長輸熱油管道的節(jié)能降耗優(yōu)化分析

周 雄，林國慶，譚茂波，石海信，梁金祿，張馨方，鄒玉標(biāo)

(1. 欽州學(xué)院石油與化工學(xué)院，廣西高校北部灣石油天然氣資源有效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 欽州 535000；2. 宜賓華潤燃?xì)庥邢薰荆拇?宜賓 644000：3.渠縣華潤燃?xì)庥邢挢?zé)任公司，四川 達(dá)州 635200)

長輸熱油管道的節(jié)能降耗優(yōu)化分析

周 雄1，林國慶2，譚茂波3，石海信1，梁金祿1，張馨方1，鄒玉標(biāo)1

(1. 欽州學(xué)院石油與化工學(xué)院，廣西高校北部灣石油天然氣資源有效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 欽州 535000；2. 宜賓華潤燃?xì)庥邢薰荆拇?宜賓 644000：3.渠縣華潤燃?xì)庥邢挢?zé)任公司，四川 達(dá)州 635200)

管道加熱輸送是我國原油常用的輸送方式，特別是高粘易凝原油，在輸送過程中需要消耗較多的熱能和壓能。在保證管道安全運(yùn)行前提下，以管道系統(tǒng)單位能耗費(fèi)用最小為目標(biāo)，建立了優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，對原油加熱輸送管線的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。以某輸送管線為計(jì)算實(shí)例，確定了經(jīng)濟(jì)合理的出站溫度和壓力等運(yùn)行參數(shù)，對于降低熱油管道能耗和運(yùn)行管理具有一定的參考作用。

加熱輸送；單位能耗；優(yōu)化設(shè)計(jì)；溫度；壓力

我國生產(chǎn)的原油大都是高粘易凝原油，其特點(diǎn)是粘度通常很高，過高的粘度使管道的壓降劇增，而且溫度低于其凝點(diǎn)時(shí)，會導(dǎo)致"凝管"事故發(fā)生[1-2]，不能采用常溫輸送，最常用的輸送方式是加熱輸送。在加熱輸送過程中，由泵站供應(yīng)壓力能，由熱站供應(yīng)熱能。其中，熱油管道的加熱費(fèi)用占管道總能耗的比重較大，熱油管道因加熱所耗原油占管道原油的1%～3%左右，能耗費(fèi)用龐大[3]。因此有必要對熱油管道進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)行研究，主要是考慮動(dòng)力和熱力兩方面的能量損失。在輸量一定下，一條熱油管道必然存在一個(gè)能耗最低的輸油溫度和輸油壓力，通過對熱油管道的優(yōu)化運(yùn)行確定最低能耗下合理的出站溫度和出站壓力，達(dá)到了節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本的目的。

1 節(jié)能降耗優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

原油管道在運(yùn)行中主要存在兩方面的消耗：一是泵給原油提供壓能而產(chǎn)生的電力消耗；二是加熱爐給原油加熱而產(chǎn)生的燃油消耗。選用單位能耗作為目標(biāo)函數(shù)，指輸送每噸原油每公里所需消耗的能量。原油管道運(yùn)行優(yōu)化以動(dòng)力和熱力總能耗費(fèi)用最低為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[4]。則總能耗費(fèi)用

S= Sm+ Sn

(1)

其中動(dòng)力單位能耗Sm可表示為：

(2)

熱力單位能耗Sn可表示為：

(3)

式中：Sn——單位熱力能耗，kJ/(t·km)；TR——加熱站原油加熱的外輸溫度，℃；Tz——下游站原油的溫度，℃；c——原油比熱容，J/(kg·℃)；其余符號同前。

對輸油管線的優(yōu)化運(yùn)行方案的研究，就是降低輸油能耗，以能耗費(fèi)用最低作為輸油管道優(yōu)化運(yùn)行的最優(yōu)準(zhǔn)則，以動(dòng)力能耗和熱力能耗的總和作為衡量指標(biāo)，通過優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，使整個(gè)系統(tǒng)最經(jīng)濟(jì)最可靠。為了簡化分析，本研究確定輸送過程為穩(wěn)態(tài)過程，不考慮輸送剩余能量的再利用。

