峰谷電價體制下原油管道輸油方案優(yōu)化研究

李海娜 吳家勇 陶江華 徐 亮 張 舟

1.中國石油管道公司,河北 廊坊 065000;2.中國石油管道科技研究中心,河北 廊坊 065000

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峰谷電價體制下原油管道輸油方案優(yōu)化研究

李海娜1吳家勇2陶江華1徐 亮1張 舟1

1.中國石油管道公司,河北 廊坊 065000;2.中國石油管道科技研究中心,河北 廊坊 065000

以日東原油管道為例,建立了峰谷分時電價體制下各輸油站泵機組優(yōu)化運行時動力耗電的數(shù)學(xué)模型,考慮了流態(tài)、摩阻、高程及油品黏度對計算結(jié)果的影響,在保證日輸油計劃的情況下,求解了平均輸量和分時段調(diào)整輸量下的最少泵送動力耗電費用,得到最優(yōu)配泵和輸油方案。計算結(jié)果表明,當日輸量處于某一適中范圍時,利用峰谷電價體制調(diào)整管道輸油方案,具有一定的優(yōu)化運行降低能耗成本的潛力。同時,因日東線采用在線摻混輸送工藝,通過分析對比輸送不同摻混比例油品的單位能耗,表明不同摻混黏度的油品節(jié)能效果不同,對日東原油管道摻混輸送具有一定的理論參考意義。

峰谷電價;節(jié)能;優(yōu)化運行;摻混輸送

0 前言

日東原油管道是長距離常溫輸送中東重質(zhì)和中質(zhì)原油的輸油管道。由于油源發(fā)生變化,日東原油管道目前以常溫摻混輸送委內(nèi)瑞拉原油和中東原油為主,其中委內(nèi)瑞拉原油為低凝點、高黏度、膠質(zhì)含量高的原油,中東重質(zhì)原油及中東中質(zhì)原油為低黏度原油(20 ℃時黏度在55 cst以下)[1]。實踐表明,常溫輸送原油管道運行中泵送電力費用占整條管道經(jīng)營成本比例較大,同時輸油單位能耗是衡量管道系統(tǒng)能耗水平高低的主要標志,降低輸油單位能耗的主要途徑是泵機組與管路相匹配并保持較高運行效率,達到最優(yōu)工作狀態(tài)[2]。結(jié)合近兩年的輸送經(jīng)驗,為實現(xiàn)控制能耗成本、降本增效的目的,可以利用峰谷電價體制,合理調(diào)整管道輸送流量,在管道滿足每天輸油任務(wù)的前提下,使泵送電力費用最少[3-4]。但是,從管道運行安全角度考慮,受油品本身特性和管道設(shè)計壓力的限制,不能無限制增加谷時電價期間的流量,以防止管道超壓;同樣由于摻混輸送油品的密度和黏度不同,會影響管道的沿程摩阻,對輸量安排也會有影響,因此,在峰谷電價體制下安排輸量必須控制在一定的范圍內(nèi)且要根據(jù)油品物性做適當調(diào)整[5-10]。通過建立日東原油管道泵送電力費用數(shù)學(xué)模型,研究沿線各站輸油泵機組優(yōu)化運行方案,可以合理安排摻混輸送的批次以及摻混比例,達到節(jié)能降耗的目的,節(jié)約輸油成本[7-17]。

1 管道運行動力耗電優(yōu)化模型

日東原油管道全線設(shè)有2個輸油泵站,1個清管站,中間無分輸,首站6臺定轉(zhuǎn)速離心泵,其中2臺給油泵,4臺輸油主泵；中間站3臺定轉(zhuǎn)速離心泵,1臺變頻離心泵。日東原油管道沿線各站的電價見表1。

考慮到管道日常運行的穩(wěn)定性,將每天峰谷電價分為谷時和峰時2個時段,對應(yīng)的電價為C谷(C峰),每天運行時間t谷(t峰),該時段的流量對應(yīng)為q谷(q峰),每天的計劃輸量為Q,根據(jù)峰谷電價體制計劃輸量下的最優(yōu)泵送動力費用數(shù)學(xué)模型[7-9]為:

(1)

表1 日東原油管道沿線電價表

序號名稱時間范圍日照輸油站電價/(元·kW-1·h-1)兗州輸油站電價/(元·kW-1·h-1)1尖峰時段10:30～11:3019:00～21:001.850451.291052峰時段8:30～10:3018:30～19:0021:00～23:001.74161.21913平時段7:00～8:3011:30～18:001.08850.78744谷時段23:00～7:000.43540.3557

