原油管道運(yùn)行方案模擬與能耗核算

陳海宏

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）， 北京 昌平 102249）

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原油管道運(yùn)行方案模擬與能耗核算

陳海宏

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）， 北京 昌平 102249）

摘 要：在分析原油管道的運(yùn)行特性的基礎(chǔ)上，分別建立了站間管段流動(dòng)和站內(nèi)流動(dòng)的穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算模型，并將所建立的模型編寫(xiě)成計(jì)算機(jī)程序。在完成管道建模的前提下，將實(shí)際運(yùn)行方案輸入所編寫(xiě)的計(jì)算機(jī)程序，進(jìn)行水力、熱力模擬，檢驗(yàn)并校準(zhǔn)管道運(yùn)行方案模擬與能耗計(jì)算的模型。

關(guān) 鍵 詞：原油管道；能耗核算；穩(wěn)態(tài)模擬；模型校核

1 前 言

隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能工作要求的日趨提高，節(jié)能管理更加深入與細(xì)化，節(jié)能管理體系建設(shè)已經(jīng)成為油氣管道運(yùn)營(yíng)管理的重要內(nèi)容。為了加強(qiáng)能耗管理，全面掌握油氣長(zhǎng)輸管道高耗能設(shè)備的運(yùn)行狀況，指導(dǎo)調(diào)度人員制定合理可行的運(yùn)行方案，提高能源的利用率，促進(jìn)節(jié)能降耗，提高經(jīng)濟(jì)效益，管道公司提出了對(duì)原油長(zhǎng)輸管道能耗測(cè)算的需求［1，2］。原油長(zhǎng)輸管道的生產(chǎn)能耗主要由泵機(jī)組耗電與加熱爐耗油組成。進(jìn)行生產(chǎn)能耗測(cè)算之前，需要分析長(zhǎng)輸管道管內(nèi)油流的水力、熱力特性及站場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行特性，并建立油流水力、熱力仿真模型和能耗測(cè)算模型。仿真模型、管道模型參數(shù)、實(shí)際運(yùn)行方案直接決定了能耗測(cè)算結(jié)果。

本文主要目的是在完成管道建模的前提下，檢驗(yàn)管道穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型，校核模型參數(shù)從而提高管道運(yùn)行能耗測(cè)算精度。

2 仿真模型

2.1 軟件設(shè)計(jì)

圖1為程序總體框圖。

圖1 程序總體框圖Fig.1 The Overall Framework of Program

程序主要功能是對(duì)實(shí)際運(yùn)行方案進(jìn)行水力、熱力模擬與運(yùn)行能耗計(jì)算。一共可分為三個(gè)模塊：數(shù)據(jù)輸入模塊、模擬計(jì)算核心模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊，其中模擬計(jì)算核心模塊包括站間水力、熱力模擬子模塊和站內(nèi)設(shè)備模擬子模塊。

2.2 原油管道系統(tǒng)分析

按照系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)，一條熱油管道就是一個(gè)具體的系統(tǒng)。如果僅從輸油過(guò)程考慮，則該系統(tǒng)可以分為三大子系統(tǒng)：輸油站、站間管段及管內(nèi)流動(dòng)的原油。加熱管道的運(yùn)行實(shí)質(zhì)上是系統(tǒng)中各子系統(tǒng)之間以及系統(tǒng)與環(huán)境之間相互作用的過(guò)程。而從能量角度看，它又是系統(tǒng)與環(huán)境之間的能量平衡過(guò)程。

按照輸油方式，輸油站可以分為開(kāi)式和密閉輸送。按照組成方式，輸油站分為熱站、泵站、熱泵站三種類(lèi)型。按輸量變化，輸油站可以分為注入站或分輸站。管道輸送原油過(guò)程中存在著兩方面的能量損失：摩阻損失和散熱損失。管內(nèi)原油流動(dòng)過(guò)程中的散熱損失，引起油溫的變化，油溫的改變引起原油物性參數(shù)的變化，而原油的物性又會(huì)引起原油流動(dòng)狀態(tài)的改變，流動(dòng)狀態(tài)的改變又會(huì)反過(guò)來(lái)影響管內(nèi)原油的傳熱。一方面，原油的摩阻損失與流量、物性參數(shù)（粘度）有關(guān)；另一方面，原油的散熱損失與流量、摩阻有關(guān)。因此輸送過(guò)程中的散熱損失和摩阻損失是相互影響的［3］。

2.3 總體流程圖

用戶輸入數(shù)據(jù)后，軟件通過(guò)數(shù)據(jù)輸入模塊將數(shù)據(jù)傳到模擬計(jì)算模塊，再將模擬結(jié)果通過(guò)數(shù)據(jù)輸出模塊輸出（圖2）。

