輸油管道泵組合優(yōu)化運(yùn)行方案設(shè)計及實(shí)現(xiàn)

姜遠(yuǎn)征 楊祖釗 張金芳

（1.華北電力大學(xué)控制與計算機(jī)工程學(xué)院，北京 102206；2. 中國石油長慶石化公司，陜西 咸陽 712000）

節(jié)能減排是“十二五”規(guī)劃的重要目標(biāo)之一。然而，在我國很多行業(yè)的多數(shù)裝置上，能源消耗與產(chǎn)出的比值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家，2010年數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明中國單位 GDP能耗約是日本的 5倍，美國的 3倍[1]。隨著能源的日漸枯竭，高消耗的模式不可持續(xù)，因此，提高生產(chǎn)效益勢在必行。在原油的輸送中，由于我國原油含蠟含硫量較高，通常要求加熱輸送，在此過程中，存在許多配置應(yīng)用不合理的地方，如為保證安全輸油，一般都會過多地設(shè)置輸油中繼站，同時配置功率較大的輸送電機(jī)，采用較高的輸送溫度。這些“超配”措施能很好地保證輸油的安全卻帶來了極大的能源浪費(fèi)。對于一些中小型的原油加工企業(yè)來說，其超配更加嚴(yán)重。本文將要探討的輸油管道隸屬于某中型企業(yè)，其設(shè)備利用率比較低下。

1 設(shè)備現(xiàn)狀及運(yùn)行方式

1.1 運(yùn)行概況

某碼頭站原油輸送系統(tǒng)原油接卸能力200萬t/年，輸油操作主要首站有3臺長輸泵、2臺混輸泵，五臺泵年耗電約為占碼頭輸油總電耗的60%。現(xiàn)場數(shù)據(jù)表明，由于對輸送變化流量的原油時首站各泵的控制運(yùn)營僅憑調(diào)度人員經(jīng)驗(yàn)操作，當(dāng)前習(xí)慣操作的泵機(jī)組運(yùn)行效率較低，功耗偏高，泵運(yùn)行方式單一，現(xiàn)場各泵不能充分利用，特別在最高流量或最低流量時效率更低，因此有必要利用各泵進(jìn)行優(yōu)化組合運(yùn)行，改進(jìn)目前輸送方案，在保證安全運(yùn)行的前提下，確定穩(wěn)定工況下合理的泵組合，達(dá)到降低輸油電耗，原油輸送經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、穩(wěn)定最優(yōu)的目的。本文只討論泵組合的一個主要原因是因?yàn)樵趯?shí)際中，為了加快卸船速度，通常采用高溫卸油，即碼頭站的原油溫度幾乎不需要再加熱就能直接輸送，因此只討論泵組合優(yōu)化對該碼頭站來說有更大的實(shí)際意義。

1.2 首站各泵的主要技術(shù)參數(shù)

首站各泵機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)參見表1。

表1 碼頭站泵機(jī)組的主要技術(shù)參數(shù)

1.3 泵站特性描述

泵站的流量調(diào)節(jié)是通過合理調(diào)整輸油泵的出口閥門開度及多臺輸油泵機(jī)組的串并聯(lián)實(shí)現(xiàn)的。管道特性曲線可以表示為f=H+KQ2，泵的特性曲線為f’=Hb-KbQb2[2-3]。相同泵組合在不同給定質(zhì)量流量下運(yùn)行時，流量小于一定值時其單位輸油電耗明顯大于流量高的單位輸油電耗。這是由于輸送小流量原油時，單位輸油電耗較大，引起泵輸送效率下降所致。

由圖1可知，泵特性曲線與管道特性曲線的交點(diǎn)為效率最高的工作點(diǎn)，保持泵特性曲線不變，改變管道的特性曲線，兩曲線得到的建議工作點(diǎn)的流量值也減小。當(dāng)泵處于最高工作點(diǎn)，流量越大，泵效率越高，從而單位輸油電耗越小，因此為了保證泵高效運(yùn)行，泵機(jī)組運(yùn)行時應(yīng)盡量使其在滿負(fù)荷下運(yùn)行[4]。

