陳思奇，付曉明，張嘉興

油庫(kù)外輸管道運(yùn)行方案優(yōu)化研究

陳思奇1，付曉明2，張嘉興1

（1. 東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318； 2. 大慶油田有限責(zé)任公司儲(chǔ)運(yùn)銷售分公司， 黑龍江 大慶 163318）

熱油管道作為一種主要的原油輸送方式，在輸送過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量能耗，為了降低輸油成本，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的運(yùn)行要求，以運(yùn)行費(fèi)用最小為目標(biāo)，對(duì)外輸管道生產(chǎn)運(yùn)行方案建立了優(yōu)化模型，并通過(guò)兩級(jí)遞階方法進(jìn)行優(yōu)化求解。利用建立的優(yōu)化模型對(duì)某油庫(kù)外輸管道優(yōu)化的結(jié)果表明，在冬季和夏季運(yùn)行費(fèi)用可降低10%以上。

輸油管道；優(yōu)化運(yùn)行；安全；經(jīng)濟(jì)

輸油管道作為最重要的輸油方式之一，在我國(guó)石油行業(yè)起著重要的作用，長(zhǎng)輸管道在輸送過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生巨大的能耗，主要包括熱能和動(dòng)能的消耗，因此在保證原油安全輸送到終點(diǎn)的前提下，如何合理的選擇管道運(yùn)行參數(shù)，達(dá)到管道的運(yùn)行成本最低，對(duì)于降低集輸過(guò)程中能量消耗起著重要的作用[1-2]。

本文以某油庫(kù)外輸管道為例，管道全長(zhǎng)43 km，管徑DN629，埋深1.6 m，建立了管道運(yùn)行的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型并確定了高效的求解方法。

1 優(yōu)化數(shù)學(xué)模型建立

熱力費(fèi)用和動(dòng)力費(fèi)用是輸油管道在運(yùn)行時(shí)的主要費(fèi)用。所謂熱力費(fèi)用指當(dāng)原油外輸時(shí)，為了滿足安全運(yùn)行要求避免發(fā)生凝管等事故，加熱使原油升溫，加熱爐所消耗的費(fèi)用；動(dòng)力費(fèi)用是指原油輸送時(shí)站內(nèi)增壓過(guò)程中，泵所消耗的費(fèi)用。把原油外輸時(shí)的輸油溫度和輸油壓力作為決策變量，以整段管道運(yùn)行能耗費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)，建立數(shù)學(xué)模型。具體數(shù)學(xué)模型如下式所示：

其中：

2 約束條件

油庫(kù)外輸管道在進(jìn)行方案優(yōu)化運(yùn)行時(shí)，需要保證安全輸送的前提，即滿足管道內(nèi)原油安全輸送到終點(diǎn)的壓力和溫度的要求，同時(shí)需要考慮油庫(kù)內(nèi)輸油泵及加熱爐等設(shè)備在高效工作區(qū)或高效率條件下工作，因此對(duì)于油庫(kù)外輸管道的優(yōu)化方案運(yùn)行時(shí)需要考慮管道的某些運(yùn)行參數(shù)和變量在一定的區(qū)間內(nèi)，即需要滿足相應(yīng)的約束條件要求。

（1）油庫(kù)外輸管道起點(diǎn)溫度的約束

對(duì)于油庫(kù)外輸管道的起點(diǎn)溫度，需要考慮輸送介質(zhì)的物性、管道所能允許的最高溫度和加熱爐加熱介質(zhì)達(dá)到的最高溫度等因素，起點(diǎn)溫度要低于上述各影響因素溫度的最小值，即滿足：

（2）油庫(kù)外輸管道終點(diǎn)溫度的約束

為了滿足外輸管道進(jìn)站后的后續(xù)工藝要求，同時(shí)避免發(fā)生凝管等事故，外輸管道的終點(diǎn)溫度需要大于管道終點(diǎn)允許的最低進(jìn)站溫度，即：

（3）油庫(kù)外輸管道終點(diǎn)壓力的約束

為了滿足油庫(kù)內(nèi)外輸介質(zhì)安全進(jìn)站的要求，外輸管道的終點(diǎn)壓力需要大于安全進(jìn)站壓力，即：

（4）油庫(kù)內(nèi)外輸泵的輸量約束

對(duì)于油庫(kù)內(nèi)原油總外輸量應(yīng)該等于所有開(kāi)啟外輸泵的排量和，即：

（5）油庫(kù)內(nèi)外輸泵工作特性的約束

為了充分利用能源，使泵達(dá)到較高的運(yùn)行效率，需要使泵在高效區(qū)工作，因此，外輸泵的排量需要在一定的范圍內(nèi)：

（6）油庫(kù)內(nèi)加熱爐的開(kāi)啟狀態(tài)的約束

為了保證外輸介質(zhì)的溫度滿足要求，油庫(kù)內(nèi)需要開(kāi)啟加熱爐，即加熱爐開(kāi)啟臺(tái)數(shù)應(yīng)滿足一定要求。

（7）油庫(kù)內(nèi)外輸加熱爐工作特性的約束

為了充分利用能源，使加熱爐達(dá)到較高的工作效率，需要保證加熱爐高效安全的工作，即加熱爐在工作時(shí)的熱負(fù)荷在一定的區(qū)間范圍內(nèi)，即：

3 模型求解算法

建立的油庫(kù)外輸管道優(yōu)化運(yùn)行數(shù)學(xué)模型中，在把出站溫度和出站壓力作為決策變量、整段管道能耗費(fèi)用作為的目標(biāo)函數(shù)及為了滿足安全輸送建立的約束條件中均帶有非線性項(xiàng)，例如油庫(kù)內(nèi)加熱爐及外輸泵的開(kāi)啟狀態(tài)，用0表示關(guān)閉，用1表示開(kāi)啟，屬于離散變量問(wèn)題，而外輸管道的起點(diǎn)輸油溫度和輸油壓力屬于連續(xù)變量[3]，本質(zhì)上來(lái)說(shuō)該問(wèn)題屬于非線性混合變量最優(yōu)化問(wèn)題。