2 優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的求解

2.1 熱油管道沿程溫降計(jì)算

若加熱站出站油溫TR為定值，則管道沿程溫度分布可以按考慮摩擦生熱時(shí)的蘇霍夫溫降公式[5]來計(jì)算

【普氏《核子周刊》2018年9月24日刊報(bào)道】 根據(jù)西屋公司(Westinghouse)官方公布的資料，西屋計(jì)劃在2022年將帶有碳化硅燃料包殼的耐事故燃料先導(dǎo)試驗(yàn)組件裝入反應(yīng)堆接受輻照，在2027年實(shí)現(xiàn)這種燃料的全面商用。

(4)

其中：

式中： TR——管道起點(diǎn)油溫，℃； T0——周圍介質(zhì)溫度，埋地管道取管中心埋地深處自然地溫，℃； TL——距起點(diǎn)L處油溫，℃；c——輸油平均溫度下油品的比熱容，J/(kg*℃)；G——油品的質(zhì)量流量，kg/s；D——管道外直徑，m；L——管道加熱輸送的長度，m；K——管道總傳熱系數(shù)，W/(℃)；i——油流水力坡降；g——重力加速度，m/s2。

上式中假定水力坡降i為定值。實(shí)際上，水力坡降要由管道的摩阻計(jì)算得出，在進(jìn)行溫度分布計(jì)算時(shí)，采用迭代算法確定。

2.2 熱油管道的摩阻計(jì)算

熱油管道摩阻計(jì)算有兩種方法[6]：一種是按平均油溫的粘度作計(jì)算粘度，按此粘度作計(jì)算摩阻；第二種是根據(jù)粘溫關(guān)系式，計(jì)入粘度隨溫度的變化。在本論文中考慮平均油溫計(jì)算法：將加熱站間距分成若干小段計(jì)算，計(jì)算出每一小段原油的平均溫度及相應(yīng)粘度后，即可計(jì)算每個(gè)加熱站間的水力摩阻或壓降。針對管線的管輸實(shí)際情況，采用平均油溫的計(jì)算法計(jì)算油流的壓力沿程分布[6-7]。其計(jì)算步驟為：

(1)將首末站間的熱油管道根據(jù)所提供的高程相關(guān)數(shù)據(jù)分劃成需要小的分段，記下每個(gè)計(jì)算點(diǎn)的管道里程和管道中心的高程；

(2)由管道的總傳熱系數(shù)K、原油的比熱容和假定的管段內(nèi)的水力坡降，從起輸點(diǎn)開始，按式(4)逐段計(jì)算該段的終點(diǎn)溫度T2；

(3)該段原油的平均溫度按下式計(jì)算：

(5)

(4)由粘溫關(guān)系計(jì)算平均溫度下的粘度，計(jì)算該段油流的雷諾數(shù)，并判別流態(tài)；

(5))根據(jù)流態(tài)計(jì)算該段的沿程水力摩阻損失和水力坡降；

水力坡降按下式計(jì)算：

i=hi/Li

(6)

(6)比較計(jì)算的水力坡降和原假定的水力坡降的差別是否精度要求，若不滿足，則返回(2)，重新計(jì)算；

(7)若計(jì)算的水力坡降和原假定的水力坡降的差別在給定的誤差范圍內(nèi)，則由伯努利方程求的該管段末端的壓力P2；伯努利方程：

(7)

