油庫外輸管道運行方案優(yōu)化研究

陳思奇，付曉明，張嘉興

油庫外輸管道運行方案優(yōu)化研究

陳思奇1，付曉明2，張嘉興1

（1. 東北石油大學石油工程學院， 黑龍江 大慶 163318； 2. 大慶油田有限責任公司儲運銷售分公司， 黑龍江 大慶 163318）

熱油管道作為一種主要的原油輸送方式，在輸送過程中會產(chǎn)生大量能耗，為了降低輸油成本，實現(xiàn)節(jié)能降耗的運行要求，以運行費用最小為目標，對外輸管道生產(chǎn)運行方案建立了優(yōu)化模型，并通過兩級遞階方法進行優(yōu)化求解。利用建立的優(yōu)化模型對某油庫外輸管道優(yōu)化的結果表明，在冬季和夏季運行費用可降低10%以上。

輸油管道；優(yōu)化運行；安全；經(jīng)濟

輸油管道作為最重要的輸油方式之一，在我國石油行業(yè)起著重要的作用，長輸管道在輸送過程中會產(chǎn)生巨大的能耗，主要包括熱能和動能的消耗，因此在保證原油安全輸送到終點的前提下，如何合理的選擇管道運行參數(shù)，達到管道的運行成本最低，對于降低集輸過程中能量消耗起著重要的作用[1-2]。

本文以某油庫外輸管道為例，管道全長43 km，管徑DN629，埋深1.6 m，建立了管道運行的優(yōu)化數(shù)學模型并確定了高效的求解方法。

1 優(yōu)化數(shù)學模型建立

熱力費用和動力費用是輸油管道在運行時的主要費用。所謂熱力費用指當原油外輸時，為了滿足安全運行要求避免發(fā)生凝管等事故，加熱使原油升溫，加熱爐所消耗的費用；動力費用是指原油輸送時站內增壓過程中，泵所消耗的費用。把原油外輸時的輸油溫度和輸油壓力作為決策變量，以整段管道運行能耗費用最小為目標函數(shù)，建立數(shù)學模型。具體數(shù)學模型如下式所示：

其中：

2 約束條件

油庫外輸管道在進行方案優(yōu)化運行時，需要保證安全輸送的前提，即滿足管道內原油安全輸送到終點的壓力和溫度的要求，同時需要考慮油庫內輸油泵及加熱爐等設備在高效工作區(qū)或高效率條件下工作，因此對于油庫外輸管道的優(yōu)化方案運行時需要考慮管道的某些運行參數(shù)和變量在一定的區(qū)間內，即需要滿足相應的約束條件要求。

（1）油庫外輸管道起點溫度的約束

對于油庫外輸管道的起點溫度，需要考慮輸送介質的物性、管道所能允許的最高溫度和加熱爐加熱介質達到的最高溫度等因素，起點溫度要低于上述各影響因素溫度的最小值，即滿足：

（2）油庫外輸管道終點溫度的約束

為了滿足外輸管道進站后的后續(xù)工藝要求，同時避免發(fā)生凝管等事故，外輸管道的終點溫度需要大于管道終點允許的最低進站溫度，即：

（3）油庫外輸管道終點壓力的約束

為了滿足油庫內外輸介質安全進站的要求，外輸管道的終點壓力需要大于安全進站壓力，即：

（4）油庫內外輸泵的輸量約束

對于油庫內原油總外輸量應該等于所有開啟外輸泵的排量和，即：

（5）油庫內外輸泵工作特性的約束

為了充分利用能源，使泵達到較高的運行效率，需要使泵在高效區(qū)工作，因此，外輸泵的排量需要在一定的范圍內：

（6）油庫內加熱爐的開啟狀態(tài)的約束

為了保證外輸介質的溫度滿足要求，油庫內需要開啟加熱爐，即加熱爐開啟臺數(shù)應滿足一定要求。

（7）油庫內外輸加熱爐工作特性的約束

為了充分利用能源，使加熱爐達到較高的工作效率，需要保證加熱爐高效安全的工作，即加熱爐在工作時的熱負荷在一定的區(qū)間范圍內，即：

3 模型求解算法

建立的油庫外輸管道優(yōu)化運行數(shù)學模型中，在把出站溫度和出站壓力作為決策變量、整段管道能耗費用作為的目標函數(shù)及為了滿足安全輸送建立的約束條件中均帶有非線性項，例如油庫內加熱爐及外輸泵的開啟狀態(tài)，用0表示關閉，用1表示開啟，屬于離散變量問題，而外輸管道的起點輸油溫度和輸油壓力屬于連續(xù)變量[3]，本質上來說該問題屬于非線性混合變量最優(yōu)化問題。