圖1 泵特性曲線

1.4 單位輸油電耗的計算

輸油管道運(yùn)行費(fèi)用主要由輸油泵的動力費(fèi)用和熱力費(fèi)用組成，其中原油泵的動力費(fèi)用占主導(dǎo)地位，本文中對管道的運(yùn)行優(yōu)化主要針對泵機(jī)組的組合優(yōu)化，降低泵的實(shí)際消耗功率，即單位輸油電耗比，以節(jié)省動力費(fèi)用。由于原油碼頭各泵采用三相電動機(jī)帶動，實(shí)際能耗比計算公式如下所示：

其中，N為實(shí)際功率，kW·h；U為電機(jī)線電壓，V；I為電機(jī)線電流，A；cos?為功率因數(shù)，現(xiàn)場功率因數(shù)波動范圍為 0.85～0.92，本文中cos?取為相對穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)的值0.9。

單位輸油電耗[5]如下所示：

其中，Ne為單位輸油電耗（簡稱單耗），kW·h/t；N為實(shí)際消耗功率，kW；Q為質(zhì)量流量，t/h。

1.5 輸油泵實(shí)際運(yùn)行工況

泵組合的優(yōu)化是通過泵的組合排列來實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)輸油工藝的要求，泵機(jī)組實(shí)驗(yàn)應(yīng)保證在管道穩(wěn)定運(yùn)行條件下實(shí)現(xiàn)從一種工況向另一種工況的過渡。根據(jù)管道設(shè)計運(yùn)行情況統(tǒng)計得到現(xiàn)場流量的波動范圍有八種，分別約為 100t/h，120t/h，140t/h，160t/h，180t/h，200t/h，210t/h，240t/h。由該碼頭6個月的數(shù)據(jù)得到運(yùn)行過程中具體波動范圍見表2。

泵機(jī)組組合方式在給定輸量下根據(jù)管線上的閥門開度與/或泵的串并聯(lián)的不同一般有多種。分析各流量區(qū)間的實(shí)際運(yùn)行統(tǒng)計數(shù)據(jù)，選取各參數(shù)在穩(wěn)定運(yùn)行一定時間后的平均值，對比可知，已有的運(yùn)行方式中在各給定流量下的所有歷史數(shù)據(jù)的平均單位輸油電耗遠(yuǎn)高于歷史最優(yōu)單位輸油電耗，說明現(xiàn)有輸送方式大部分都為不經(jīng)濟(jì)的泵組合方式，經(jīng)驗(yàn)操作的隨機(jī)性令現(xiàn)有控制方案有較大的優(yōu)化空間。

表2 現(xiàn)場各泵運(yùn)行數(shù)據(jù)

2 優(yōu)化運(yùn)行方案的確定

2.1 方案原則

1）輸油管道運(yùn)行優(yōu)化的目的是在保證輸送任務(wù)的前提下，通過泵組合選取效率較高功率最小的匹配機(jī)組，確定最優(yōu)泵組合方案，實(shí)現(xiàn)長輸泵與混輸泵的有效利用，從而降低碼頭站動力消耗。

2）當(dāng)各泵輸送小流量原油時，其泵效率減小，導(dǎo)致單位輸油電耗較大，所以各泵盡量滿負(fù)荷運(yùn)行，保證單耗相對較小[6]。當(dāng)滿負(fù)荷運(yùn)行泵機(jī)組不能滿足給定流量要求時，適當(dāng)調(diào)整閥門開度或改變泵組合方式，以完成付油任務(wù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

分析碼頭站的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)可知，輸油系統(tǒng)質(zhì)量流量區(qū)間為80～260t/h，流量變化較大。由于泵串并聯(lián)及管道上的閥門開度可以調(diào)節(jié)，一種泵組合方式一般可以滿足多個輸油量范圍。每種組合可能滿足的給定流量情況如表3所示。另外由于可能存在安全隱患，且當(dāng)前最大質(zhì)量流速能夠充分完成付油任務(wù)，實(shí)際運(yùn)行中未考慮P2-113與P2-105接力、P2-113與P2-103并聯(lián)P2-104接力的泵組合方式。

由表所示，不同輸油流量區(qū)間下泵組合方式共有28種。在確認(rèn)當(dāng)前批次原油量，確保安全運(yùn)行的前提下，確定當(dāng)前每個流量區(qū)間對應(yīng)泵組合方式分別有幾種，從中找到穩(wěn)定運(yùn)行下的最小單位輸油電耗。從而確定最優(yōu)泵組合方式。