式中：Z1、Z2——管線在不同點(diǎn)的高程；u1、u2——流體在不同點(diǎn)的流速。

(8)將計(jì)算得到的末端溫度和壓力作為下一段的起點(diǎn)溫度和壓力，重復(fù)上述計(jì)算，直到末站為止。

2.3 合理參數(shù)的確定

確定原油的合理輸送壓力和合理輸送溫度，對保證原油輸送的安全和高效率是十分有用的。在熱油管道的優(yōu)化運(yùn)行中，合理輸送壓力和合理輸送溫度的確定，既要考慮到低能耗、高效率，又要保證管道的安全運(yùn)行。在不對原油加熱輸送的季節(jié)，針對具體的輸油量和環(huán)境溫度，控制待輸送流體的起點(diǎn)壓力，就可以控制住對流體的能量輸入。為避免管道內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓，計(jì)算時(shí)必須控制管線全線的最小壓力不小于零。同時(shí)為使不至于對流體過度加熱，首先控制流體的起點(diǎn)溫度。實(shí)際計(jì)算時(shí)，是通過控制流體在終點(diǎn)站的溫度不超過20℃來控制起點(diǎn)溫度的。起點(diǎn)加熱溫度確定后，再按上述辦法擴(kuò)展流體的起點(diǎn)壓力。由上述計(jì)算得到的合理的起點(diǎn)壓力和起點(diǎn)溫度，都是針對正常運(yùn)行狀態(tài)而言的。

在保證原油進(jìn)、出站溫度、輸油管道的安全及整條管道的承壓能力為限制條件下，在這一范圍內(nèi)，以一定步長給定出站溫度和壓力，考慮到沿線溫度變化大，將全線按管道高程數(shù)據(jù)細(xì)分為若干小段，從而計(jì)算出整條管線的單位能耗，進(jìn)而優(yōu)選出最優(yōu)的溫度和壓力參數(shù)。

3 實(shí)例分析

已知某管線全長194km，其海拔高度隨里程的變化如圖1所示，原油含水0.5%，原油密度850kg/m3，平均比熱2000J/kg·℃。最冷時(shí)管道中心埋設(shè)地溫為3℃，原油的比熱容 c=2000 J/(kg·℃)；總傳熱系數(shù)為0.78 W/(m2·℃)，鋼材的比熱容300J/(kg·℃)。

圖1 管線海拔高度隨里程的變化示意圖

圖2 原油的粘度隨溫度變化曲線

在給定管道年輸量G=5114t/d的情況下，根據(jù)管線高程數(shù)據(jù)，采用高差自流的條件下，通過改變出站油溫來確定輸送管線系統(tǒng)的單位能耗。實(shí)際運(yùn)行過程中利用高程差保持首站起點(diǎn)壓力P0=0MPa是可以保證輸油安全，由此得到不同出站溫度對應(yīng)的管道系統(tǒng)單位總能耗如圖3所示。

通過比較可以看出，輸油管道系統(tǒng)的單位總能耗隨著出站溫度的升高而升高，因而降低出站油溫可以降低管線系統(tǒng)的單位能耗，即終點(diǎn)油溫降到一定程度時(shí)，對應(yīng)的起點(diǎn)加熱溫度可能使能耗達(dá)到最小，而終點(diǎn)油溫又取決于原油性質(zhì)和管輸實(shí)際情況。在保證末站的進(jìn)油溫度高于12℃，低于20℃進(jìn)行全線系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，可以在低的出站油溫下做出選擇。但是一味地降低出站油溫又不能保證輸油安全，為了保證全線輸送安全，選取51℃為出站油溫。

圖3 不同出站溫度對應(yīng)的管道系統(tǒng)單位總能耗

結(jié)合油田管線的管輸實(shí)際，輸送油品時(shí)，通過上述優(yōu)化方法得到管道沿線的溫度和壓力分布情況如下圖4所示。由溫度、壓力沿程分布圖可以看出，在正常輸量情況(5114t/d)下，可以利用自然高差(448m)，通過自流實(shí)現(xiàn)原油的正常輸送。這時(shí)，管線沿程的最小壓力為0.06MPa，末站壓力為4.41MPa，進(jìn)站溫度為13℃，輸油的單位總能耗為S0=317.94kJ/(t·km)，可以保證管線的輸油要求和安全(管線的設(shè)計(jì)最高壓力為10MPa，設(shè)計(jì)最低進(jìn)站溫度為12℃)。對管線進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化后，管道輸油的單位總能耗較原出站溫度為60℃的單位總能耗386 J/(t·km)而言，降低了僅16.5%。通過對運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，節(jié)省了首站的燃料油消耗費(fèi)用。但是當(dāng)輸量、環(huán)境溫度等條件發(fā)生改變時(shí)，就要對出站溫度和壓力重新進(jìn)行分析，以避免發(fā)生輸送事故 。