式中:C谷為谷時電價,元/(kW·h);C峰為峰時電價,元/(kW·h);t谷為每天谷時運行時間,h;t峰為每天峰時運行時間,h;q谷為每天谷時電價時的流量,m3/h;q峰為每天峰時電價時的流量,m3/h;Q為每天的計劃輸量,m3;Lij表示第i個泵站第j臺泵的運行狀態(tài),1表示運行,0表示停運;Neij表示第i個泵站第j臺泵的有效功率,可以用以下公式進行計算:

(2)

(3)

式中:qij為第i個泵站第j臺泵的流量,m3/h;Hij為第i個泵站第j臺泵在流量qij下泵機組的揚程,m。

根據(jù)達西公式進行計算,當輸送流量或摻混比例發(fā)生變化時,需要重新確定該管內(nèi)油品的流態(tài)。

流量和時間約束條件如下:

t谷q谷+t峰q峰=Q

(4)

t谷+t峰=24(t谷≥0,t峰≥0)

(5)

壓力約束條件如下:

Pb+PP=Pf+Pin+Ph+Pc+Pe

(6)

式(6)為能量瞬時平衡方程,表示在dt時間內(nèi)管道系統(tǒng)的供能和耗能平衡。

Pe≥0.2

(7)

Pm≥0.5

(8)

式中:Pb為管道起點壓力,MPa,可視為0.2 MPa;PP為管道沿線各泵站提供的壓能之和,MPa;Pf為管道全線摩阻損失之和,MPa;Pin為站內(nèi)壓力損失之和,MPa,每站壓力損失計為0.01 MPa;Ph為克服線路地形高差的壓力損失,MPa;Pc為各泵站節(jié)流損失之和,MPa,由于日東線在調(diào)控運行過程中采用手動控制無節(jié)流,該項可計為0 MPa;Pe為終點壓力,MPa;Pm為中間站進站壓力[8-9],MPa。

通過對式(1)～(8)進行優(yōu)化分析,日東原油管道輸油泵送電力費用的最小值Smin可以簡化為谷時流量q谷和日輸量Q的函數(shù),利用matlab編程分別計算不考慮峰谷電價平均輸量運行時和峰谷電價下調(diào)整輸量優(yōu)化運行時的泵機組動力耗電費用,然后折算成油品單位能耗進行比較。同時由于目前日東原油管道長期處于摻混輸送運行工況,根據(jù)摻混輸送的相關(guān)經(jīng)驗計算了不同摻混比例下不同黏度油品節(jié)約單位能耗情況。

2 結(jié)果分析

日東原油管道全長445 km,首站高程3.9 m,中間泵站高程46.4 m,末站高程55 m;管徑分別為711 mm和610 mm。根據(jù)實際運行情況,為減少流量波動頻繁對管道本體運行的影響,日東原油管道沿線電價分為峰時、谷時2個時段,首站所在地區(qū)峰時電價為1.741 6元/(kW·h),谷時電價為0.435 4元/(kW·h),中間泵站所在地區(qū)峰時電價為1.219 1元/(kW·h),谷時電價為0.355 7元/(kW·h)。由于日東原油管道輸送進口原油,油品種類較多,以下列出目前輸送頻次較高的3種油品,表2為輸送油品在不同摻混比例時原油的密度和黏度。

表2 輸送不同摻混比例油品時的密度和黏度

不同摻混比例油品密度20℃/(kg·m-3)黏度20℃/(10-6m2·s-1)中東原油∶委內(nèi)瑞拉原油=1∶0862.943.02中東原油∶委內(nèi)瑞拉原油=2∶1874.646.05中東原油∶委內(nèi)瑞拉原油=3∶2880.5120.72

2.1 平均輸量下運行結(jié)果

圖1 平均輸量運行時油品單位能耗隨日輸量的變化曲線

輸油管道在運行過程中主要著重于整個管道系統(tǒng)的平穩(wěn)運行,若根據(jù)峰谷電價分時調(diào)節(jié)輸量會對管道的平穩(wěn)造成影響,同時管道的運行管理和操作也會增加不少工作量。圖1為輸送中東輕質(zhì)原油時,平均輸量運行下油品單位能耗隨日輸量的變化趨勢。圖1中日輸量在19 000～24 000 t時,輸油泵機組處于低效運行區(qū)間,油品單位能耗相對較大;隨著日輸量的逐漸增加,泵運行效率增大,油品單位能耗逐漸減少;當日輸量增加到一定程度后，為滿足輸量安排,計算過程中會自動調(diào)節(jié)配泵方案或增加變頻泵轉(zhuǎn)數(shù)使管道系統(tǒng)趨于平衡狀態(tài),油品單位能耗會出現(xiàn)跳躍式增加,若日輸量持續(xù)增加會出現(xiàn)類似趨勢。

