原油儲(chǔ)運(yùn)庫的全能流模型

孟凡臣，周海蓮

（1. 渤海鉆探工程公司 油氣合作開發(fā)分公司，天津 300280； 2. 吉林油田勘察設(shè)計(jì)院 工藝所油建室，吉林 松原 138000）

原油儲(chǔ)運(yùn)庫的全能流模型

孟凡臣1，周海蓮2

（1. 渤海鉆探工程公司 油氣合作開發(fā)分公司，天津 300280； 2. 吉林油田勘察設(shè)計(jì)院 工藝所油建室，吉林 松原 138000）

將過程系統(tǒng)分析理論應(yīng)用于原油儲(chǔ)運(yùn)庫的用能分析，提出原油儲(chǔ)運(yùn)庫全能流模型概念。按照分解—綜合—分解的模式，將系統(tǒng)分解為最基本的單元設(shè)備，分析用能實(shí)質(zhì)、劃分用能過程，建立單元模型；以原油、能量在系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)移為線索，結(jié)合工藝流程將單元設(shè)備綜合為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型；最終給出系統(tǒng)計(jì)算框圖，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，確定系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的水力、熱力參數(shù)，可為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，合理優(yōu)化工藝流程提供一定的理論基礎(chǔ)。

原油儲(chǔ)運(yùn)庫；能流模型；用能單元；用能過程

原油儲(chǔ)運(yùn)庫作為面向油田生產(chǎn)與消費(fèi)的紐帶，是由若干用能單元按照一定拓?fù)潢P(guān)系銜接而成的對(duì)原油、能量、信息進(jìn)行輸送、轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)的用能系統(tǒng)，其輸油泵、管道、油罐等裝置之間不僅存在著耦合、制約關(guān)系。同時(shí)，多個(gè)儲(chǔ)運(yùn)庫又將原油匯集于同一外輸泵站進(jìn)行加壓外輸，這樣就形成了一個(gè)更龐大的油田原油儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)。目前，對(duì)于這種復(fù)雜、動(dòng)態(tài)用能系統(tǒng)的研究多為針對(duì)輸油泵或油罐等主要用能設(shè)備，缺乏一定的系統(tǒng)性和全面性。

過程系統(tǒng)工程是以處理物料—能量—資金—信息流的過程系統(tǒng)為研究對(duì)象的現(xiàn)代交叉學(xué)科[1]，已具有成熟的系統(tǒng)建模、分解、計(jì)算、優(yōu)化和綜合的理論可供使用。盡管過程系統(tǒng)工程主要針對(duì)化工過程，但原油庫中能流是客觀存在的，且包含著能量的轉(zhuǎn)換，因此對(duì)原油儲(chǔ)運(yùn)過程也具有適用性。本文將過程系統(tǒng)分析理論應(yīng)用于原油儲(chǔ)運(yùn)庫中，在對(duì)大慶油田所轄油庫全面調(diào)研的基礎(chǔ)上，提出全能流模型的概念。這將為確定穩(wěn)態(tài)及非穩(wěn)態(tài)狀況下系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)溫度、壓力等參數(shù)分布，掌握油庫運(yùn)行參數(shù)波動(dòng)規(guī)律及控制生產(chǎn)運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

1 全能流模型

能流模型是對(duì)用能系統(tǒng)的本質(zhì)描述，模型的正確與否將直接影響系統(tǒng)的分析結(jié)果。目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)能流模型進(jìn)行了大量的研究。并取得了一些有意義的成果。城子克夫提出了簡(jiǎn)單方框模型[2]，梅田富雄給出了雙子系統(tǒng)模型、Townsend和Linnhoff提出三子系統(tǒng)交互模型、學(xué)者華賁給出了三環(huán)節(jié)模型[3]，成慶林等提出了用能過程模式分析模型[4]。