圖4 管道溫度、壓力隨管道里程的變化示意圖

4 結(jié)論

(1)在現(xiàn)有正常輸量情況下，可以利用自然高差，尤其在中間不設(shè)加壓站的條件下，是可以實(shí)現(xiàn)對原油的正常輸送。

(2)在正常輸量情況下，確定了油流出站溫度為51℃，對管線進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化后，得到管道輸油的單位總能耗較原出站溫度為60℃的單位總能耗降低了16.5%，節(jié)省了首站的燃料油消耗費(fèi)用。

(3)本文采用節(jié)能減耗優(yōu)化模型比較簡便，忽略了原油物性沿程變化、能耗的價(jià)格以及泵站和加熱爐的效率等因素的影響，要得到更優(yōu)化的目的，還需要對建立的模型進(jìn)行進(jìn)一步完善。

[1] 蘇 杭.原油管道優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的建立[J]. 石化技術(shù), 2015, 22(8):24-24.

[2] 張勁軍.易凝高粘原油管輸技術(shù)及其發(fā)展[J].中國工程科學(xué), 2002, 4(6):71-76.

[3] 許 鐵, 黃曉真, 李云杰,等. 鐵大輸油管道熱力系統(tǒng)測試與分析[J].油氣儲運(yùn), 2000, 19(8):43-46.

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[5] 許 璟. 影響長輸管道軸向溫降原因分析[J]. 中國化工貿(mào)易, 2012, 4(8):276-276.

[6] 蔣華義. 輸油管道設(shè)計(jì)與管理[M]. 北京：石油工業(yè)出版社, 2010.

[7] 楊筱蘅, 張國忠. 輸油管道設(shè)計(jì)與管理[M]. 北京： 石油大學(xué)出版社, 1996.

(本文文獻(xiàn)格式：周 雄，林國慶，譚茂波，等.長輸熱油管道的節(jié)能降耗優(yōu)化分析[J].山東化工，2017，46(08)：102-104.)

Optimization Analysis of Hot Oil Pipelines for Energy Saving and Consumption Reduction

ZhouXiong1,LinGuoqing2,Tanmaobo3，ShiHaixin1，LiangJinlu1，ZhangXinfang1，ZouYubiao1

(1. Guangxi Colleges and Universities Key Laboratory of Beibu Gulf oil and Natural Gas Resource Effective Utilization,College of Petroleum and Chemical Engineering, Qinzhou University, Qinzhou 535000, China；2. Yibin China-Resources Gas Co., Ltd.，Yibin 644000, China； 3. Quxian China-Resources Gas Co., Ltd.，Dazhou 635200)

The energy consumption is very large in the process of heating transportation of waxy crude oil, which focuses mainly on consumption of heat energy and pressure energy. Under the premise of the safe operation of the pipeline, a mathematical model of optimization is established in order to minimize the energy consumption of the unit cost of the pipeline system. And operation parameters of the crude oil heating pipeline is optimized. In the example calculation of some pipeline，some economic reasonable parameters are figured out such as departure temperature and pressure. The results play an important role in reducing the energy consumption of hot oil pipeline.

heating transportation；energy consumption of the unit; optimize; temperature; pressure

2017-02-28

廣西高校中青年教師基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目(編號：KY2016LX440)；廣西高校北部灣石油天然氣資源有效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題基金(編號：2015KLOG08)

周 雄(1988—)，湖北監(jiān)利人，碩士研究生，助教，主要研究方向：油氣工程管柱力學(xué)及管道安全。

TE867

A

1008-021X(2017)08-0102-03