峰谷電價(jià)體制下成品油管道優(yōu)化運(yùn)行

蔣洋 陳世一（中國(guó)民航大學(xué)）

峰谷電價(jià)體制下成品油管道優(yōu)化運(yùn)行

蔣洋 陳世一（中國(guó)民航大學(xué)）

建立了峰谷分時(shí)電價(jià)體制下泵站單機(jī)組變轉(zhuǎn)速優(yōu)化運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型，考慮了流態(tài)變化對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響；以一條成品油管道為例，考察電費(fèi)的節(jié)約比例隨日輸量及輸送介質(zhì)的變化規(guī)律。結(jié)果表明，峰谷電價(jià)體制下，成品油管道具有一定的優(yōu)化運(yùn)行降低耗電成本的潛力，但是，電費(fèi)的節(jié)約比例在隨日輸量以及輸送介質(zhì)的不同而變化，必須根據(jù)不同管道的具體情況來(lái)確定每天的最優(yōu)流量和轉(zhuǎn)速匹配，使管道發(fā)揮最大的節(jié)能潛力。

成品油管道 峰谷電價(jià) 優(yōu)化運(yùn)行

引言

峰谷電價(jià)是指根據(jù)用戶(hù)的用電情況，將每天的時(shí)間分為峰時(shí)、平時(shí)、谷時(shí)三個(gè)時(shí)段，或者峰時(shí)、谷時(shí)兩個(gè)時(shí)段，分別對(duì)各個(gè)時(shí)段制定不同的用電價(jià)格，以此來(lái)促使用戶(hù)改變用電方式，主動(dòng)地削峰填谷，減小用電高峰時(shí)段供電設(shè)施的負(fù)擔(dān)。我國(guó)從上世紀(jì)80年代開(kāi)始實(shí)行分時(shí)電價(jià)制度，近幾年來(lái)逐漸普及推廣，取得了十分顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，緩解了用電緊張的狀況[1]。目前，研究人員在礦山給排水、水電站、自來(lái)水廠、南水北調(diào)等領(lǐng)域進(jìn)行了大量?jī)?yōu)化運(yùn)行的研究工作，眾多優(yōu)化模型已經(jīng)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際中得到了廣泛應(yīng)用，峰谷電價(jià)體制所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益日趨明顯。

成品油管道運(yùn)行過(guò)程中，泵機(jī)組消耗的動(dòng)力費(fèi)用在整條管道經(jīng)營(yíng)成本中占有很大比例，如果利用峰谷電價(jià)機(jī)制，適當(dāng)調(diào)整管道的運(yùn)行方案，合理確定一天中不同時(shí)段的輸油流量，加大低谷時(shí)段的流量，減小高峰時(shí)段的流量，使管道既能完成每天的輸油任務(wù)，又能使全天的耗電成本降到最低，一定程度上降低管道的輸油成本，達(dá)到管道優(yōu)化運(yùn)行的目的[2]。但是，從安全角度考慮，不能無(wú)限制地增加谷時(shí)流量，以防止超出管道的最大承壓，所以，對(duì)輸量的調(diào)整必須控制在一定的范圍內(nèi)。

為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，便于討論，做如下假定：

◇該管道是一條簡(jiǎn)單管道，只有首站對(duì)油品進(jìn)行增壓，沿途不再設(shè)中間加壓泵站，沿途沒(méi)有分輸和注入；

◇首站只有1臺(tái)工作泵，并且可以通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)整管道的流量。

1 數(shù)學(xué)模型

將每天分為三個(gè)時(shí)段。設(shè)第 j時(shí)段（ j=1，2，3，分別對(duì)應(yīng)峰時(shí)、平時(shí)、谷時(shí)）電價(jià)為Cj元/ kWh，每天運(yùn)行 tj小時(shí)；該時(shí)段泵機(jī)組轉(zhuǎn)速為njr/min，功率為NejkW；該時(shí)段管道流量為qjm3/h，每天的計(jì)劃輸量為Qm3，由此可得優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型：