目前，煉油廠脫除MDEA溶液中HSS主要采用在線離子交換技術(shù)(如青島煉油、鎮(zhèn)海煉化、惠州煉油等)，把含有HSS的貧胺液通過離子交換樹脂，HSS中的陰離子與樹脂上的氫氧根離子發(fā)生置換反應(yīng)，從而被樹脂吸附。樹脂飽和后再用氫氧化鈉溶液再生，產(chǎn)生鈉鹽和堿液的混合廢液。離子交換技術(shù)需要耗費(fèi)一定量的堿液以不斷再生樹脂，同時產(chǎn)生大量含胺廢水，平均每處理1 m3胺液約產(chǎn)生含胺廢水1.5～2.4 m3[6]。含胺廢水對污水處理場生化系統(tǒng)的運(yùn)行非常不利。因此，對污水處理能力有限的煉油廠，選擇離子交換除鹽技術(shù)時要充分評估設(shè)備運(yùn)行對系統(tǒng)污水平衡的影響。

2.3 數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)場采集到的變量有電壓，電流，質(zhì)量流量，溫度，首站壓力，末站壓力等，采樣間隔為 30s。為精確計算單位輸油電耗等參數(shù)，對所取數(shù)據(jù)作初步分析?，F(xiàn)有采集碼頭站的各參數(shù)數(shù)據(jù)僅僅局限于管道中若干測試點(diǎn)，且因原油流動各參數(shù)受到系統(tǒng)、測量元件及外部干擾產(chǎn)生的大量未知噪聲的污染，使得部分?jǐn)?shù)據(jù)失真，難免會和實(shí)際情況不符，出現(xiàn)隨機(jī)誤差。在利用此類現(xiàn)場實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)律總結(jié)之前，需進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，才能更好地對碼頭站運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行觀測、評價和優(yōu)化。

本文對單位輸油電耗相關(guān)變量如各泵電壓，電流，質(zhì)量流量分別進(jìn)行濾波，首先采用洛必達(dá)法則判斷各變量壞值，然后采用滑動平均法對各變量壞值及缺失值進(jìn)行平滑處理。

由表4可知，輸油泵P2-103單獨(dú)運(yùn)行時在質(zhì)量流量低于205t/h的各流量區(qū)間單耗占優(yōu)；輸油P2-105單獨(dú)運(yùn)行時在質(zhì)量流量為205～270t/h時單耗占優(yōu)；輸油泵P2-104單獨(dú)運(yùn)行時單耗較高，滿負(fù)荷時(質(zhì)量流量約為140t/h)單耗相對低流量時較低；輸油泵P2-103與P2-104并聯(lián)運(yùn)行時能夠覆蓋的流量區(qū)間范圍較大，為133～250t/h，但其單耗均較高，可作為備用方案運(yùn)行；另外，長輸泵與P2-113串聯(lián)后流量提升幅度明顯大于與P2-115并聯(lián)，P2-104與P2-113、P2-103與P2-113并聯(lián)后分別可作為質(zhì)量流量準(zhǔn)則約為180t/h和200t/h的備選方案。

3 節(jié)能效果綜合評價

3.1 以瞬時流量為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)選

管道輸送能力是指啟泵輸送時的流量，由表4可知，當(dāng)質(zhì)量流量約為240～260t/h，建議啟用泵P2-105；當(dāng)質(zhì)量流量區(qū)間為100～210t/h，建議啟用泵P2-103。單位輸油電耗最高的泵組合方式為在各流量區(qū)間各有不同，此外其余流量區(qū)間時不存在經(jīng)濟(jì)泵組合。

表3 泵組合方式

表4 實(shí)際運(yùn)行方案

3.2 以日輸量為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)選

考慮碼頭站輸油系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀況，指定日流量超出5640t時，一般為P2-105滿負(fù)荷全天運(yùn)行，低于2000t時為103號泵全天運(yùn)行，其余流量區(qū)間考慮的泵切換的時間，不能全天都有機(jī)組在運(yùn)行，即公式（1）的時間約束不能取等號。忽略高程差按水平管道考慮輸油系統(tǒng)運(yùn)行狀況，建立一個動力消耗的目標(biāo)函數(shù)，確定管道系統(tǒng)在最佳效率下泵機(jī)組組合方案，計算輸油系統(tǒng)不停輸運(yùn)行達(dá)到最優(yōu)時每天的動力消耗。用線性規(guī)劃單純形法求出每種流量的建議運(yùn)行時間，通過選擇合適的泵組合調(diào)節(jié)流量使電力費(fèi)用達(dá)到最小。

