輸油管道能耗預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型研究

摘 要：通過對(duì)數(shù)學(xué)模型的建立、求解，輸量分布模型確定使用平均分配法、歷史分配法兩種方法，以西部原油管道鄯蘭干線為例進(jìn)行能耗計(jì)算分析對(duì)比，得出結(jié)論能耗預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型適用于現(xiàn)有的輸油管道的能耗測(cè)算。

關(guān)鍵詞：輸油管道；能耗預(yù)測(cè)；數(shù)學(xué)模型

長距離輸油管道的運(yùn)行能耗包括輸油泵電力消耗和加熱爐燃料消耗兩部分，對(duì)于不加熱輸送的管道而言，相應(yīng)的運(yùn)行能耗只包括輸油泵電力消耗。一條輸油管道在一個(gè)運(yùn)行期內(nèi)的能耗主要取決于原油的任務(wù)輸量、物性、管線周圍的傳熱條件、輸油計(jì)劃、運(yùn)行方式、設(shè)備組合和運(yùn)行參數(shù)等。在實(shí)際運(yùn)行過程中，對(duì)于任務(wù)輸量和油品物性一定的情況下，由于其輸油計(jì)劃、運(yùn)行方案不同導(dǎo)致的輸油管道的運(yùn)行能耗的差異也是很大。因此，本研究在對(duì)輸油管道的工藝原理和運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，通過合理優(yōu)化輸油管道的輸油計(jì)劃、運(yùn)行方式、設(shè)備組合和運(yùn)行參數(shù)，建立能耗測(cè)算模型，得到考核周期內(nèi)的最優(yōu)能耗指標(biāo)值。

2 數(shù)學(xué)模型的求解

2.1 輸油溫度及站內(nèi)熱負(fù)荷分配

對(duì)于管徑、管長、高差、地溫及所輸油品固定的熱油管道，其摩阻與輸量間的變化關(guān)系隨管道的熱力工況而不同。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)控制管段終點(diǎn)為最低進(jìn)站溫度一般就是管道的最優(yōu)的運(yùn)行溫度，因此在本研究中控制管段終點(diǎn)為最低進(jìn)站溫度的溫度控制方式。

具體步驟描述為：驗(yàn)算是否需要加熱，首先假定為常溫輸送，根據(jù)公式（1）（2）（3）（4）（5）依次類推，直到生成所有站的點(diǎn)爐方案，循環(huán)結(jié)束。

2.2 站間壓頭的最優(yōu)分配

在輸量一定的條件下，管道沿線為克服摩阻損失和位差需消耗的總壓頭是一定的。這個(gè)總壓頭在各輸油站間的分配存在一個(gè)最優(yōu)分配即站間壓頭最優(yōu)分配，站間壓頭最優(yōu)分配的任務(wù)是根據(jù)管道設(shè)備配置的實(shí)際情況將總壓頭分配到管道沿線各泵站，這種分配一方面要滿足管道運(yùn)行的各種約束條件，另一方面要使得全線所有泵站的總能耗最低。要實(shí)現(xiàn)這種最優(yōu)分配，一方面要使全線各泵站提供的總壓頭盡可能不要超過管線所需要的總壓頭，應(yīng)盡量消除節(jié)流；另一方面應(yīng)該根據(jù)各泵站的泵配置、泵運(yùn)行效率合理分配壓頭，即在滿足管道運(yùn)行約束的前提下，讓泵機(jī)組運(yùn)行效率高、能耗低的泵站分配較多的壓頭。

如果把全線各泵站所提供的總有效壓頭看成一種資源，則總有效壓頭在全線各泵站之間的分配過程就是一個(gè)有限資源分配問題，該問題的目標(biāo)是使全線的總能耗最省。針對(duì)該問題，可利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法進(jìn)行求解，動(dòng)態(tài)規(guī)劃中有逆序遞推和順序遞推兩種算法，由于所輸送油品總是從管道首站流向管道末站，因此采用順序遞推算法。

2.3 總傳熱系數(shù)及摩阻修正系數(shù)

在熱油管道的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化運(yùn)行計(jì)算中，沿程溫降和壓降的計(jì)算至關(guān)重要，管線的總傳熱系數(shù)是影響溫降計(jì)算的關(guān)鍵因素，同時(shí)它也通過溫降影響壓降。在熱油管道的運(yùn)行管理中，總傳熱系數(shù)一般是根據(jù)管線實(shí)際運(yùn)行參數(shù)的記錄值統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)出來的?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)都表明：按照目前通用的牛頓流和非牛頓流壓降計(jì)算公式的摩阻與實(shí)際值有一定的偏差。為了修正摩阻計(jì)算公式本身的偏差并反映管內(nèi)壁結(jié)蠟對(duì)計(jì)算摩阻的影響，我們引入摩阻修正系數(shù)f，它是相同條件下的實(shí)際記錄摩阻與按公式計(jì)算摩阻的比值。在考慮了摩阻修正系數(shù)以后，計(jì)算公式中的管徑均為不結(jié)蠟時(shí)的管徑。