根據(jù)建立優(yōu)化數(shù)學模型的結構特點，易采用分級優(yōu)化方法[4]對原始優(yōu)化模型進行求解。即在求解時將求解問題分解成外輸管道最優(yōu)運行參數(shù)和外輸設備最優(yōu)組合方案兩個問題。在進行求解具體結果的過程中，首先通過遺傳算法[5]搜索加熱爐和外輸泵的組合方案，確定組合方案后再轉化為求解管道最優(yōu)運行參數(shù)的問題，具體求解時可以首先給定油庫外輸管道的起點輸油溫度，然后根據(jù)計算求得該輸油溫度對應的起點輸油壓力，判斷此時的運行方案是否是最優(yōu)方案，若不是則重新選擇輸油溫度，重新計算最優(yōu)的輸油溫度，按照這樣的求解過程，不斷迭代實現(xiàn)最優(yōu)輸油溫度和輸油壓力的最優(yōu)化參數(shù)求解。按照此方法可以對油庫外輸管道的輸油方案進行優(yōu)化，得到不同輸油管道在不同輸量條件下全年不同月份的優(yōu)化輸油方案。該優(yōu)化計算主要是在滿足外輸管道終點輸油溫度和輸油壓力要求的前提下，通過選擇合理的管道輸油溫度和運行設備最優(yōu)組合方案，進而達到管段總能耗費用最低，實現(xiàn)管段的安全經(jīng)濟運行，達到節(jié)能降耗的要求。

4 計算實例

管道在運行過程中受到環(huán)境因素的影響，冬季時管道運行的能耗較大，夏季時管道運行能耗較小。因此通過上述建立模型，根據(jù)實際數(shù)據(jù)分別對油庫外輸管道冬季2月和夏季8月運行時的輸油方案進行優(yōu)化。并與原方案對比，確定了優(yōu)化方案的節(jié)能效果。

表1 方案優(yōu)化前

表2 方案優(yōu)化后

由表1及表2分析可知，優(yōu)化后降低了輸油管道的外輸溫度，通過優(yōu)化使該段輸油管道在冬季時輸油成本降低17%，夏季時輸油成本降低12%，有效降低了輸油成本。

5 結 論

對于油庫外輸管道，以在生產(chǎn)中運行費用最小為目標，在滿足設備及工作特性的約束下，通過改變管道運行時的出站溫度及出站壓力，建立了油庫外輸管道在運行時的最優(yōu)化數(shù)學模型，并通過采用兩級遞階的優(yōu)化求解方法，對模型進行求解。

按照建立的運行優(yōu)化模型對輸油管道冬季及夏季生產(chǎn)方案進行優(yōu)化，能耗費用分別降低了17%和12%，取得了較好的效果。

［1］吳世逵，梁朝林，李大上，等．易凝原油低溫熱輸送的研究[J]. 油氣儲運, 2004 (05): 13-16+61．

［2］黃維和，鄭洪龍，王婷．我國油氣管道建設運行管理技術及發(fā)展展望[J]. 油氣儲運, 2014 (12): 1259-1262．

［3］劉麗琴，張學良，謝黎明，等．混合變量非線性規(guī)劃問題的差異演化算法研究[J]. 現(xiàn)代制造工程, 2011 (03):1-5．

［4］鄧揚晨，張衛(wèi)紅，章怡寧．基于分級優(yōu)化的飛機翼面結構布局綜合技術研究[J]. 強度與環(huán)境, 2005 (01): 27-35+63.

［5］王銀年. 遺傳算法的研究與應用[D]. 江南大學, 2009．

Optimization ofOperation Scheme of Crude Oil Transportation Pipeline

1,FU Xiao-ming,1

（1. Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318，China；2. Storage and Transportation Sales Branch of Daqing Oil Field Company, Heilongjiang Daqing 163318，China）

Hot oil pipeline as a major way of crude oil delivery will produce a lot of energy consumption in the transport process. In order to reduce oil transportation costs and achieve energy-saving operation requirements,taking the minimum cost of the pipeline in the production operation as a target, the optimization model of the pipeline operation scheme was established, and the optimal solution was carried out by the two-stage hierarchical method. The optimal outlet temperature and pressure in the conveying process were determined. The optimization model was used to optimize the oil depot pipeline. The results show that, compared with the original scheme, the cost of optimized operation scheme can be reduced by more than 10% in Winter and Summer.

oil pipeline; optimized operation; safety; economic

2017-04-10

陳思奇（1993-），男，滿，在讀研究生，遼寧錦州人，研究方向：長距離管道輸送。

TE 832

A

1004-0935（2017）07-0659-03