輸油管線能耗優(yōu)化分析與應(yīng)用研究

張東

摘 ? ? ?要：根據(jù)某管道主線與某管道復(fù)線的基本參數(shù)以及目前的運(yùn)營(yíng)情況，對(duì)管道進(jìn)行評(píng)估，主要針對(duì)管道現(xiàn)行方案中存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，管道運(yùn)行能耗費(fèi)用偏高情況成為現(xiàn)行管道體系中普遍存在的問(wèn)題之一。因此討論了造成能耗費(fèi)用偏高的原因，并制定出合理的泵站布置方案和具有一定經(jīng)濟(jì)性和可行性的開(kāi)泵優(yōu)化方案。

關(guān) ?鍵 ?詞：輸油管道;水力計(jì)算;能耗;優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TE 832 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? 文章編號(hào)： 1671-0460（2019）12-2840-04

Abstract： Based on the basic parameters and current operation situation of a pipeline， the pipeline was evaluated， the problems existing in the current pipeline scheme were analyzed， and the reasons for high energy consumption were discussed. A reasonable pumping station layout plan and an economical and feasible pumping optimization plan were made.

Key words： Oil pipeline; Hydraulic calculation; Energy consumption; Optimization

迄今為止，我國(guó)在管道網(wǎng)絡(luò)方面取得的成就已經(jīng)受到全世界的關(guān)注，管道以東北，西北，西南等為骨干，逐步聯(lián)通東北、西北以及西南的陸上輸油管道的建設(shè)。然而，成品油輸送過(guò)程中，管道沿線距離較長(zhǎng)，導(dǎo)致沿途地區(qū)地形變化多，氣候環(huán)境復(fù)雜，利用管道進(jìn)行成品油輸送時(shí)，受到其油品物性等因數(shù)影響，使得鐵路和公路的運(yùn)輸成本增高，且存在一定程度的危險(xiǎn)問(wèn)題。

在成品油輸送方面，長(zhǎng)距離管道輸送占據(jù)很大一部分，其中，成品油管道的能耗主要表現(xiàn)在運(yùn)行能耗費(fèi)用。因此，為降低管道運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性管道優(yōu)化，應(yīng)對(duì)管道進(jìn)行最優(yōu)解模型的研究。該方面的研究?jī)?nèi)容主要包括：最優(yōu)生產(chǎn)運(yùn)行方案、設(shè)備主要能耗、建立數(shù)學(xué)模型并確定最合適的求解方法進(jìn)行求解，達(dá)到降低能耗費(fèi)用的目的[1]。

基于上述對(duì)輸油管線能耗的計(jì)算及優(yōu)化問(wèn)題，本文針對(duì)所采集的數(shù)據(jù)建立水力計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，目標(biāo)函數(shù)為生產(chǎn)運(yùn)行能耗費(fèi)用最小，以實(shí)現(xiàn)降低運(yùn)行過(guò)程中的能耗、節(jié)省電力成本、并使其更具有經(jīng)濟(jì)性效益的目的。

1 ?能耗分析方法

針對(duì)管道能耗的最優(yōu)化問(wèn)題，前人已經(jīng)做出了大量的研究，并提出相應(yīng)的觀點(diǎn)。為該問(wèn)題的分析和解決提供了思路。

2001年，Jokic，A.[2]等針對(duì)石油管道網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化，選擇了非線性規(guī)劃的分析方法。2004年，蒲家寧[3]等則應(yīng)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃原理，分析密閉輸送過(guò)程中的能耗最優(yōu)解問(wèn)題。嚴(yán)宏?yáng)|[4]等對(duì)數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化是采用改進(jìn)混沌綜合法。2004年，孟振虎[5]等提出了輸油泵粘液性能曲線自動(dòng)換算的求解方法，采用非線性規(guī)劃，對(duì)輸油管道的全線進(jìn)行優(yōu)化方案的制定。