qj≤Qmax（管道最大輸量要滿(mǎn)足管路最大承壓的約束） （3）

目標(biāo)函數(shù)中，泵機(jī)組耗電功率Nej的計(jì)算可以通過(guò)以下公式進(jìn)行計(jì)算：

（4）式中Hj為此流量下泵機(jī)組的揚(yáng)程，即該時(shí)段管道所消耗的摩阻損失，它的計(jì)算要根據(jù)達(dá)西公式[3]進(jìn)行。在不同的流態(tài)下，達(dá)西摩阻系數(shù)有不同的計(jì)算方法，具體計(jì)算及公式在文獻(xiàn)[3]中有詳細(xì)介紹。當(dāng)流量發(fā)生變化時(shí)，需重新確定流態(tài)，根據(jù)文獻(xiàn)[3]介紹的方法，確定該時(shí)段摩阻系數(shù)的具體數(shù)值。ηj為此時(shí)段泵機(jī)組的效率，由于泵機(jī)組此時(shí)為變轉(zhuǎn)速運(yùn)行，根據(jù)相似工況下泵的效率不變[4]原理，若想確定 ηj，必須先計(jì)算流量 qj在額定轉(zhuǎn)速n0下所對(duì)應(yīng)的相似點(diǎn) q0。泵機(jī)組額定工況下的特性方程H=A-BQ2-m已知。將通過(guò)達(dá)西公式求出的摩阻Hj和此時(shí)流量qj代入下式中可以求出此時(shí)段泵機(jī)組的轉(zhuǎn)速nj：

根據(jù)離心泵調(diào)速運(yùn)行時(shí)流量與轉(zhuǎn)速的關(guān)系公式可以求出相似點(diǎn)q0，進(jìn)而可以求出此時(shí)泵機(jī)組的效率。

當(dāng)經(jīng)過(guò)上述算法計(jì)算得到的最大流量，即低谷時(shí)段的流量q3超出管線承壓所限制的最大流量Qmax時(shí)，q3受管材承壓限制不能繼續(xù)增大，此時(shí)令q3=Qmax，為已知量，根據(jù)（2）式，用 q1表示q2，此時(shí)，每天的耗電成本 S是關(guān)于 q1的一元函數(shù)，可以通過(guò)最優(yōu)化方法中的二分法來(lái)求解最優(yōu)的流量和轉(zhuǎn)速匹配。

通過(guò)上述算法解得最優(yōu)的流量匹配以及對(duì)應(yīng)的泵機(jī)組轉(zhuǎn)速匹配，保證了管道安全穩(wěn)定地運(yùn)行，完成每天計(jì)劃輸量，同時(shí)，將泵機(jī)組耗電成本降到最低，達(dá)到優(yōu)化運(yùn)行的目的。

2 算例分析

某成品油管道全長(zhǎng)135 km，首站高度3.5 m，末站高度33 m。該管道采用Φ323.9 mm×6.4 mm的管徑。管壁粗糙度為0.1 mm。年任務(wù)輸量250×104t。泵機(jī)組的額定轉(zhuǎn)速為2980 r/min。首站所在地區(qū)峰時(shí)電價(jià)為 1.32元/kWh，平時(shí)電價(jià)為 0.88元/ kWh，谷時(shí)電價(jià)為0.44元/kWh，各時(shí)段每天均運(yùn)行8 h。該管道輸送介質(zhì)有：0號(hào)柴油、航空煤油、90號(hào)汽油。各種油品在輸送溫度下的主要物理性質(zhì)如表1所示。

表1 輸送介質(zhì)的物理性質(zhì)

現(xiàn)分別考察當(dāng)管道輸送上述3種介質(zhì)時(shí)每天耗電費(fèi)用的節(jié)約比例隨日輸量的變化規(guī)律，計(jì)算結(jié)果如圖1所示。以0號(hào)柴油為例，隨著日輸量的增大，耗電成本的節(jié)約比例先是緩慢上升，并且，上升的趨勢(shì)在逐漸趨于平緩，在日輸量為7000 m3附近，達(dá)到最大值；此后節(jié)約比例隨流量的增加開(kāi)始緩慢下降，下降的趨勢(shì)逐漸增加；當(dāng)谷時(shí)流量發(fā)生超壓時(shí)，由于受管材承壓限制，該時(shí)段流量無(wú)法進(jìn)一步增大，此后，節(jié)約百分比隨日輸量的增加而急劇下降。

圖1 不同輸送介質(zhì)的電費(fèi)節(jié)約比例隨日輸量的變化

產(chǎn)生上述結(jié)果的原因主要有兩個(gè)方面：首先，由達(dá)西公式可知，管道的摩阻損失與流量的平方成正比，用電低谷時(shí)段，管道中的流量達(dá)到全天的最大值，在日輸量較小的情況下，低谷時(shí)段分配到的流量也較小，該時(shí)段的摩阻損失保持在較低的水平，低谷時(shí)段的流量進(jìn)一步增大時(shí)，該時(shí)段的摩阻損失顯著增加，泵機(jī)組的耗電功率隨之劇增，使得全天用電成本的節(jié)約百分比開(kāi)始下降；其次，當(dāng)谷時(shí)流量達(dá)到管材承壓限制的最大輸量Qmax時(shí)，為保證管道安全運(yùn)行，該時(shí)段的流量必須保持在Qmax以?xún)?nèi)，通過(guò)增加谷時(shí)流量來(lái)減小耗電成本受到了限制，加劇了用電成本節(jié)約比例的下降趨勢(shì)。

