一摻多回流程摻水參數(shù)優(yōu)化

賀鳳云，陳 斌

（東北石油大學(xué)， 黑龍江 大慶 163311）

一摻多回流程摻水參數(shù)優(yōu)化

賀鳳云，陳 斌

（東北石油大學(xué)， 黑龍江 大慶 163311）

大慶油田某區(qū)塊采用一摻多回的摻水集輸流程，但在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，能耗大，運(yùn)行費(fèi)用高等問題日益凸顯。為降低摻水系統(tǒng)能耗，針對一摻多回?fù)剿土鞒?，以摻水量、摻水溫度為設(shè)計(jì)變量，系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用最低為目標(biāo)函數(shù)，壓力、溫度為約束條件，建立能耗關(guān)聯(lián)模型。利用混合懲罰函數(shù)法和改進(jìn)的共軛方向法對模型求解，得到摻水系統(tǒng)的最佳摻水溫度與最佳摻水量。與優(yōu)化前相比,一摻多回流程摻水系統(tǒng)年摻水量降低27 841 t，摻水溫度降低5.5 ℃，每年可節(jié)約能耗費(fèi)用6.95×105元。

摻水輸油；參數(shù)優(yōu)化；數(shù)學(xué)模型；能耗

由于電加熱集輸系統(tǒng)運(yùn)行過程中，電加熱帶容易損壞且不易于管理，大慶油田某區(qū)塊集油系統(tǒng)在2012將電加熱集油流程改為一摻多回的摻水流程，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)油站集中控制摻水量、摻水溫度[1]。但一摻多回?fù)剿到y(tǒng)仍存在集油環(huán)長，摻水調(diào)節(jié)困難、運(yùn)行費(fèi)用高等問題。因此，本文以一摻多回流程摻水系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用最低為目標(biāo)函數(shù)建立優(yōu)化模型，對該系統(tǒng)的摻水溫度及摻水量進(jìn)行優(yōu)化。在保證正常生產(chǎn)條件下，使系統(tǒng)能耗降到最低。

1 能耗關(guān)聯(lián)模型的建立

通過對一摻多回?fù)剿到y(tǒng)進(jìn)行分析，以系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用最低為目標(biāo)函數(shù)，建立數(shù)學(xué)模型如下[2]：

式中：f—日總能耗費(fèi)用，元；

fT—日熱力費(fèi)用，元；

fP—日動(dòng)力費(fèi)用，元。

1.1 熱力費(fèi)用

通過對摻水系統(tǒng)進(jìn)行分析，系統(tǒng)的熱力損失主要是介質(zhì)沿管線動(dòng)的過程中向外界散失的熱量，將其折算成熱力費(fèi)用如下：

式中：αT—天然氣價(jià)格，元/m3;

QT—管道總散熱損失，J/s;

t—管道的日運(yùn)行時(shí)間，s;

ηT—設(shè)備的熱效率;

QDW—天然氣低位發(fā)熱值，J/ m3。

圖1 一摻多回流程示意圖Fig.1 The diagram of crude transportation progress of multi-return after blending water from one station

1.2 動(dòng)力費(fèi)用

集輸系統(tǒng)的動(dòng)力損失主要是指流動(dòng)介質(zhì)在管道內(nèi)的壓力損失。動(dòng)力費(fèi)用可按下式計(jì)算：

式中：αP—電價(jià)，元/（kW·h）；

QP—管道的壓力損失，J/s；

t—管道的日運(yùn)行時(shí)間，s；

ηP—設(shè)備的效率；

R—電能折算系數(shù)（當(dāng)量熱值），J/(kW·h)。

1.3 約束條件

為了保證油井的正常生產(chǎn)，必須控制端點(diǎn)井井口回壓在運(yùn)行范圍內(nèi)，一般不超過1.0 MPa；出轉(zhuǎn)油站的壓力一般不高于2.0 MPa；進(jìn)站（轉(zhuǎn)油站）的壓力不高于0.2 MPa, 進(jìn)站溫度要高于原油凝點(diǎn)3~5℃[3]。

