白狼城—小河輸油管道運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化

張乃祿 王曉明 趙自愿 徐菁 周國(guó)華

1西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院；2西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院3延長(zhǎng)油田股份公司靖邊采油廠

白狼城—小河輸油管道運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化

張乃祿1；2王曉明2趙自愿2徐菁2周國(guó)華3

1西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院；2西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院3延長(zhǎng)油田股份公司靖邊采油廠

白狼城—小河輸油管道工程的管道優(yōu)化設(shè)計(jì)采用的是遺傳算法。計(jì)算結(jié)果表明，運(yùn)行參數(shù)較優(yōu)化前有所減小，優(yōu)化后運(yùn)行總費(fèi)用可節(jié)省9.3萬(wàn)元/年，經(jīng)濟(jì)效益提高了5.61%。為了有效消除因電價(jià)上漲所帶來(lái)的影響，可通過(guò)提高輸送溫度來(lái)降低泵的揚(yáng)程，從而降低運(yùn)行費(fèi)用。當(dāng)燃料價(jià)格上漲帶來(lái)較大影響時(shí)，可提高輸送壓力，降低輸送溫度。

輸油管道；運(yùn)行參數(shù)；優(yōu)化模型；遺傳算法

輸油管道優(yōu)化運(yùn)行是降低輸油成本的有效措施，是近幾年油氣田地面工程與儲(chǔ)運(yùn)研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。本文基于最優(yōu)化理論與最優(yōu)化問(wèn)題原理，對(duì)白狼城—小河輸油管道進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)行研究。建立了管輸運(yùn)行總費(fèi)用的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，根據(jù)輸油管道優(yōu)化運(yùn)行問(wèn)題的特點(diǎn)，采用遺傳算法對(duì)輸油管道優(yōu)化模型進(jìn)行了求解，并研究了影響管輸運(yùn)行費(fèi)用的因素及其之間的變化規(guī)律，為實(shí)現(xiàn)輸油管道優(yōu)化運(yùn)行，提高在役管線的經(jīng)濟(jì)效益，降低運(yùn)行總費(fèi)用提供了一定的科學(xué)依據(jù)。

1 優(yōu)化模型建立

白狼城—小河輸油管道工程是延長(zhǎng)油田陜北集輸系統(tǒng)的重要組成部分，全線長(zhǎng)約40km，承擔(dān)著沿線各采油區(qū)原油輸至相應(yīng)聯(lián)合站進(jìn)行處理并外輸?shù)娜蝿?wù)。

該管道工程主要包括：白狼城～11#聯(lián)合站，全場(chǎng)11.57km，管徑DN133mm，年設(shè)計(jì)輸量21萬(wàn)噸；11#～10#聯(lián)合站，管線全長(zhǎng)12.88km，管徑DN133mm，年設(shè)計(jì)輸量29.6萬(wàn)噸；10#聯(lián)合站～小河集油站，管線全長(zhǎng)15.79km，管徑DN159mm，年設(shè)計(jì)輸量29.65萬(wàn)噸。

1.1 優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)與約束條件的建立

1.1.1 目標(biāo)函數(shù)的建立

選取輸油管道熱泵站的年動(dòng)力費(fèi)和熱力費(fèi)用之和作為優(yōu)化運(yùn)行數(shù)學(xué)模型中的目標(biāo)函數(shù)，即

1.1.2 約束條件的建立

（1）熱力約束。

式中Tmax為原油物性、輸油管的安全、瀝青防腐層三者中允許最高溫度。

（2）水力約束。

（3）管道強(qiáng)度約束。

（4）泵機(jī)組特性約束。為了保證完成輸油任務(wù)，熱泵站的排量應(yīng)略大于或等于任務(wù)輸量Q，熱泵站提供的能量等于管路系統(tǒng)消耗的能量。當(dāng)單臺(tái)泵不能滿足輸油任務(wù)的要求時(shí)，可考慮泵機(jī)組的串、并聯(lián)工作方式。