3 輸量分布模型的確定

3.1 平均分配法

一個(gè)月內(nèi)每天的輸量多集中在日平均輸量附近。因此，我們采用的第一種分配方案就是根據(jù)月輸油任務(wù)和月輸油天數(shù)把月輸油任務(wù)均分到每一天，進(jìn)而得到管道的月輸油能耗指標(biāo)。

3.2 歷史分配法

對(duì)于各條管線而言，歷史上月份之間輸量的波動(dòng)情況有所不同，以各月日輸量/月輸量的百分比作為獨(dú)立的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，則歷史上每個(gè)月的數(shù)據(jù)都可以產(chǎn)生一個(gè)輸量分配方案。在預(yù)測(cè)具體管道的月輸油能耗時(shí)，可以根據(jù)需要調(diào)用已經(jīng)生成的輸量分配表，調(diào)用不同的輸量分配方案將得到不同的能耗指標(biāo)，將這些能耗指標(biāo)構(gòu)成的區(qū)間，作為最優(yōu)能耗區(qū)間。如果最優(yōu)能耗區(qū)間比較窄，則說明輸量的分配方案對(duì)能耗指標(biāo)的影響不顯著；如果最優(yōu)能耗區(qū)間比較寬，則說明能耗指標(biāo)對(duì)輸量的波動(dòng)比較敏感，有必要進(jìn)一步研究該管線的輸油計(jì)劃優(yōu)化問題。

4 管線能耗計(jì)算分析

4.1 能耗計(jì)算

以西部原油管道鄯蘭干線為例進(jìn)行能耗計(jì)算分析對(duì)比。其中2010年2月份加劑輸送工況、2010年4月份冷熱油交替輸送工況、2010年8月份不加劑常溫輸送工況，利用HOPOPT軟件計(jì)算得到的月輸油電耗如表1所示。

4.2 誤差分析

在鄯干蘭線2010年2月、4月、8月的算例中，月能耗預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的誤差較大，在-19.47～-27.6%之間，一方面說明鄯蘭線有一定的節(jié)能潛力，另一方面也可能是簡化計(jì)算導(dǎo)致能耗誤差較大，可能導(dǎo)致誤差較大的原因如下：（1）地溫。在使用所見模型進(jìn)行電耗計(jì)算時(shí)，為了完成計(jì)算，地溫普遍高于實(shí)際值，這會(huì)使管道電耗降低，產(chǎn)生一定的誤差。（2）停輸再啟動(dòng)時(shí)的額外電耗。2010年08月份的一個(gè)運(yùn)行特點(diǎn)就是，該月有頻繁的啟停輸操作，這也會(huì)增大實(shí)際電耗值。（3）順序輸送的影響。計(jì)算過程中沒有考慮油品順序輸送對(duì)能耗的影響，而是按每一種油品單獨(dú)輸送來計(jì)算其能耗值，再將輸送不同油品的能耗值相加，得到月總能耗值，這與實(shí)際的運(yùn)行工況有一定偏差。

5 結(jié)束語

首先，本研究建立的能耗預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型和采用的算法具有一定的普遍性，適用于現(xiàn)有的輸油管道的能耗測(cè)算。能耗預(yù)測(cè)模型的測(cè)算結(jié)果對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行和節(jié)能考核有一定的決策支持作用；其次，對(duì)各管線輸量的概率分布統(tǒng)計(jì)及分析進(jìn)行了研究。研究提出的月任務(wù)輸量的分配方法，可以測(cè)算出最優(yōu)能耗區(qū)間，不僅使得能耗測(cè)算的結(jié)果更接近實(shí)際能耗值，而且從最優(yōu)能耗區(qū)間的大小可以判斷流量波動(dòng)對(duì)管線能耗的影響程度，從而進(jìn)一步挖掘管線的節(jié)能潛力。

參考文獻(xiàn)

[1]陳由旺，左麗麗，林冉，等.原油管道能耗測(cè)算軟件的開發(fā)與應(yīng)用[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2013（5）：501-501.

作者簡介：徐烈（1982，2-），男，工程師，畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東），現(xiàn)從事油氣管道運(yùn)行管理工作。