基于以上能流模型，結(jié)合原油儲(chǔ)運(yùn)庫的工藝流程及實(shí)際用能特點(diǎn)，提出原油儲(chǔ)運(yùn)庫的全能流模型概念。其涵義包括以下幾個(gè)方面。

（1）“全”體現(xiàn)的是相對(duì)的概念，同以往的原油儲(chǔ)運(yùn)庫用能分析相比，全能流模型涵蓋了儲(chǔ)油系統(tǒng)的各種主要耗能設(shè)備。

（2）對(duì)各單元設(shè)備的用能本質(zhì)進(jìn)行分析，歸納為能量傳輸、能量轉(zhuǎn)換、能量利用三種用能過程。能量傳輸過程包括：直接輸送物流的蒸汽管道、熱水伴熱管道、輸油管道和油罐車；能量轉(zhuǎn)換過程包括：將燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能的加熱爐、鍋爐，將電能轉(zhuǎn)換為介質(zhì)壓力能的輸油泵；能量利用過程：將高溫介質(zhì)的能量傳遞給低溫介質(zhì)的換熱器及儲(chǔ)油罐。

（3）建立表征單元間聯(lián)接關(guān)系的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型。

（4） 確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型中各單元流股的制約關(guān)系，并予以適當(dāng)?shù)臄嗔?，給出合理的計(jì)算順序。

（5） 結(jié)合有效的求解方法可以得到整個(gè)過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)及非穩(wěn)態(tài)的溫度、壓力等參數(shù)分布。

2 劃分用能過程

油田原油儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)作為一個(gè)相互關(guān)聯(lián)的多層次系統(tǒng)，是由不同功能的單元設(shè)備按照物理集合的方式逐級(jí)構(gòu)成的。對(duì)其進(jìn)行分析時(shí)，就應(yīng)該在不同的層次上分析其最基本的組成要素。單元設(shè)備作為原油儲(chǔ)運(yùn)庫最小的用能單元，通過分析它的用能本質(zhì)，結(jié)合過程系統(tǒng)能量流結(jié)構(gòu)模型，可將所有用能設(shè)備的用能過程劃分如下。

表1 單元設(shè)備的用能過程劃分Table1 Division of energy using process for unit equipments

對(duì)上述各單元設(shè)備進(jìn)行建模時(shí)，最主要的是準(zhǔn)確的物性參數(shù)和過程機(jī)理的正確描述。由于當(dāng)前原油儲(chǔ)運(yùn)庫記錄的數(shù)據(jù)只為滿足于生產(chǎn)，同時(shí)部分投產(chǎn)年限較早設(shè)備的技術(shù)參數(shù)已經(jīng)缺失，因此，調(diào)研的過程中難以獲得更全面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。這樣在建立單元設(shè)備模型的時(shí)候，就需要采用機(jī)理模型與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ê谙淠Ｐ停┫嘟Y(jié)合的方法，將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不足的設(shè)備視為黑箱來處理，根據(jù)輸出變量與輸入變量測(cè)定值之間的關(guān)系，采用回歸分析的方法，建立經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型的一種，通過圖形的形式來表達(dá)單元設(shè)備之間的邏輯關(guān)系，從而使復(fù)雜的系統(tǒng)中各個(gè)單元之間的關(guān)系以清晰、易于理解的方式表達(dá)出來。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖由節(jié)點(diǎn)和邊組成，節(jié)點(diǎn)代表過程系統(tǒng)的單元設(shè)備，邊則代表單元之間的流股（物流、能流），若考慮到流股的方向則邊也是有方向的，因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖也稱為有向圖。

以大慶油田北油庫為例，忽略閥門、流量計(jì)等設(shè)備，建立其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型如圖1。

圖1 北油庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram of north oil tank farm