圖2 程序總體流程圖Fig.2 The Overall Flowchart of Program

2.4 站間管段水力、熱力穩(wěn)態(tài)仿真模型［4-14］

原油在管內(nèi)穩(wěn)定流動(dòng)是散熱損失與摩阻損失相結(jié)合的過(guò)程，建立的水力、熱力仿真模型應(yīng)包含這兩個(gè)過(guò)程?？紤]到在流動(dòng)過(guò)程中，原油物性參數(shù)在沿線發(fā)生變化，故在管道沿線的溫降和壓降計(jì)算中采用以管段里程為步長(zhǎng)有限分段的計(jì)算方法。而且在分段計(jì)算中的溫降和壓降計(jì)算是同時(shí)進(jìn)行的。圖3為站間水力、熱力計(jì)算流程圖，圖中Tf［a］為油品反常點(diǎn)，LC［I］為輸油站I距管道起點(diǎn)的里程，l為計(jì)算步長(zhǎng)。算法中高程、密度、粘度、稠度系數(shù)、流動(dòng)行為指數(shù)均采用線性?xún)?nèi)插法求解，并聯(lián)泵組合方程采用Newton-Raphson迭代法求解。

2.5 輸油站能耗測(cè)算模型

原油管道穩(wěn)定、安全運(yùn)行所需的能耗包括泵爐設(shè)備能耗和輔助生產(chǎn)能耗。本文主要研究泵爐設(shè)備能耗的計(jì)算。泵爐設(shè)備能耗包括燃料消耗和電力消耗。其中，燃料消耗主要是由加熱爐組合運(yùn)行產(chǎn)生，電力消耗主要是由泵組合運(yùn)行產(chǎn)生（圖4）。

圖3 站間水力、熱力計(jì)算流程圖Fig.3 The Flowchart of the Hydraulic and Thermodynamic Calculation

圖4 輸油站模擬計(jì)算流程圖Fig.4 The Flowchart of the Simulation of Station

表1 管線實(shí)際運(yùn)行參數(shù)Table 1 The Real Operation Parameters of Pipeline

表2 管線模擬運(yùn)行參數(shù)Table 2 The Simulated Operation Parameters of Pipeline

表3 模擬的運(yùn)行參數(shù)與實(shí)際的運(yùn)行參數(shù)偏差Table 3 The Operation Deviation Between the Simulated and the Real Operations

表4 模擬與實(shí)際的站間溫降、摩阻偏差Table 4 The Temperature and Friction Deviation Between the Simulated and the Real Operations

表5 模擬與實(shí)際的站內(nèi)壓升、節(jié)流前總壓頭的偏差Table 5 The Pressure Deviation Between the Simulated and the Real Operations

表6 模擬與實(shí)際的中間熱站過(guò)爐溫升偏差Table 6 The Temperature Deviation Between the Simulated and the Real Operations

3 實(shí)例分析

以中國(guó)某熱油管道為例，管道全長(zhǎng)454.25 km，干線管徑Ф720 mm×8（9） mm。全線設(shè)有9座輸油站（D1～D9），其中D1為首站，D9為末站。輸油泵機(jī)組與加熱爐配置情況：D2（1爐）、D3（3泵2爐）、D4（4泵2爐）、D5（4泵3爐）、D7（3泵3爐）、D8（3泵3爐）。以該管道歷史某月份的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)本文建立的仿真模型進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1-6。

從表1-6可以看出：管道沿線各輸油站進(jìn)溫、進(jìn)壓、站間摩阻、站內(nèi)壓升、站內(nèi)節(jié)流前總壓頭、站間溫降、站內(nèi)過(guò)爐溫升的模擬值均與實(shí)際較符合。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文主要建立了原油管道的穩(wěn)態(tài)水力、熱力模擬與能耗計(jì)算的仿真模型。該仿真模型由輸油站站間管內(nèi)流動(dòng)模擬計(jì)算模型和輸油站站內(nèi)流動(dòng)模擬計(jì)算模型兩部分組成。對(duì)于站間沿程摩阻計(jì)算，采用了等長(zhǎng)度分段確定管內(nèi)原油的溫度和壓力分布；對(duì)于站內(nèi)設(shè)備能耗模擬，考慮了分輸/注入、泵組合、加熱爐組合、節(jié)流這四個(gè)方面。

從某管道的小時(shí)報(bào)表中提取了某月份有效的數(shù)據(jù)，輸入到所編寫(xiě)的程序，對(duì)該月穩(wěn)定工況進(jìn)行模擬，得到了與實(shí)際很接近的穩(wěn)態(tài)水力、熱力仿真結(jié)果。

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Operation Simulation and Energy Consumption Calculation of Crude Oil Pipeline

CHEN Hai-hong
（China University of Petroleum， Beijing 102249， China）

Abstract:On the basis of analyzing the operation performance of crude oil pipeline， the station section and the internal station steady-state flowing simulation models were respectively established. And computer programs of the established models were also programmed. At last， the models were verified and calibrated by selecting stable operation throughput and inputting the actual operations recorded in running reports into the programmed computer programs for hydraulic and thermal steady-state simulations.

Key words:Crude oil pipeline； Energy consumption calculation； Steady-state simulation； Verifying models

中圖分類(lèi)號(hào)：TE 832

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-0460（2016）02-0311-03

收稿日期：2015-11-14

作者簡(jiǎn)介：陳海宏（1991-），男，江蘇建湖人，在讀博士，研究方向：油氣長(zhǎng)距離管道輸送。E-mail：chen1020155185@163.com。