優化，以此種方式，降低管道工藝在輸油中的損耗量[2]。但此項工作是一項復雜度較高的工作，工藝方案設計時涉及的因素較多，且不同影響因素之間存在某種制約性關系，這也為相關工作的實施產生了一定阻礙。目前，我國針對此方面的研究尚停留于理論與實踐嘗試階段，未有技術單位或有關部門進行管道工藝深化設計的研究與投入，因此，本文將綜合成品油輸送的特點與需求，設計一個全新的管道工藝，以此種方式，為燃料運輸行業創造更高的經濟收益。

1 成品油管道工藝設計方案研究

1.1 管道運輸目標函數建立與約束條件描述

為了實現對成品油管道工藝的全面優化，需要在開展相關研究前，建立管道運輸目標函數，并根據函數的約束條件，對成品油的運輸過程進行描述[3]。在此過程中應明確開展此項工作的主要目的，以降低管道工程與管道運輸費用。將其運輸中的總費用表示為F，可以認為F是計算期內管道建設、維護工作中所有支出項目與費用的總和。為了簡化函數的計算過程，可將所有的支出按照基準現金率進行折算，并只考慮與管道工藝相關的費用項目，包括的具體費用項目包括管道運輸線路、中轉泵站、成品油儲油罐、混合油分裝處理等，對應目標函數的表達式如下：

式中：m表示為管道工藝輸送成品油的管段長度；P′表示現金系數；A表示為基準現金率；i′表示泵站數量；y表示維修與建設支出費用；minF(x)表示目標函數的最小值。在掌握目標函數的表達式與優化方向后，對管道工藝中的約束條件進行描述[4]。其中管道強度可以作為此項工藝的首要約束條件，根據GB 10540—2008規定，管道中泵站的建設及其出口壓力應當符合管道運輸時的強度要求，強度要求表達式如下：

式中：σs表示為管道屈服強度，單位為MPa；di表示不同管段強度；xpj表示管道運輸時的強度要求；xi表示約束條件之一。在完成上述約束條件的描述后，對管道中鋼管穩定性進行分析，為了避免在運輸成品油時，出現由于外部壓力造成的管道屈曲，對管道外徑與管道壁厚的比值進行了規定，即兩者比值應小于或等于140.0。同時，考慮到所有的輸油管道中的管路均為鋼材，因此，要求在建設管道工程時，所有的鋼管均是參照API標準制造的。為了避免在運輸過程中涌出量的增加導致不同油品發生混合的情況，需要進行雷諾數的約束，并確保不同油品不發生混淆方面的問題。按照不同系數的有效約束條件，進行目標函數的約束，以此種方式，確保構建的目標函數滿足需求。

1.2 管道最優分輸流量與最佳管徑取值范圍計算

完成上述計算后，考慮到成品油輸送管道存在單次輸送所有油品、分輸點多、輸送計劃多元化等特點，因此，在進行管道工藝設計時，需要考慮不同輸送方式對于油品同步輸送的要求，結合不同管道的輸送能力，進行最優分輸流量的計算。假設在管道中每個成品油分輸點均采用集中輸送的方式進行運輸，在計算輸送量時，需要明確所有分輸站的輸送流量衡量、不同管道之間的輸油量可以存在變化，但變化值一定是在規定范圍內的，管路允許的最高分輸量應當小于最低工藝要求，每個相鄰管段之間的成品油輸送流速變化應<30.0%。根據上述分析，可以計算不同管道的最大流量與最小流量，計算公式如下：

式中：Qmax,i表示在成品油輸送的第i個管道上，所有約束條件支持下的最高分輸流量；Qmax,i表示在成品油輸送的第i個管道上，所有約束條件支持下的最低分輸流量；ri表示為第i個管道上的成品油輸送流量。完成對管道最優分輸流量的計算后，進行管徑最佳取值范圍的劃分。計算公式如下：

式中：d表示管徑；V表示流速。按照上述計算公式，可以得出在最大管徑取值，參照GB 10540—2008，得到最小管徑。在管道工程建設時，參照上述條件與最優范圍，進行管道工藝的設計，以此種方式，實現對成品油運輸過程的優化。

1.3 基于循環輸送的成品油管道運輸最短路徑設計

完成對管道工藝基礎參數的設計后，將成品油的輸送順序按照最優循環輸送周期進行設定，在此過程中考慮到輸送順序與混油量是在整體工藝與設計方案基本完善的基礎上開發的。因此，需要結合已完成設計的輸送路線，進行不同輸送路線中不同站點或中轉泵中新增儲罐容量的優化。

在此基礎上，計算從輸油起點到輸油終點之間權值最小的工藝方案，得到N條成品油輸送方案，對不同方案在輸送過程中需要經過的中轉點、中轉泵數量進行計算，得到最短路徑。根據不同中轉泵揚程損失量，計算每個輸油管段中的最大損耗量與最小損耗量，確定不同管道可選的有效管徑。制定一個循環輸送的順序與周期，計算兩個不同泵站之間的候選點，引進一維檢索法，對最優運輸線路進行迭代預循環，得到一個在最優輸油管徑、外壁、設計壓力下的輸送線路，并利用循環算法，求解N中的最優值。完成對最優路徑的設計后，對接本文設計的成品油管道工藝，進行方案的校正與核對，完成核對后，輸出最終的設計方案，以此種方式，實現對成品油管道運輸最短路徑的設計，完成對管道工藝設計方案的研究。