圖1中的實(shí)線代表原油的流向，虛線代表熱水的流向。對(duì)于熱水伴熱模塊（BR）僅指為原油提供熱量，并不表示物流的摻混。

北油庫油罐為雙管流程，雖然可以實(shí)現(xiàn)靜止儲(chǔ)存、收油、發(fā)油和邊進(jìn)邊出四種流程，但是在實(shí)際運(yùn)行中采用兩組油罐輪流進(jìn)行收、發(fā)油操作，即：當(dāng)1#油罐組（由8個(gè)2×104m3油罐組成）處于收油狀態(tài)時(shí)，2#油罐組（由2個(gè)5×104m3的油罐組成）一定處于發(fā)油狀態(tài)。1#油罐組因單個(gè)體積較小、投產(chǎn)年限較長，在冬季需鍋爐提供熱水維溫；2#油罐組因罐內(nèi)原油溫度較高，原來設(shè)置的熱油噴灑流程已停用。1#輸油管道為該油庫的主力外輸管道，長年運(yùn)行；2#輸油管道負(fù)責(zé)向小煉化廠供油，間歇運(yùn)行。

計(jì)算框圖和計(jì)算結(jié)果分別見圖 2、表 2，3。

圖2 北油庫計(jì)算框圖Fig.2 Calculation block diagram of north oil tank farm

表2 16:00-24:00加熱爐計(jì)算表Table 2 16:00-24:00 Calculation table of heating furnace

表3 油罐及輸油泵計(jì)算表Table 3 Calculation table of oil tank and oil pump

4 結(jié)束語

將過程系統(tǒng)分析的基本思想應(yīng)用于原油儲(chǔ)運(yùn)庫的方法是可行的，通過全能流模型概念的闡述、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型及計(jì)算框圖的建立，可以得出系統(tǒng)各單元的運(yùn)行參數(shù)，為原油儲(chǔ)運(yùn)庫安全運(yùn)行、實(shí)施優(yōu)化調(diào)度等奠定基礎(chǔ)。

[1] 成思危，楊友麒.過程系統(tǒng)工程的發(fā)展和面臨的挑戰(zhàn)[J].現(xiàn)代化工，2007，27（4）：1-6.

[2] 鄧毅.造紙企業(yè)能量系統(tǒng)三環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)模型的建立和用能分析研究[D].華南理工大學(xué),2003.

[3] 陳清林，尹清華，王松平,等.過程系統(tǒng)能量流結(jié)構(gòu)模型及其應(yīng)用[J].化工進(jìn)展，2003，22（3）：239-241.

[4] 靳辛，成慶林，師祥洪.用能系統(tǒng)節(jié)能分析方法[M].北京：石油工業(yè)出版社，2008.53-63.37-40.

Total Energy Flow Model of Oil Tank Farm

MENG Fan-chen1， ZHOU Hai-lian2
(1. Bohai Drilling Engineering Company Petroleum AND Gas Cooperation Developing Branch Office, Tianjin 300280, China；2. Jilin Oilfield Survey Design Institute Petroleum Construction Department Processes Place, Jilin Songyuan 138000, China）

Mature system modeling and analysis theories of process systems engineering were applied to analyze energy using of oil tank farm, then the concept of energy flow model was put forward. In accordance with the decomposition-comprehensive–decomposition idea, the system was decomposed into basic units of equipment, the essence of energy using was analyzed and energy using process was divided, then element model was established. With the clue of oil and energy transfer in system, unit equipments were combined as system structure model which based on technological process. Finally, calculating frame was presented and thermo-hydro-parameters of each nodes were determined with actual data for further analysis in system,which can provide theory basis for realizing energy saving and emission reduction and optimizing technology processes.

Oil tank farm; Energy flow model; Unit of energy using; Process of energy using

TE 821

A

1671-0460（2011）02-0171-03

2010-11-30

孟凡臣（1983-），男，黑龍江雙城人，助理工程師，2007年畢業(yè)于武漢理工大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)，研究方向：主要從事原油庫與天然氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的研究。郵箱：mfc830129@163.com。