油田站間輸油管道熱力優(yōu)化計算

王霽（大慶油田有限責(zé)任公司儲運銷售分公司）

溫度是熱油管道輸送過程中最重要的參數(shù)之一，溫度高低直接影響油品的黏度、比熱、密度等物性。出站溫度過高會導(dǎo)致輸送過程中的散熱量增加，能量損失變大；而出站溫度過低，會導(dǎo)致安全停輸時間減少，增加安全隱患。因此選擇合理的出站溫度對于熱油管道安全經(jīng)濟輸送具有重要意義。在熱油管道生產(chǎn)運行參數(shù)優(yōu)化過程中，管道溫降計算的精度對于方案的合理性影響巨大。

1 現(xiàn)狀

為提高輸油管道溫降計算的精度，許多學(xué)者進行了大量研究，徐睿妤為解決現(xiàn)有熱力模型上存在的不足，根據(jù)熱阻原理編制了具備常見模型模塊和自定義模塊的OHTC計算軟件，提高了管道運輸上熱力計算的精準(zhǔn)度[1]；龐海濤采用PIPESIM流體計算軟件進行對K值影響因素的模擬，分析得出了各因素對其影響程度[2]；魏立新，周剛等提出一種更適用于現(xiàn)場實際工況的基于相關(guān)向量機算法（RVM）的埋地?zé)嵊凸艿罍亟殿A(yù)測的新方法[3]；楊新明、蔣洪等在利用探針法測量土壤導(dǎo)熱系數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合管道設(shè)計數(shù)據(jù)，通過理論公式計算求解管道的總傳熱系數(shù)[4-5]；楊加棟，張曉靈等以聚氨酯彈性體保溫管道作為研究對象，設(shè)計可模擬深水環(huán)境下壓力和溫度的管道散熱測試裝置，有助于分析測驗材料保溫性能，為工程現(xiàn)場提供了有力參考[6]。

針對某油田站間原油輸送管道，采用最優(yōu)化擬合方法建立了管道熱力計算模型，并對不同輸量不同月份管道的合理出站溫度進行了計算。

2 熱力計算模型

某油田站間管道全長30km，采用加熱輸送方式。該管道環(huán)境溫度-8~15℃，油品比熱容1.94~2.69J/(kg·℃)，黏度23.5~43.8mPa·s，密度0.87kg/m3，進站溫度39~49℃。

熱油管道溫降通常采用蘇霍夫公式：

式中：G為油品的質(zhì)量流量，kg/s；c為輸油溫度下油品的比熱容，J/(kg·℃)；K為管道總傳熱系數(shù)，W/(m2?℃)；D為管道外徑，m；L為管道長度，m；TR為管道起點溫度，℃；TZ為管道終點溫度，℃；T0為管道周圍土壤溫度，℃；a為參數(shù)。

采用蘇霍夫公式計算溫降，總傳熱系數(shù)是最關(guān)鍵的參數(shù)之一。總傳熱系數(shù)選擇不合理，會導(dǎo)致溫降計算結(jié)果與實際偏差較大。采用理論公式計算總傳熱系數(shù)，計算過程復(fù)雜、參數(shù)獲取難度大、計算結(jié)果與實際運行結(jié)果偏差大。為提高精度，可以采用反算法[7]計算，但其計算精度取決于所采用的實際運行數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在實際輸送過程中，輸量、環(huán)境溫度、進出站溫度等參數(shù)一般會隨時間不同而有一定程度的變化，這樣就會導(dǎo)致采用不同生產(chǎn)數(shù)據(jù)反算出的總傳熱系數(shù)結(jié)果的不同，進而影響到溫降的計算誤差。為減少采用單一生產(chǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)致的誤差較大的問題，采用最優(yōu)化擬合方法，以輸油溫降殘差平方和最小為目標(biāo)，綜合考慮一段時間內(nèi)的所有生產(chǎn)數(shù)據(jù)，建立了總傳熱系數(shù)最優(yōu)化擬合模型：

式中：ΔTi為由管道第i組實際運行數(shù)據(jù)得到的實際溫降，℃；n為某一生產(chǎn)時期內(nèi)管道生產(chǎn)數(shù)據(jù)的樣本總數(shù)；F(K)為管道傳熱系數(shù)計算的擬合度；K為某一時間段的管道傳熱系數(shù)，W/m2?℃。