2 實例應用分析

從三個方面完成了成品油管道工藝的優化設計，為了檢驗設計的工藝在實際應用中是否可以達到對傳統工藝的優化效果，下述將通過實驗的方式，對設計成果進行檢驗。

此次實驗以國家石油天然氣管網集團有限公司華南分公司為例，該公司運營管理的成品油管道總計6 103km，是亞洲最大的成品油管道企業。該公司在廣東、廣西、貴州、云南、四川、重慶等六省都擁有分支機構，實行“公司-輸油部（分公司）-輸油站”三級管理模式。本次實驗選擇該公司的廣東分支機構中，用于輸油次數與頻率最高的管道作為實驗對象，此管道的有效運輸長度為1 587.0km，主要用于輸送0#柴油、95#汽油與92#汽油。為了保證運輸需求，在使用此管道進行成品油輸送時，均使用連續化分輸的方式進行運輸作業。此管道輸送油品的參數與運輸站點的基礎參數如表1、表2所示。

表1 管道輸送油品的參數

表2 運輸站點基礎參數

完成對實驗相關信息的獲取后，按照本文設計的成品油管道輸送約束條件，設計運輸目標函數，完成對函數的建立后，將其與實驗對象、運輸站點基礎參數、管道輸送油品的參數進行對接，得到使用此管道進行成品油運輸需要的最大與最小流量、最大與最小管徑。計算后數值如表3所示。

表3 設計成品油管道運輸最優參數

完成上述設計后，對成品油管道運輸時中轉泵的候選點進行設計，根據此管道的運輸需求，共設置9個中轉點與7個中轉泵。將本文設計的工藝方案與企業現用的工藝方案進行比對，其中本文管道運輸方案與企業現用的管道運輸方案示意圖對比，如圖1所示。

圖1 本文管道運輸方案與企業現用的管道運輸方案

忽略管道運輸過程中外界因素對運輸過程中成品油損耗造成的影響，從經濟層面考慮，采用兩種運輸方案，分別計算運行三種不同類型成品油運輸時需要的成本，將計算后得到的結果作為評價本文方案可行性的關鍵指標。在計算過程中，將參數值與市場現行價格進行對接，其中本文管道設計材料優選X60，傳統管道設計材料優選Y80，假設管道最大設計壓力為12.0MPa，首站運輸電費為0.58元/（kW·h），其余中轉站的電費為0.50元/（kW·h），管路安裝費用為1 850.0元/t，管路材質價格分別為5 450.0元與6 250.0元，工程建設中土石方支出費用為85.0元/m3，管道外層防腐涂料的費用為105.0元/m3，安裝過程中的其他投資費用為1.0×103萬元，管路維修費用為2 000.0元/次。將多種管路建設費用進行累加計算，得到管道輸送成品油的單次費用，假設輸送時每次經過中轉泵都會進行成品油的揚程射出，對應每次揚程損耗量相同。結合市場成品油單價，進行不同類型成品油管道輸送過程中企業需要支出成本的統計。為了確保統計結果的直觀性，將統計結果繪制成曲線圖，對應的實驗結果圖如圖2所示。

圖2 不同類型成品油管道輸送成本統計

從圖2可以看出，由于本文設計的管道輸油工程在建設中進行了運輸參數、管道選材等參數優化，因此，在進行成品油輸送時，起步成本相對于傳統輸油工藝而言更低。并且由于本文設計的管道工藝在實施中進行了運輸最短路徑的計算，減少了成品油運輸的長度，實現了中轉泵對成品油的揚程次數，因此可以認為輸送中成品油揚程損耗量相對較低，對于企業而言運輸過程中所需要支出的成本項目更少，從而在完成對不同類型油品從起點到油罐終點的輸送后，本文工藝所需要支出的經濟成本更低。

綜上所述，得出此次對比實驗的最終結論：相比該公司現用的管道運輸工藝，本文設計的成品油管道工藝在實際應用中，可以起到降低油品中轉次數、減少輸油揚程損耗量、節約管道運輸經濟成本的作用，以此種方式，為社會管道運輸工程的建設與成品油的管道運輸工作實施，創造了更高的收益。

3 結束語

從管道約束目標函數建立與約束條件描述、管道最優分輸流量與最佳管徑取值范圍設計，基于循環輸送的成品油管道運輸最短路徑設計三個方面，對成品油管道工藝設計方案展開了設計研究。在完成對方案的優化設計后，以國家石油天然氣管網集團有限公司華南分公司為例，選擇該公司廣東分支中用于輸油次數與頻率最高的管道作為實驗對象，設計對比實驗。并通過實驗證明，本文設計的成品油管道工藝在實際應用中，可以起到降低油品中轉次數、減少輸油揚程損耗量、節約管道運輸經濟成本的作用。

但此次設計的實驗也存在一些不足之處，例如，沒有詳細計算不同中轉站油品揚程的損耗量，沒有具體計算不同站點建設節約的費用等。因此，可在后續的研究中，增設更加詳細的對比指標，分析多種油品在運輸中的需求成本。并嘗試在后續的推廣中，使用本文設計成果代替傳統方法，以此種方式，為市場內相關企業與有關單位的建設及其在市場內的可持續發展，創造更高收益與市場價值。