根據(jù)建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，易采用分級(jí)優(yōu)化方法[4]對(duì)原始優(yōu)化模型進(jìn)行求解。即在求解時(shí)將求解問(wèn)題分解成外輸管道最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)和外輸設(shè)備最優(yōu)組合方案兩個(gè)問(wèn)題。在進(jìn)行求解具體結(jié)果的過(guò)程中，首先通過(guò)遺傳算法[5]搜索加熱爐和外輸泵的組合方案，確定組合方案后再轉(zhuǎn)化為求解管道最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)的問(wèn)題，具體求解時(shí)可以首先給定油庫(kù)外輸管道的起點(diǎn)輸油溫度，然后根據(jù)計(jì)算求得該輸油溫度對(duì)應(yīng)的起點(diǎn)輸油壓力，判斷此時(shí)的運(yùn)行方案是否是最優(yōu)方案，若不是則重新選擇輸油溫度，重新計(jì)算最優(yōu)的輸油溫度，按照這樣的求解過(guò)程，不斷迭代實(shí)現(xiàn)最優(yōu)輸油溫度和輸油壓力的最優(yōu)化參數(shù)求解。按照此方法可以對(duì)油庫(kù)外輸管道的輸油方案進(jìn)行優(yōu)化，得到不同輸油管道在不同輸量條件下全年不同月份的優(yōu)化輸油方案。該優(yōu)化計(jì)算主要是在滿足外輸管道終點(diǎn)輸油溫度和輸油壓力要求的前提下，通過(guò)選擇合理的管道輸油溫度和運(yùn)行設(shè)備最優(yōu)組合方案，進(jìn)而達(dá)到管段總能耗費(fèi)用最低，實(shí)現(xiàn)管段的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能降耗的要求。

4 計(jì)算實(shí)例

管道在運(yùn)行過(guò)程中受到環(huán)境因素的影響，冬季時(shí)管道運(yùn)行的能耗較大，夏季時(shí)管道運(yùn)行能耗較小。因此通過(guò)上述建立模型，根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)分別對(duì)油庫(kù)外輸管道冬季2月和夏季8月運(yùn)行時(shí)的輸油方案進(jìn)行優(yōu)化。并與原方案對(duì)比，確定了優(yōu)化方案的節(jié)能效果。

表1 方案優(yōu)化前

表2 方案優(yōu)化后

由表1及表2分析可知，優(yōu)化后降低了輸油管道的外輸溫度，通過(guò)優(yōu)化使該段輸油管道在冬季時(shí)輸油成本降低17%，夏季時(shí)輸油成本降低12%，有效降低了輸油成本。

5 結(jié) 論

對(duì)于油庫(kù)外輸管道，以在生產(chǎn)中運(yùn)行費(fèi)用最小為目標(biāo)，在滿足設(shè)備及工作特性的約束下，通過(guò)改變管道運(yùn)行時(shí)的出站溫度及出站壓力，建立了油庫(kù)外輸管道在運(yùn)行時(shí)的最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)采用兩級(jí)遞階的優(yōu)化求解方法，對(duì)模型進(jìn)行求解。

按照建立的運(yùn)行優(yōu)化模型對(duì)輸油管道冬季及夏季生產(chǎn)方案進(jìn)行優(yōu)化，能耗費(fèi)用分別降低了17%和12%，取得了較好的效果。

［1］吳世逵，梁朝林，李大上，等．易凝原油低溫?zé)彷斔偷难芯縖J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn), 2004 (05): 13-16+61．

［2］黃維和，鄭洪龍，王婷．我國(guó)油氣管道建設(shè)運(yùn)行管理技術(shù)及發(fā)展展望[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn), 2014 (12): 1259-1262．

［3］劉麗琴，張學(xué)良，謝黎明，等．混合變量非線性規(guī)劃問(wèn)題的差異演化算法研究[J]. 現(xiàn)代制造工程, 2011 (03):1-5．

［4］鄧揚(yáng)晨，張衛(wèi)紅，章怡寧．基于分級(jí)優(yōu)化的飛機(jī)翼面結(jié)構(gòu)布局綜合技術(shù)研究[J]. 強(qiáng)度與環(huán)境, 2005 (01): 27-35+63.

［5］王銀年. 遺傳算法的研究與應(yīng)用[D]. 江南大學(xué), 2009．

Optimization ofOperation Scheme of Crude Oil Transportation Pipeline

1,FU Xiao-ming,1

（1. Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318，China；2. Storage and Transportation Sales Branch of Daqing Oil Field Company, Heilongjiang Daqing 163318，China）

Hot oil pipeline as a major way of crude oil delivery will produce a lot of energy consumption in the transport process. In order to reduce oil transportation costs and achieve energy-saving operation requirements,taking the minimum cost of the pipeline in the production operation as a target, the optimization model of the pipeline operation scheme was established, and the optimal solution was carried out by the two-stage hierarchical method. The optimal outlet temperature and pressure in the conveying process were determined. The optimization model was used to optimize the oil depot pipeline. The results show that, compared with the original scheme, the cost of optimized operation scheme can be reduced by more than 10% in Winter and Summer.

oil pipeline; optimized operation; safety; economic

2017-04-10

陳思奇（1993-），男，滿，在讀研究生，遼寧錦州人，研究方向：長(zhǎng)距離管道輸送。

TE 832

A

1004-0935（2017）07-0659-03