2.2 峰谷電價下調(diào)整輸量優(yōu)化運行結(jié)果

輸油管道在日常運行管理中,對管道輸送流量進行調(diào)節(jié)應(yīng)在完成輸送任務(wù)的前提下,以全線能耗費用最低為基本原則。根據(jù)峰谷電價體制,在滿足計劃輸量的情況下對1 d中不同電價時段實時調(diào)整輸量,峰時減小流量,谷時增加流量。同時,當輸量發(fā)生變化時泵機組運行狀態(tài)做相應(yīng)調(diào)整,優(yōu)化配泵方案與管路相匹配,使其在匹配狀態(tài)下能保持較高運行效率,達到節(jié)能降耗的目的[4,7]。

圖2 優(yōu)化運行時油品單位能耗隨日輸量的變化曲線

圖2為輸送中東輕質(zhì)原油時,利用峰谷電價體制調(diào)整輸送流量及配泵方案情況下油品單位能耗隨日輸量的變化曲線。圖2表明,隨著日輸量增加,油品單位能耗逐漸降低,當日輸量約19 674 t時達到最小單位能耗值,隨之,油品單位能耗成上升趨勢;當日輸量增加到25 265、25 887、28 372 t時,油品單位能耗會出現(xiàn)階梯式跳躍。以上趨勢同樣說明日輸量較小時泵機組處于低效運行狀態(tài),油品單位能耗相對較大;日輸量的逐漸增大,使得泵效增大單位能耗降低,然而,根據(jù)達西公式可知,沿程摩阻隨著流量的增大而增大,在日輸量達到某個限值時,油品單位能耗也隨之增大。通過對比圖1和圖2,當日輸量處于某一適中范圍時,通過調(diào)整輸送流量對節(jié)能降耗起到一定的作用,且最佳的泵優(yōu)化方案可以大大降低輸送成本。

2.3 節(jié)約油品單位能耗對比分析

對于密閉輸送的管道系統(tǒng),全線是一個統(tǒng)一的水力系統(tǒng)。應(yīng)根據(jù)沿線各站的能耗單價、管道和泵站的承壓能力,綜合考慮全線泵站和站內(nèi)泵機組的組合方式,盡量提高低電價泵站的能量供應(yīng),減少高電價泵站的能量供應(yīng)[13]。圖3為平均流量和優(yōu)化運行調(diào)整輸送油品流量時節(jié)約油品單位能耗隨日輸量的變化曲線,通過對比發(fā)現(xiàn)在日輸量處于較低時,節(jié)約單位能耗相對較少,當日輸量在21 537～25 265 t和26 300～28 372 t范圍時節(jié)約油品單位能耗比例較大。表3為輸送中東輕質(zhì)原油日輸量為20 916、22 573、22 780、24 851、26 922 t時對應(yīng)的平均流量和優(yōu)化運行時的油品單位能耗、配泵方案以及節(jié)約的油品單位能耗。日輸量較低時,節(jié)約能耗費用較少,建議在該日輸量范圍內(nèi)直接采用平均流量輸送,減少操作對管道平穩(wěn)運行的影響;在日輸量為22 780 t時節(jié)約油品單位能耗最大,根據(jù)節(jié)約油品單位能耗趨勢變化圖,當日輸量在節(jié)約油品單位能耗相對較大的范圍時,建議采用管道運行動力耗電優(yōu)化模型計算得到優(yōu)化輸油及配泵方案,從而在實際管道運行過程中根據(jù)峰谷電價調(diào)整輸送流量及泵運行狀態(tài)。

圖3 平均流量和優(yōu)化運行時節(jié)約油品單位能耗隨日輸量的變化曲線

然而,輸油管道在實際運行過程中并不能保證泵機組長期處于高效運行區(qū)間,且其他輔助設(shè)備耗電費用在整個耗電量中所占比例不小,理論計算結(jié)果與實際情況會存在一定的誤差。為了進一步驗證計算結(jié)果,2015年9月中控調(diào)度根據(jù)日東原油管道沿線峰谷電價對全線流量進行調(diào)整,運行期間全線流量控制在1 000～1 500 m3/h,并根據(jù)實際耗電量及電費計算油品單位能耗,由于日東原油管道根據(jù)海上來油情況間歇輸送原油,其中9月6日全天輸量約1 300 m3/h,首站和中間站各運行2臺輸油主泵,日輸量約27 368.82 t,日耗電費用約49 942.68元,油品單位能耗為0.004 1元/t·km;9月30日22:00～10月1日8:00首站3臺輸油主泵運行,中間站2臺輸油主泵運行,運行輸量約1 450 m3/h,10月1日10:00～20:00日照首站2臺輸油主泵運行,運行輸量約910 m3/h,日輸量約26 287.072 t,日耗電費用約45 583.95 元,油品單位能耗為0.003 9元/t·km,根據(jù)以上測試結(jié)果,油品單位能耗節(jié)約0.000 2元/t·km。在理論計算中,若以日輸量約26 922 t計算,平均輸量下油品單位能耗為0.009 34元/t·km,采用峰谷電價合理安排輸油計劃調(diào)整輸送流量時油品單位能耗為0.007 56元/t·km,則節(jié)約油品單位能耗為0.001 78元/t·km。

