顧強 （大慶油田有限責任公司儲運銷售分公司）

多油庫生產(chǎn)調(diào)度工藝運行方案優(yōu)化

顧強 （大慶油田有限責任公司儲運銷售分公司）

將儲運系統(tǒng)的南一油庫、南三油庫和北油庫作為一個整體考慮，以系統(tǒng)總能耗費用最低為目標，建立了多站庫優(yōu)化數(shù)學模型，根據(jù)模型的結(jié)構(gòu)特點，采用兩級遞階優(yōu)化方法將原優(yōu)化模型分解成最優(yōu)管道出站壓力模型和出站溫度優(yōu)化模型兩個子模型，兩者之間通過迭代進行求解。應用該模型對大慶油田多油庫生產(chǎn)調(diào)度工藝進行了優(yōu)化，制定了不同油庫的優(yōu)化工藝參數(shù)，包括優(yōu)化的外輸溫度、壓力等。結(jié)果表明，優(yōu)化方案與原方案相比可節(jié)約能源10.38%，具有顯著的節(jié)能效果。

多油庫；生產(chǎn)工藝；優(yōu)化；外輸溫度；壓力

“北油庫—南一—南三—總外輸”是大慶油田原油儲運系統(tǒng)的重要組成部分，承擔著大慶油田原油的儲存及外輸任務，是連接油田開采和下游石油煉化的中心環(huán)節(jié)。目前，大慶油田已處于開發(fā)中后期，油田產(chǎn)能下降，導致原油儲運系統(tǒng)處于低庫存、低輸量運行狀態(tài)，系統(tǒng)生產(chǎn)效率下降，輸轉(zhuǎn)油單耗上升。大慶油田計劃進一步調(diào)低產(chǎn)量，2015計劃減產(chǎn)150×104t，到2020年將調(diào)減至年產(chǎn)3200× 104t，隨油田產(chǎn)量的進一步降低，儲運系統(tǒng)生產(chǎn)調(diào)度經(jīng)濟性和運行效率下降的問題將更加嚴重。針對以上問題，需要對油田原油儲運系統(tǒng)的生產(chǎn)調(diào)度工藝方案進行優(yōu)化[1]。

1 多站庫優(yōu)化數(shù)學模型

1.1目標函數(shù)建立

根據(jù)輸油管道的水力、熱力特性，對于南一外輸管道來說，提高管道起點溫度時，沿線油溫升高，油品黏度降低，管道摩阻損失減少，需要的出站壓力降低，泵耗電量相應減少，但加熱爐燃料消耗量卻增加。相反，降低起點溫度，泵耗電量增加，加熱爐燃料消耗量減少。

對于北油庫外輸管道，當起點溫度升高時，相應的泵耗電量會減少，加熱爐燃料消耗量增加，但北油庫所輸送的原油進入南三油罐的油溫也會隨之升高，需要的維溫熱能將會減少。相反，降低起點溫度，泵耗電量增加，加熱爐燃料消耗量減少，維溫熱能消耗增加。

同時，南一、南三、北油庫所輸送的原油會在總外輸起點進行摻混，三者各自的輸油溫度也將影響到總外輸起點溫度。總外輸起點溫度較高時，動能損耗相應減少，但過高的油溫將會造成不必要的熱能浪費。

因此，對多油庫系統(tǒng)生產(chǎn)運行方案進行優(yōu)化，其目的是在保證安全輸送的前提下，合理地確定各油庫最佳起點溫度和起點出站壓力，使得多油庫系統(tǒng)總能耗最小，從而使總能耗費用最低[2]。

多油庫生產(chǎn)運行總能耗費用包括南一、南三、北油庫各自消耗的動力費用和熱力費用。南一和北油庫的動力費用就是泵運行所消耗的電能費用，熱力費用就是加熱爐運行消耗的燃料油費用；南三油庫的動力費用是泵運行所消耗的電能費用，熱力費用是儲油罐維溫所消耗的費用。以南一、南三、北油庫管道的出站壓力以及南一和北油庫的出站溫度為決策變量，以總能耗費用最小為目標函數(shù)（minS），建立數(shù)學模型如下式：

其中

式中：S——多站庫生產(chǎn)運行的總能耗費用，萬元；

S北——北油庫的總能耗費用，萬元；

S南一——南一油庫的總能耗費用，萬元；

S南三——南三油庫的總能耗費用，萬元；

目標函數(shù)為單位時間內(nèi)多油庫系統(tǒng)總能耗費用，表達式中第一項為北油庫總能耗費用，第二項為單位時間內(nèi)南一油庫總能耗費用，第三項為單位時間內(nèi)南三油庫總能耗費用。

1.2約束條件建立

隨著季節(jié)和輸量的變化，輸油管道的運行工況發(fā)生變化，為了滿足管道輸送的生產(chǎn)要求，管道的運行參數(shù)和設(shè)備運行參數(shù)必須在允許的范圍之內(nèi)，也即滿足一定的約束條件[3]。多油庫系統(tǒng)優(yōu)化運行所需滿足的約束條件包括輸量約束、油庫庫容約束、設(shè)備運行能力的約束以及進出站溫度和壓力的約束。

1）輸量約束。根據(jù)管道輸量情況來確定各油庫的啟泵情況以及啟泵臺數(shù)。如果管道輸量較大，需要啟用多臺輸油泵并聯(lián)運行才能滿足輸送要求，各臺并聯(lián)運行泵的流量之和等于各油庫外輸管道流量，各油庫外輸管道流量之和為總外輸管道流量即有以下約束條件：