從圖1還可以得出，在保證各時(shí)段輸量不超壓的前提下，組分越重，同一日輸量所對(duì)應(yīng)的電費(fèi)節(jié)約比例越大。隨著油品密度和黏度的減小，電費(fèi)節(jié)約比例的最大值也在減小，并且該最值所對(duì)應(yīng)的流量在增大。在輸送輕質(zhì)油品時(shí)，由于密度和黏度較小，增加谷時(shí)輸量對(duì)節(jié)約比例的影響不大，所以，此時(shí)節(jié)約比例隨日輸量的增加而緩慢上升直至谷時(shí)輸量達(dá)到管材承壓限制的最大流量為止，此后開(kāi)始急劇下降。

通過(guò)以上的分析可知，對(duì)于一條確定的管道，應(yīng)該合理安排每天的輸量，將用電低谷時(shí)段的流量控制在合適的范圍內(nèi)，盡量避免該時(shí)段流量超壓情形的出現(xiàn)，最大程度地節(jié)約用電成本。

3 結(jié)論

計(jì)算分析表明：在峰谷電價(jià)體制下，建議將管道日輸量保持在適中的范圍內(nèi)，這樣才能最大程度地發(fā)揮其節(jié)能降耗的潛力，當(dāng)日輸量太小或太大時(shí)，分時(shí)輸送的作用效果受到了管道本身特性的制約，此時(shí)建議采用平均流量進(jìn)行輸送；對(duì)于一條具體的管道而言，分時(shí)輸送的流量和泵機(jī)組的轉(zhuǎn)速匹配取決于管道的特性、輸送油品的物理性質(zhì)以及當(dāng)?shù)胤骞入妰r(jià)的定價(jià)規(guī)則。

[1]趙娟,譚忠富,李強(qiáng).我國(guó)峰谷分時(shí)電價(jià)的狀況分析[J].現(xiàn)代電力,2005,22(2):82-85.

[2]康正凌,宮敬,梁永圖.成品油管道運(yùn)行電費(fèi)優(yōu)化研究[J].天然氣與石油,2011,29(2):1-24.

[3]楊筱蘅.輸油管道設(shè)計(jì)與管理[M].山東：中國(guó)石油大學(xué)出版社,2006:36-38.

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[5]薛家慶.最優(yōu)化原理與方法[M].北京：冶金工業(yè)出版社, 2008:67-77.

鉆井巖屑巧變環(huán)保磚塊

2013年10月21日，中國(guó)石化華北分公司鉆井隊(duì)在鄂爾多斯盆地鉆井生產(chǎn)。當(dāng)日，中國(guó)石化華北分公司部署在大牛地氣田第四口環(huán)保井DPS-65井鉆至2000多米。該井首次采用國(guó)內(nèi)“鉆井泥漿不落地裝置”，鉆井泥漿由400 m3的軟體罐盛放，節(jié)省了1200 m3的鉆井泥漿池子。鉆井泥漿經(jīng)多級(jí)過(guò)濾和電化學(xué)處理后，可實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，將井底返出的巖屑制作成建筑、鋪路用的環(huán)保磚塊和碎石塊，徹底解決了鉆井巖屑和廢液處理的難題。單井產(chǎn)生的巖屑可制成15萬(wàn)塊磚，在國(guó)內(nèi)鉆井生產(chǎn)中攻克鉆井廢棄物處理的難關(guān)，為鉆井清潔生產(chǎn)和綠色開(kāi)發(fā)提供了有力保障。

胡慶明攝影報(bào)道

鉆井生產(chǎn)

壘放環(huán)保磚塊

巖屑處理

10.3969/j.issn.2095-1493.2014.002.001

2013-12-10）

蔣洋，在讀碩士研究生，現(xiàn)就讀于中國(guó)民航大學(xué)（油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專(zhuān)業(yè)），E-mail：xuezaifei.happy@163.com，地址：天津市東麗區(qū)津北公路2898號(hào)中國(guó)民航大學(xué)北校區(qū)北二公寓104室，300300。