1.2 優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

2 優(yōu)化計(jì)算

2.1 遺傳算法及優(yōu)化計(jì)算結(jié)果

白狼城—小河輸油管道工程的管道優(yōu)化設(shè)計(jì)采用的是遺傳算法。其優(yōu)化前、后運(yùn)行參數(shù)及費(fèi)用對(duì)比見(jiàn)表1。通過(guò)對(duì)比可以看出，優(yōu)化后運(yùn)行參數(shù)有所減小，不但滿足了輸送要求，而且降低了運(yùn)行成本。優(yōu)化后總費(fèi)用可節(jié)省9.3萬(wàn)元/年，經(jīng)濟(jì)效益提高了5.61%；動(dòng)力費(fèi)用較優(yōu)化前每年可節(jié)省3.2%；熱力費(fèi)用每年可節(jié)省8.16%。白狼城～11#聯(lián)合站，優(yōu)化前后總費(fèi)用相對(duì)較高，熱力費(fèi)用占比例較大，主要是因?yàn)樵谶@個(gè)管段加熱溫度及加熱熱程比較高，導(dǎo)致熱力費(fèi)用相當(dāng)高。該管段出站壓力較大，但年輸量較其他管段較小，所以動(dòng)力費(fèi)用相對(duì)其他管段差別不大。11#～10#聯(lián)合站，優(yōu)化前后動(dòng)力費(fèi)用所占比例較大，主要是因?yàn)槟贻斄看笏?。加熱溫度及加熱熱程較低使得熱力費(fèi)用相對(duì)其他管段較低。10#聯(lián)合站～小河，優(yōu)化前后動(dòng)力費(fèi)用與熱力費(fèi)用所占比例相當(dāng)。雖然年輸量很大，但輸送壓力較小使得動(dòng)力費(fèi)用相對(duì)不是很大。

2.2 影響優(yōu)化結(jié)果因素分析

從各因素對(duì)優(yōu)化后總費(fèi)用的影響結(jié)果可以看出，電力價(jià)格波動(dòng)10%，總運(yùn)行費(fèi)用變化5.03%。電力價(jià)格的高低對(duì)運(yùn)行費(fèi)用的影響很大。為了有效消除因電價(jià)上漲所帶來(lái)的影響，可通過(guò)提高輸送溫度來(lái)降低泵的揚(yáng)程，從而降低運(yùn)行費(fèi)用。燃料油價(jià)格波動(dòng)10%，總運(yùn)行費(fèi)用變化4.967%。燃料價(jià)格的變化對(duì)運(yùn)行費(fèi)用的影響很大，當(dāng)燃料價(jià)格上漲帶來(lái)較大影響時(shí)，可提高輸送壓力，降低輸送溫度，從而降低運(yùn)行費(fèi)用。原油的黏度隨著溫度的降低而增大，而動(dòng)力費(fèi)用卻相應(yīng)增加，所以提高輸送壓力，降低輸送溫度必須控制在一定范圍之內(nèi)，才可實(shí)現(xiàn)一定的經(jīng)濟(jì)效益。年輸量上漲10%，總運(yùn)行費(fèi)用上漲9.75%，年輸量下降10%，總運(yùn)行費(fèi)用下降9.81%，所以輸量的變化對(duì)運(yùn)費(fèi)用影響也很大。

表1 優(yōu)化前、后運(yùn)行參數(shù)及費(fèi)用對(duì)比

3 結(jié)論

（1）白狼城—小河集輸系統(tǒng)輸油管道以運(yùn)行總費(fèi)用（動(dòng)力費(fèi)用和熱力費(fèi)用）最低為目標(biāo)函數(shù)，建立了輸油管線運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型；選取運(yùn)行參數(shù)（出站壓力、出站溫度）作為優(yōu)化參數(shù)，采用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化求解。

（2）計(jì)算結(jié)果表明，優(yōu)化后運(yùn)行參數(shù)有所減小，運(yùn)行總費(fèi)用可節(jié)省9.3萬(wàn)元/年，經(jīng)濟(jì)效益提高了5.61%，不但滿足了輸送要求，而且達(dá)到了降低原油輸送成本的目的。

（3）電力價(jià)格、燃料油價(jià)格、年輸量對(duì)運(yùn)行費(fèi)用的影響較大。要充分利用電力價(jià)格或燃料油價(jià)格較低的機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)較低的目標(biāo)。同時(shí)，年輸量也必須控制在經(jīng)濟(jì)輸量范圍之內(nèi)。

（欄目主持 張秀麗）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.4.021