式中：γpj——并聯(lián)運行泵的個數(shù)；

Qpj——并聯(lián)運行泵的流量，m3；

Qx——各油庫外輸管道流量，m3；

Qt——總外輸管道流量，m3;

np——油庫總泵數(shù);

n0——外輸泵總數(shù)。

2）油庫庫容約束。為了保證油庫能夠正常安全工作，其儲油量應該在一定的范圍內(nèi)，即

3）泵工作能力約束。為了保證輸油泵能夠正常安全工作，其流量和揚程應該在一定的范圍內(nèi)，即

4）加熱爐加熱能力約束。各油庫內(nèi)每臺加熱爐的熱負荷要在其加熱能力范圍之內(nèi)，即

5）鍋爐熱負荷約束。鍋爐的熱負荷要在其加熱能力范圍之內(nèi)，即

6）管道壓力約束。為了保證管道內(nèi)管輸介質(zhì)順利輸送到終點，各管道進入總外輸點的進站壓力必須大于總外輸出站壓力要求，且進站壓力不能大于終點站最高進站壓力許用值，即

7）管輸介質(zhì)進站溫度約束。為了防止輸送過程中不凝油，保證管輸介質(zhì)能夠從起點順利進入到終點，進站溫度不能低于管輸介質(zhì)最低進站溫度許用值，即

8）管輸介質(zhì)出站溫度約束。為保證輸送油品的物性穩(wěn)定，同時受到加熱爐熱負荷以及管道熱變形的限制，出站溫度應該低于管輸介質(zhì)出站最高溫度許用值，即滿足

1.3完整數(shù)學模型

生產(chǎn)運行方案優(yōu)化數(shù)學模型可由下式表示：

2 數(shù)學模型求解算法

數(shù)學模型中決策變量為出站溫度和出站壓力，目標函數(shù)及約束條件都帶有非線性項，該問題屬于非線性最優(yōu)化問題。根據(jù)模型的結(jié)構(gòu)特點，采用兩級遞階優(yōu)化方法將原優(yōu)化模型分解成最優(yōu)管道出站壓力模型和出站溫度優(yōu)化模型兩個子模型，兩者之間通過迭代進行求解。由于該優(yōu)化問題求解過程的復雜性，為了高效求解該問題，在本項目中采用C#語言進行編程求解。

2.1管道出站壓力優(yōu)化子模型

該模型是在管線各站出站溫度給定的前提下,確定最優(yōu)出站壓力模型pout*。該模型可由下式表示：

該優(yōu)化問題屬于非線性最優(yōu)化問題，采用隱枚舉法和動態(tài)規(guī)劃法來求解。

2.2出站溫度優(yōu)化子模型

該模型是在出站壓力方案一定的基礎(chǔ)上確定各站管輸介質(zhì)的最優(yōu)出站溫度Tout*。該模型可由下式表示：

該優(yōu)化問題屬于非線性規(guī)劃問題,采用罰函數(shù)法將模型轉(zhuǎn)化為無約束優(yōu)化問題,再用由Powell提出經(jīng)Zangwill改進的方向加速法來求解。算法框圖如圖1所示。

圖1 多油庫系統(tǒng)生產(chǎn)運行方案算法框圖

3 多站庫優(yōu)化運行方案

按照本項目建立的優(yōu)化方法，對多油庫系統(tǒng)進行優(yōu)化，在最高、最低、平均3種流量情況下，分別對多站庫系統(tǒng)的工藝運行方案進行了優(yōu)化，其中，北油庫和南一油庫全年不同月份、不同環(huán)境溫度及輸量工況下的優(yōu)化外輸起點溫度和外輸壓力如表1和表2所示。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，對于南三油庫，由于采用熱油循環(huán)加熱方法對儲罐內(nèi)原油進行加熱，而儲罐的加熱維溫能耗較高，其優(yōu)化運行方案為充分利用來油溫度，儲罐的熱油循環(huán)主要以維持罐內(nèi)油溫為主，不建議對罐內(nèi)原油進行加熱升溫。

表1 北油庫外輸管道輸油方案優(yōu)化

表2 南一油庫外輸管道輸油方案優(yōu)化

[1]張勁軍,何利民,宮敬,等.油氣儲運理論與技術(shù)進展[J].中國石油大學學報，2013（5）:151-162.

[2]隗英博.基于油氣儲運環(huán)節(jié)分析及優(yōu)化措施分析與研究[J].化工管理，2014，30:26.

[3]韓廷凱.油氣儲運環(huán)節(jié)分析及優(yōu)化措施分析[J].中國石油和化工標準與質(zhì)量,2014（3）:162.

（編輯 李發(fā)榮）

表彰會上多么榮耀

1月30日，在中國石化天然氣分公司總結(jié)表彰會上，一批先進生產(chǎn)單位、勞動模范得到表彰。在過去的1年中，該公司市場空間不斷擴大，市場經(jīng)營區(qū)域由國內(nèi)12個省份擴展至20個省份，基本覆蓋了國內(nèi)天然氣需求旺盛的經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，主干管網(wǎng)年經(jīng)營氣量近150×108m3，安全生產(chǎn)、環(huán)境保護各項指標全面完成。

胡慶明 攝影報道

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.04.003

2015-10-31

顧強，工程師，2005年畢業(yè)于中國石油大學（華東）（計算機科學與技術(shù)專業(yè)），從事自動化儀表管理工作，E-mail：guqiang@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶市薩爾圖區(qū)奔二村儲運銷售分公司儲運保障大隊，163453。