2 模型求解

本文所建立的數(shù)學(xué)模型，屬于約束非線性規(guī)劃問題，即涉及變量比較多，筆者利用VB編程，用混合懲罰函數(shù)法將約束優(yōu)化轉(zhuǎn)換為無約束優(yōu)化，再用改進(jìn)的共軛方向法進(jìn)行求解[4,5]。求解步驟如下：

（2）以為初始點(diǎn)，利用黃金分割法求無約束優(yōu)化的極小值，即求：

（a）以x0為初始點(diǎn)，利用黃金分割法,沿s1=e1，s2=e2，…，sn=en（其中e1, e2,...,en為n階單位矩陣）求f(x)極小，x1,x2,...，xn，及fi=f(xi),幵求出m和Δm。

（b）求q=xn-x0。由xn沿q搜索得到xn+1。

（c）判斷k= n，若是，轉(zhuǎn)入(d),否則，轉(zhuǎn)入(e)。

（e）判別是否滿足

(f0-2fn+f*)(f0-fn-Δm)2＞(f0-f*)2Δm或f(2xn-x0)≥f0。若滿足，則搜索方向不變，令f0=f( xn)，x0=xn,返回步驟（b），否則另q代替其中的一個(gè)方向，另x0=xn+1，返回步驟（a）。

（3）若極優(yōu)解xn+1滿足(ε=0.000 1)，則xn+1即為最優(yōu)解，否則令x0=xn+1，rk+1=Crk，k=k+1；返回步驟（2）。

根據(jù)以上求解步驟，編制了一摻多回?fù)剿到y(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化軟件。該軟件由數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊、管段末端溫度，壓力計(jì)算模塊、參數(shù)優(yōu)化模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊、及圖形顯示模塊組成，能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算系統(tǒng)各管段端點(diǎn)的溫度壓力計(jì)算、各管道能耗費(fèi)用計(jì)算及參數(shù)優(yōu)化計(jì)算等功能。

3 應(yīng)用實(shí)例與結(jié)果分析

本文以大慶油田某區(qū)塊集油系統(tǒng)中計(jì)量間2為例進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。該間所轄集油環(huán)4個(gè)，油井78口。優(yōu)化前的熱水出站溫度 73 ℃，計(jì)量間日摻水量為299 t，日能耗費(fèi)用為5 106元。通過優(yōu)化計(jì)算，在保證進(jìn)站溫度38 ℃，進(jìn)站壓力0.15 MPa的條件下，優(yōu)化后的日摻水溫度為67.5 ℃時(shí)，日摻水量為288 t，日能耗費(fèi)用為4 720元，管網(wǎng)運(yùn)行費(fèi)用比優(yōu)化前降低了7.56%。優(yōu)化后的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

4 結(jié)束語

a) 一摻多回流程實(shí)現(xiàn)了在轉(zhuǎn)油站集中優(yōu)化調(diào)節(jié)各個(gè)環(huán)的摻水溫度和摻水量，提高了摻水參數(shù)的

準(zhǔn)確性，保證摻水系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。

b）建立了一摻多回流程能耗關(guān)聯(lián)模型，采用混合懲罰函數(shù)法和改進(jìn)的共軛方向法對模型進(jìn)行求解，利用Visual Basic語言編制摻水參數(shù)優(yōu)化軟件，該軟件的收斂性好，幵且收斂速度快，可用于摻水溫度、摻水量優(yōu)化計(jì)算及各管段壓降、溫降計(jì)算。

c）利用摻水參數(shù)優(yōu)化軟件對大慶油田某區(qū)塊集油系統(tǒng)計(jì)量間2進(jìn)行實(shí)際運(yùn)算，優(yōu)化后摻水溫度為67.5 ℃，優(yōu)化前73度,下降了7.5% ；年摻水量為1.05×105t，優(yōu)化前1.09×105t（按365 d計(jì)算），下降了3.7 %；優(yōu)化后運(yùn)行費(fèi)用降低7.56%。

d）該區(qū)塊共有計(jì)量間5座，集油環(huán)16個(gè)，所轄油井 401口，其中在用油井 391 口，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，年節(jié)約摻水27 841 t ,節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用6.95×105元。

