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        優(yōu)化系統(tǒng)的構(gòu)建及求解分析

        2015-09-04 05:45:32趙振宇張默思王錫玉
        當(dāng)代化工 2015年11期
        關(guān)鍵詞:熱油輸油管道儲運

        趙振宇,吳 明,張默思,王 昊,王錫玉

        (遼寧石油化工大學(xué), 遼寧 撫順 113001)

        經(jīng)濟的發(fā)展意味著對于能源的需要,近年來多條跨國境、長距離輸油管線相繼投產(chǎn)[1-3]。在接下來的10年中,我國將計劃新建約6.5×103km的原油管道,加上在役原油管道,管道總長度將達到約2×104km,將完成約每年5×108t管道總輸油能力,對大型綜合原油運輸系統(tǒng)的最終形式將涵蓋全國大多數(shù)石化企業(yè)[4-7]。面對管道建設(shè)如此巨大的投資和管道的優(yōu)化運行,實現(xiàn)管道運行的可持續(xù)發(fā)展和節(jié)能降耗具有重要的意義[8-11]。

        20世紀90年代,美國CNGT[12]公司,進行動態(tài)閉環(huán)、實時優(yōu)化技術(shù)等相關(guān)實驗,在役運行管道應(yīng)用該方法后管道運行能耗減少了10%左右。

        2003年,高松竹等[13]等建立了基于免疫遺傳算法求解的等溫輸油管道的優(yōu)化運行數(shù)學(xué)模型,并通過實例驗證,結(jié)果表明該數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化有較高的效率和較好的性能,該模型等溫輸油管道優(yōu)化設(shè)計過程中有較好的應(yīng)用。

        2008年,支淑民等[14]從節(jié)省能源和減少輸油成本的目標出發(fā),以石油運輸成本最低為優(yōu)化目標,建立了基于線性規(guī)劃的兩級階梯管道優(yōu)化模型。以東辛輸油管線為實例進行大輸量試驗,完成管路和泵機組的最優(yōu)匹配參數(shù)及最優(yōu)輸油溫度的計算,并對得到的參數(shù)進行優(yōu)化,制定了該輸油管線最佳運行方式。

        1 決策變量的確立

        (1)工藝參數(shù)

        管徑D:其大小直接決定管線的鋪設(shè)費用與管材投資費用以及影響熱力損耗。管道壁厚gd:主要決定管道承壓情況。加熱站進、出站溫度Rt,Zt:加熱站進、出站溫度Rt。加熱站數(shù)Rn泵站數(shù)Cn:加熱站數(shù)Rn泵站數(shù)Cn:主要受水利條件、熱力條件的約束。保溫層厚度bd:直接影響保溫層投資費用。泵站機組揚程CH :由管道能量H損失和管道輸量G所決定,而且要充分利用管道承壓能力。

        (2)油品物性參數(shù)

        油品的物性參數(shù)受溫度的影響較大的有:油品的密度r、比熱容 c、動力粘度m等,都與溫度有函數(shù)關(guān)系。

        (3)水力參數(shù):管線摩阻損失 H、管道水力坡降i受管道運行溫度T、管徑D、流量G的影響。

        (4)設(shè)備參數(shù):加熱爐效率Rh,泵機組效率Bh受設(shè)備型號以及組合方式,流量G的影響。

        (5)熱力參數(shù):管道總傳熱系數(shù)K受保溫層厚度db、管徑D、管道內(nèi)油品的流動狀態(tài)、管線埋深h的影響。

        (6)經(jīng)濟和其他參數(shù):保溫層,電力,管材,輸油泵,燃料油及隨著市場價格變化的加熱爐等設(shè)備的價格參數(shù);管線沿線的地形及水文參數(shù),年任務(wù)輸量 GN,管線總長度L,土壤性質(zhì)等參數(shù)都不能隨便改變的。

        本文以管徑D,管壁厚度dg,保溫層厚度db,泵站數(shù) nC,供熱站數(shù) nR,泵的揚程 HC,入口溫度作為熱輸原油管道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的決策變量[15]。

        2 目標函數(shù)的確立及求解

        熱油管道優(yōu)化的財務(wù)凈現(xiàn)值是指:根據(jù)輸油管道的建設(shè)項目基準利率,期間每年資金管道建設(shè)工程的計算流程,包括管道施工段管道年運行投資建設(shè)投資和年運行期間,折現(xiàn)的管道建設(shè)和期初的現(xiàn)值。費用現(xiàn)值的計算公式為[16]:

        式中: In—第n年的全部投資;

        C'—第n年的經(jīng)營成本;

        n

        Sv—計算期末回收的固定資產(chǎn)余值;

        W—計算期末回收的流動資金;

        N—計算期或管道的壽命期;

        iC—行業(yè)基準收益率。

        第n年的全部投資費用nI指管道建設(shè)期間的所有投資費用總和。第n年的經(jīng)營成本'nC 包括(1)全部職工工資支出(2)動力費用和燃料費用和其他費用。

        熱油管道優(yōu)化設(shè)計的目標函數(shù)如下[17]:

        式中: L—管道總長度,km;

        D—管道外徑,m;

        dg—管壁厚度,m;

        db—保溫層厚度,m;