式中，S為各建議方案總電費(fèi)，元；ti為各泵組合建議方案運(yùn)行時間，單位為 h，有 9個流量準(zhǔn)則，因此i=1…9；Qi為各流量準(zhǔn)則對應(yīng)最優(yōu)泵組合的質(zhì)量流量，t/h，Q為原油給定日輸送總量，t；Ni為最優(yōu)泵組合的最小單位輸油電耗，kW·h/t。

3.3 按年輸量為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)選

同理，按照年輸量對泵機(jī)組組合選擇從而實(shí)現(xiàn)單位輸油電耗優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型可以描述為

3.4 算例計算

根據(jù)該碼頭站2003年至2007年運(yùn)行數(shù)據(jù)（表5），對優(yōu)化運(yùn)行方案的節(jié)能效果進(jìn)行評價。由于輸油電耗占是碼頭站電力消耗的重要組成，約占全部耗電量的60%。

表5 2003－2007年運(yùn)行數(shù)據(jù)

按照單純形法對式（1）、式（2）兩模型進(jìn)行求解，依次得到不同規(guī)格下給定輸量的優(yōu)化結(jié)果（表6－8）。

如表6所示，將年輸量按照年運(yùn)行360天折算為瞬時流量，對照表3中各流量區(qū)間建議泵組合最低輸油電耗，按優(yōu)化方案運(yùn)行后，2003－2007年單位輸油電耗明顯低于實(shí)際數(shù)據(jù)。

表6 瞬時流量

如表7所示，按優(yōu)化方案運(yùn)行后，2003－2007年平均每日節(jié)約電能分別為282.9kW·h，365.5kW·h，461kW·h，346kW·h，87kW·h。

如表8所示，按優(yōu)化方案運(yùn)行后，2003－2007年平均每年節(jié)約電能分別為10.72萬kW·h，15.6萬kW·h，17.22 萬 kW·h，13.44 萬 kW·h，3.51 萬 kW·h。

表7 實(shí)際日輸油量

表8 實(shí)際年輸油量

4 實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)及其優(yōu)化

本文所設(shè)計的優(yōu)化準(zhǔn)則在2011年2月份開始試運(yùn)行，5月份開始按建議方案運(yùn)行，2－4月份建議運(yùn)行與實(shí)際運(yùn)行的節(jié)能效果平均優(yōu)化百分比分別為20.6%，13.75%，16.95%。5月中上旬的每天的運(yùn)行數(shù)據(jù)如表9所示。

表9 5月實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)

*備注，優(yōu)化比為0%的表示該天已經(jīng)按建議方案運(yùn)行。

總體看來，按照建議操作方案操作，能較大幅度地降低輸油電耗。

5 結(jié)論

對于國內(nèi)短輸管線輸量多，原油輸送管理市場需求大，本文以單位質(zhì)量流量能耗比為依據(jù)的泵組合優(yōu)化分析方法良好，數(shù)值準(zhǔn)確，運(yùn)行優(yōu)化方案合理，結(jié)果對現(xiàn)場有實(shí)際意義，可為工程提供參考。在不同規(guī)格給定輸油量下，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與泵組合方案有關(guān)，建立的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行時間最小輸油電耗的目標(biāo)函數(shù)是優(yōu)化分析結(jié)果合理可靠的重要依據(jù)之一。最后根據(jù)某碼頭的實(shí)際工況，給出了節(jié)約電耗的泵組方案，并根據(jù)2003－2007年輸油量計算出的不同最優(yōu)泵組合動力費(fèi)用，與實(shí)際電費(fèi)相比，按照日輸油量和年輸油量平均相差分別約為4.09%，3.75%，平均每年節(jié)省電能12.31萬kW·h?？紤]到該碼頭站以往的統(tǒng)計數(shù)據(jù)并沒有具體統(tǒng)計原油輸送的電耗，故該節(jié)能并不具有代表性。由2011年2－5月實(shí)際優(yōu)化運(yùn)行數(shù)據(jù)可知，平均每月節(jié)約16.51%電耗。這表明輸油系統(tǒng)經(jīng)過簡單的調(diào)整就能實(shí)現(xiàn)大幅節(jié)能。因此，合理的泵匹配一定程度下可以降低輸送成本，對國內(nèi)短輸管線的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有實(shí)際意義。

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