表1 大慶油田某區(qū)塊集油系統(tǒng)各計(jì)量間2優(yōu)化結(jié)果Table 1 Results of optimizing for metering plant 2 at some oil gathering and transporting system of Qi jiabei oil transfer station

［1］李心凱, 孫延明, 胡琪,等. 摻水集油參數(shù)優(yōu)化研究[J]. 石油化工應(yīng)用, 2013, 32(5): 116-17.

［2］謝正芳. 摻水控制工藝分析[J]. 化學(xué)工程與裝備,2012,(8): 114-117.

［3］李青民.井口回壓對站外集油系統(tǒng)的影響[J].當(dāng)代化工,2011,40(7):713-715.

［4］王云.改進(jìn)的目標(biāo)罰函數(shù)及性質(zhì)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào),2011,25(9):11 4-117.

［5］史文譜,劉迎曦,鞏華榮,等. 黃金分割法在無約束多元優(yōu)化問題中的應(yīng)用[J]. 曲阜師范大學(xué)學(xué)報(bào), 2013,35(2):12-14.

表1 冷劑量與回流量的關(guān)系Table 1 The refrigerant-back flow data

圖3 回流量與冷劑量的相關(guān)性Fig.3 The correlation of refrigerant and back flow

繪成圖后如圖3所示。

如圖3所示，預(yù)脫甲烷塔的回流與冷劑的變化趨勢及量都基本相同。在生產(chǎn)中，操作人員可以通過調(diào)節(jié)再沸量，觀察冷劑量來確定大概的回流量，回流量的變化一般比冷劑用量滯后約6～8 min。

4 結(jié)束語

目前，該套裝置的三座自回流式精餾塔在輕組分分離過程中的應(yīng)用十分成功，其中預(yù)脫甲烷塔塔頂丙烯的損失為 5×10-7%(vol)，塔釜甲烷損失為 1 ×10-8%(vol)，尾氣精餾塔塔頂乙烯損失為0，脫甲烷塔塔頂乙烯損失為 0，塔釜甲烷損失為 2× 10-8%(vol)。和傳統(tǒng)的精餾設(shè)備相比，自回流式精餾塔具有明顯的優(yōu)勢，其在輕組分之外的領(lǐng)域還會(huì)有更廣闊的發(fā)展。

Water-blended Parameters Optimization of Crude Transportation Process With Multi-return After Blending Water From One Station

HE Feng-yun, CHEN Bin
（Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163311，China）

At present, the water-blended crude transportation process with multi-return after blending water from one station was used in the oil gathering and transporting system in an oil transfer station. However, during the operation of the system，the problem of high energy consumption and large operation cost was increasingly prominent. In order to reduce the energy consumption of water-blended system, a model of related energy consumption was established with the water-blended amount and the water-blended temperature as the design variables, the minimal energy consumption cost as the objective function, the pressure and temperature as restrain conditions. The mathematical model was solved by using POWELL method and mixture SUMT method, the best water-blended temperature was obtained as well as the best water-blended amount. Compared with the situation before optimization, the annual water-blended amount was reduced by 27 841 tons, the water-blended temperature was reduced by 5.5 ℃, in addition, the annual operation cost was reduced by 6.95×105 Yuan.

Water-blended crude transportation; Parameters optimization; Mathematical model; Energy consumption

TE 832

A

1671-0460（2014）09-1739-03

2014-01-16

賀風(fēng)云，女，黑龍江大慶人，教授，博士研究生，1988年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院石油工程專業(yè)，1996年獲該學(xué)院油氣田開發(fā)工程碩士學(xué)位，2008年獲得博士學(xué)位，現(xiàn)從事油氣集輸及采出液處理方面的研究，1461322868@qq.com。

陳斌（1989-），女，油氣集輸及礦場加工。E-mail：373904324@qq.com。