        YB—保溫層價格,元/m3;

        Ygl—每千米管道基礎(chǔ)建設(shè)投資,元/km。

        作為管徑D及壁厚gd的函數(shù)每公里管道基礎(chǔ)建設(shè)投資glY,可以用多項式回歸求得:

        式中:a0,a1,a2—回歸系數(shù)。

        如果管道建設(shè)期k年,可依據(jù)總投資金額的百分比iq計算每年的石油管道基礎(chǔ)設(shè)施的投資1I。

        加熱站與泵站的站場投資(2I):

        式中: SSZ—首站站場建設(shè)投資,萬元;

        SZZ—中間每座泵站建造投資,萬元;

        SRZ—每座加熱站站場建設(shè)投資,萬元;

        SMZ—末站站場建設(shè)投資,萬元;

        nC—泵站數(shù);

        nR—加熱泵站數(shù)。

        若管道工程建設(shè)周期為k年,可按照總投資金額的百分比 qi完成泵站與加熱站建設(shè)的每年投資計算。

        熱油管道年電力消耗費用(C1):

        式中: G —輸送油品的質(zhì)量流量,kg/s;

        HCi—各個泵站的揚程,m;

        YD—電價,元/(kW·h HCi);

        efc—機泵的總效率。

        熱油管道燃料油消耗費用(C2):

        式中: QRi—各個加熱站的有效熱負荷,J/s;

        Y R —燃料油單價,元/t;

        B H —燃料油的最低發(fā)熱值,kJ/kg;

        hR —加熱爐效率。

        總目標函數(shù)確立:

        圖1是擬設(shè)計的計算機編程的示意圖:

        圖1 計算機編程的示意圖Fig.1 Schematic diagram of computer programming

        3 結(jié)束語

        中國石油管道建在接下來的幾年里將會迎來快速發(fā)展階段, 不僅管道設(shè)計,以及建成后的管道運行和維護過程,都需要對熱油管網(wǎng)或管道優(yōu)化運行等方面進行研究。在管道設(shè)計階段,將節(jié)能降耗作為輸油管道方案優(yōu)化的重要目標, 實現(xiàn)管道高效、經(jīng)濟輸油才能夠得到保證。

        [1]吳明,王金華,劉建鋒,等.長輸熱油管道運行方案的優(yōu)化[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報,2006,26(1):63-65.

        [2]宮敬,等.成品油管道優(yōu)化運行方法研究[J].油氣儲運,2000,19(10):22-25.

        [3]劉武.基于層次分析法的天然氣長輸管道設(shè)計方案優(yōu)選[J].石油規(guī)劃設(shè)計,2002,13(3):22-24.

        [4]黃善波,楊德偉,雷文賢,等.模擬退火算法在熱力管線優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用[J].煤氣與熱力,2003,23(5):293-295.

        [5]周詩崠,江國業(yè),吳明,等.長吉輸油管道優(yōu)化運行研究[J].撫順石油學(xué)院學(xué)報,2003:23(2):4-l0.

        [6]吳長春,李東風(fēng).秦京管道穩(wěn)態(tài)優(yōu)化運行方案的分析與確定[J].油氣儲運,2002,21(12):4-11.

        [7]高松竹,汪玉春,等.混合遺傳算法在輸油管道優(yōu)化運行中的應(yīng)用[J].油氣儲運,2004,23(7):34-37.

        [8]將仕章,蒲家寧.輸油管線優(yōu)化運行技術(shù)研究[J].油氣儲運,2002,24(2):15-19.

        [9]嚴宏東,汪玉春.用改進混沌綜合法實現(xiàn)熱油管道的優(yōu)化設(shè)計[J].油氣儲運,2005,24(2):15-19.

        [10]李科星,汪玉春,楊洲,唐煌.應(yīng)用混合微粒群算法優(yōu)化設(shè)計熱油管道.西南石油大學(xué)學(xué)報,2007,29(3):150-152.

        [11]支淑民,史培玉.勝利東辛輸油管道生產(chǎn)運行優(yōu)化的試驗研究[J].油氣田地面工程2008,27(3):29-30.

        [12]Ferber E P .CNGT Installs Fuel Minimization System to Reduce Operation Cost[J].Pipeline&Gas Industry, 1999, 23 (2): 97-102.

        [13]高松竹,蔣忠,等.甚于免疫遺傳算法的等溫輸油管道優(yōu)化設(shè)計[J].油氣儲運,2004,24(12): 25-29.

        [14]支淑民,史培玉.勝利東辛輸油管道生產(chǎn)運行優(yōu)化的試驗研究[J].油氣田地面工程,2008,27(3): 29-30.

        [15]高書光. 熱油管道優(yōu)化設(shè)計技術(shù)研究[D].青島:中國石油大學(xué),2011.

        [16]李秀紅,張振英. 設(shè)計方案優(yōu)化中的技術(shù)經(jīng)濟比較[J]. 石油規(guī)劃設(shè)計,2005,06:45-47+55.

        [17]胡偉. 樊學(xué)油區(qū)原油外輸管道優(yōu)化設(shè)計與可靠性分析[D].西安:西安石油大學(xué),2012.

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