表3 輸送中東輕質(zhì)原油時平均流量和優(yōu)化運行時節(jié)能對比

日輸量/t平均流量優(yōu)化流量組合流量/(m3·h-1)油品單位能耗/(元·t-1·km-1)配泵/臺峰時流量/(m3·h-1)峰時配泵(x+y)/臺谷時流量/(m3·h-1)谷時配泵(x+y)/臺油品單位能耗/(元·t-1·km-1)節(jié)約油品單位能耗/(元·t-1·km-1)2091610100.005181+110331+19981+10.005170.000012257310900.006991+212632+110031+10.005250.001752278011000.007752+114352+29321+10.005320.002432485112000.007642+116003+210001+10.005570.002072692213000.009342+214562+212222+10.007560.00178 注:配泵x+y表示首站開啟x臺主泵,中間站開啟y臺主泵。

3 峰谷電價下?lián)交燧斔蛢?yōu)化結(jié)果分析

圖4 不同摻混比例輸送時節(jié)約油品單位能耗隨日輸量的變化曲線

由于日東原油管道目前采用在線摻混輸送中東原油和委內(nèi)瑞拉原油,在原油摻混輸送過程中利用靜態(tài)摻混器對稠油和稀油進行摻混,并對摻混后的油品進行現(xiàn)場黏度和密度的測量,在滿足摻混要求的情況下進行外輸。因此,在優(yōu)化模型中考慮了不同摻混比例下不同黏度的油品在輸送過程中對沿程摩阻的影響,通過優(yōu)化計算得出不同摻混比例的油品節(jié)約單位能耗存在差異,圖4為稀油和稠油的摻混比例為1∶0、2∶1、3∶2時管道系統(tǒng)節(jié)約單位能耗隨日輸量的變化曲線。圖4表明,當稀油和稠油摻混比例為1∶0和2∶1時,在整個日輸量范圍內(nèi)節(jié)約單位能耗趨勢基本一致,摻混比例為2∶1時節(jié)約單位能耗的起始位置較1∶0稍有提前;當摻混比例為3∶2時,節(jié)約單位能耗較2∶1和1∶0有明顯區(qū)別,在日輸量為18 638～22 159、22 987～23 816和27 336～28 786 t范圍時,稀油和稠油3∶2摻混輸送節(jié)約單位能耗相對較多,日輸量為22 987 t節(jié)約單位能耗最多。因此,在充分考慮油品流動性的情況下,為節(jié)約泵送動力成本,在摻混輸送時建議采用稀油和稠油3∶2比例進行摻混。

4 結(jié)論

1)峰谷電價體制下,只有當管道日輸量處于某一適中范圍時,根據(jù)分時段調(diào)整輸送流量和配泵方案對減小油品單位能耗、降本增效起到一定的作用。當管道日輸量偏小或者過大時,受到管道本體的制約,調(diào)整輸送流量的方法對節(jié)能降耗作用不明顯,建議采用平均流量運行。

2)由于日東原油管道目前采用常溫摻混輸送原油的工藝,油源為海上來油具有不可預(yù)見性,以及我國稠油的煉化加工需求量逐年增加,建議采用稀油和稠油3∶2摻混比例進行摻混輸送,利用峰谷電價體制下管道運行動力耗電優(yōu)化模型計算,優(yōu)化管道運行方案,在最優(yōu)日輸量下輸送混油,同時在輸送過程中要充分考慮所輸油品的流動特性。

3)日常運行中,當管路的工作狀態(tài)得到優(yōu)化時,可以充分優(yōu)化泵機組的工作狀態(tài),通過調(diào)節(jié)變頻泵轉(zhuǎn)速或者選用不同的配泵方案來調(diào)整輸量,實現(xiàn)整個管路系統(tǒng)的優(yōu)化運行，達到節(jié)能降耗的目的。

4)在本文計算模型中充分考慮了管道運行的穩(wěn)定性,實際情況下由于客觀條件和人為因素等原因并不能保證泵機組長期處于高效運行區(qū)間,優(yōu)化結(jié)果與實際情況必定存在一定的誤差。

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2016-01-27

李海娜(1983-)，女，湖南邵陽人，工程師，博士，主要從事輸油氣管道工藝管理和運行調(diào)控工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.04.002