1.1 ?輸油管道能耗優(yōu)化模型建立

在了解了某管道的基本信息與運(yùn)行方式后，尋求合適的數(shù)學(xué)模型在求解最優(yōu)化問(wèn)題過(guò)程中至關(guān)重要。首先，應(yīng)根據(jù)成品油油管道的特點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)有問(wèn)題進(jìn)行分析整合，制定求解方向，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及查閱大量資料，確定恰當(dāng)?shù)哪Ｐ汀?duì)目標(biāo)函數(shù)，約束條件等加以補(bǔ)充，得到完善的能耗模型體系[6]。

1.2 ?建立模型

1.2.1 ?流體摩阻計(jì)算

BP（Back-propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，目前正廣泛應(yīng)用在實(shí)際生活中并具有一定的功能性。從結(jié)構(gòu)上講，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分為輸入層、隱含層和輸出層，是典型的多層網(wǎng)絡(luò)，且層與層之間的連接方式稱為全互連方式（圖1）[7]。

本文通過(guò)遺傳算法優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)路的方式對(duì)管線能耗的動(dòng)力費(fèi)用進(jìn)行優(yōu)化處理，泵效率以及泵的運(yùn)行時(shí)間會(huì)影響到管線的動(dòng)力費(fèi)用，而泵的吸入壓力、泵的吸出壓力以及輸油泵的輸入功率均會(huì)影響到泵效率，進(jìn)而利用泵的吸入壓力、泵的吸出壓力以及輸油泵的輸入功率等參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)，通過(guò)遺傳算法優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方式對(duì)上述歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，進(jìn)而使管線的動(dòng)力費(fèi)用最少。

具體做法為采用閾值的方法對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)估閾值的適應(yīng)度，最后根據(jù)遺傳算法得出的適應(yīng)度進(jìn)行選擇、交叉和變異，最終得到最優(yōu)的相關(guān)參數(shù)，通過(guò)最優(yōu)的相關(guān)參數(shù)可以計(jì)算求得最優(yōu)的動(dòng)力費(fèi)用。

3 ?結(jié)果與討論

3.1 ?某管道復(fù)線優(yōu)化方案

在成品油管道設(shè)計(jì)中，為達(dá)到沿線壓力能的需求，可根據(jù)管路全長(zhǎng)合理布置若干個(gè)泵站。泵站的工作特性和流量由組成泵站的輸油泵性能決定。這個(gè)壓頭值的大小取決于管道壁面的強(qiáng)度，泵站的壓力值則由進(jìn)出站壓力確定[8]。

本設(shè)計(jì)中，由于高程差變化不大，出于提高經(jīng)濟(jì)性減少動(dòng)力損耗，并簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)管路的流程等考慮，選用離心泵串聯(lián)運(yùn)行。減小成品油輸送量的變動(dòng)幅度可以達(dá)到調(diào)節(jié)控制管線輸油量的目的[9]。為達(dá)到任務(wù)輸量及高程要求，并確定滿足能耗費(fèi)用最小的方案，泵個(gè)數(shù)的選擇一般不超過(guò)5臺(tái)，并要考慮有1臺(tái)備用泵。

根據(jù)水力計(jì)算要求，得到4種開(kāi)泵方案，通過(guò)遺傳算法優(yōu)化對(duì)2015-2017年3年實(shí)際輸量和電力單價(jià)條件下的泵站費(fèi)用進(jìn)行計(jì)算并繪制圖像比較，如表1所示。

在成品油管道輸送費(fèi)用中，泵站運(yùn)行費(fèi)用以耗電費(fèi)用為主[10]。根據(jù)實(shí)際電費(fèi)損耗，可以得到2016年的平均電費(fèi)單價(jià)最低，由于電費(fèi)對(duì)實(shí)際費(fèi)用的影響因素大于能耗本身，則可以解釋2016年在不同泵站布置情況下均低于條件下的其他年份。2017年以后，價(jià)格波動(dòng)較大，其主要是由能耗費(fèi)用的增加造成的。通過(guò)上述的分析比較，對(duì)老舊設(shè)備進(jìn)行更換和改進(jìn)是時(shí)下減少能耗損失最直接且可行的辦法。