該最優(yōu)化擬合模型屬于無約束規(guī)劃問題，可采用DFP法進行求解。

3 計算結(jié)果與誤差分析

采用站間輸油管道2019年運行數(shù)據(jù)，對全年的總傳熱系數(shù)和管道溫降誤差進行了計算，總傳熱系數(shù)隨時間變化見圖1，管道溫降誤差統(tǒng)計見表1。

圖1 總傳熱系數(shù)隨時間變化

表1 管道溫降誤差統(tǒng)計

可見管道傳熱系數(shù)隨季節(jié)變化明顯，在3—5月較低，之后逐漸上升，這是由于埋地管道周圍土壤溫度場的變化滯后性導(dǎo)致的[8]。另外，總傳熱系數(shù)對土壤熱阻變化的敏感性較強，濕土?xí)?dǎo)致管道總傳熱系數(shù)成倍增加[9-10]，因此降水較多的6—9月總傳熱系數(shù)開始逐漸升高。

由表1的相對誤差結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用最優(yōu)化擬合模型計算出的溫降與實際溫降相比，最大平均相對誤差5.14%，最小平均相對誤差0.4%，全年平均相對誤差2.56%，精度較高，能夠較為準(zhǔn)確地對站間輸油管道沿線的溫降進行計算。

4 不同輸量下合理出站溫度計算

該管道原油凝點35℃，以高于凝固點4℃為末站溫度計算輸量為11000t/d、13000t/d、15000t/d、17000t/d和19000t/d五種情況下的出站溫度。

不同輸量下出站溫度變化見圖2，該原油輸送管道輸量為11000t/d時，出站溫度為45.4～48.1℃，輸量為19000t/d時，出站溫度為42.7～44.2℃，最低輸量下的出站溫度比最高輸量平均降低7.55%。相同條件下，日輸量和出站溫度成線性關(guān)系，日輸量每增加1000t，出站溫度大約下降0.4℃。

不同月份出站溫度變化見圖3，可見同一輸量下不同月份的出站溫度變化幅度為2~3℃，3月份比8月份的出站溫度平均高出4.65%。故應(yīng)該根據(jù)管道輸量和環(huán)境溫度的不同，在保障油品安全輸送的前提下制定合理的輸油方案。

圖2 不同輸量下出站溫度變化

圖3 不同月份出站溫度變化

表2 優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比

5 實例計算

采用前面計算模型，選取3月、6月、9月、12月15日管道實際輸量，優(yōu)化了管道的輸油溫度，優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比見表2。4個日期管道終點溫度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于凝固點，實際輸油溫度也遠(yuǎn)高于優(yōu)化后的輸油溫度。按照優(yōu)化后的輸油溫度運行，4個日期的輸油溫度分別降低11.4、11.8、8.3、4.9℃，熱能損耗分別減少18.2%、37.6%、30.3%、22.4%，節(jié)能效果顯著。

6 結(jié)論

1）針對實際運行工況各參數(shù)不確定性變化導(dǎo)致的總傳熱系數(shù)計算誤差較大的問題，通過分析管道內(nèi)部流體因素及管道外部環(huán)境與熱輸管道總傳熱系數(shù)之間的關(guān)系，建立傳熱系數(shù)最優(yōu)化擬合模型。

2）應(yīng)用優(yōu)化模型對現(xiàn)場全年數(shù)據(jù)進行計算處理，得出每月最優(yōu)總傳熱系數(shù)，計算出的溫降與實際溫降相比，最大相對誤差5.14%，最小相對誤差0.4%，全年平均相對誤差2.56%，該模型能夠在一定程度上提高熱力計算精度。

3）依據(jù)現(xiàn)場實際運行狀況，計算全年各月份進站溫度為39℃時不同輸量下對應(yīng)的出站溫度，當(dāng)日輸量從11000t增加到19000t時，各月出站溫度降低了3~5℃；同一輸量下，3月份出站溫度最高，8月份最低，兩者相差2~3℃。

4）選擇典型季節(jié)某一天的實際輸量，優(yōu)化了輸油溫度，并與實際運行參數(shù)相比，輸油溫度降低5~12℃，熱能損失降低18.2%~37.6%。