崔彬澎

(山東勝利職業(yè)學(xué)院 油氣集輸與礦區(qū)建設(shè)培訓(xùn)部， 山東 東營(yíng) 257097)

聯(lián)合站的能耗與工藝對(duì)油田運(yùn)行成本具有至關(guān)重要的影響。對(duì)聯(lián)合站工藝及設(shè)備參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化運(yùn)行分析，可以收到明顯的經(jīng)濟(jì)效益[1]。1999年，趙洪激等[2]研制了油氣集輸系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，可完成井場(chǎng)到聯(lián)合站主要設(shè)備的選型計(jì)算以及管網(wǎng)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。2005年，魏立新[3]采用序列二次規(guī)劃法，構(gòu)建了約束條件為井口回壓、井口摻水壓力和原油進(jìn)站溫度等參數(shù)，目標(biāo)函數(shù)為最小能耗費(fèi)用的集輸系統(tǒng)優(yōu)化模型并進(jìn)行了求解。2011年，郭江等[4]建立了塔二聯(lián)稠油摻烯集輸系統(tǒng)的優(yōu)化模型，并進(jìn)行了相關(guān)迭代計(jì)算，求解得出了井口最優(yōu)摻烯量及最優(yōu)摻烯溫度，從而實(shí)現(xiàn)了降低集油能耗、提高能量利用效率的目標(biāo)。2016年，許曉明等[5]綜合考慮了多級(jí)星式管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)、生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)等多種影響因素，建立了多級(jí)星式油氣集輸系統(tǒng)模糊優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行優(yōu)化求解。

1 純梁首站運(yùn)行優(yōu)化模型的建立

1.1 純梁首站現(xiàn)狀

純梁首站是一座集油氣水綜合處置的大型油氣集中處理站，始建于1985年，原油設(shè)計(jì)處理能力為120×104t/a，原油穩(wěn)定能力為80×104t/a，目前原油處理及穩(wěn)定能力實(shí)際為80×104t/a，其工藝流程如圖1所示。

1.2 目標(biāo)函數(shù)的確定

考慮到純梁聯(lián)合站目前的生產(chǎn)狀況，以聯(lián)合站最小運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用作為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)。由于站內(nèi)各種工藝管線和設(shè)備設(shè)施均已確定，聯(lián)合站操作費(fèi)用主要包括改善脫水效果的藥劑費(fèi)用、加熱原油所需的燃料費(fèi)用以及運(yùn)行泵機(jī)組的耗電費(fèi)用。

純梁聯(lián)合站最小運(yùn)行費(fèi)用的目標(biāo)函數(shù)可以表示為

(1)

聯(lián)合站參數(shù)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)可表示為式(2)的形式。

(2)

式中，c為加藥濃度，10-3kg/m3；Q為加藥量，m3/d；Pyi為藥劑價(jià)格，元/t；m為第i臺(tái)加熱爐加熱介質(zhì)的量，kg/s；Prl為燃料價(jià)格，元/t；ΔTi為第i臺(tái)加熱爐進(jìn)出口溫差，℃；cpm為進(jìn)出口平均溫度下原油的比熱容，kJ/(kg·℃)；ηpi為第i臺(tái)加熱爐的工作效率，%；ηpi為燃料低位發(fā)熱量，kJ/kg；ηpi為泵i輸送流量，m3/s；ηpi為泵i進(jìn)出口壓差，MPa；ηpi為泵機(jī)組i效率，%；Pe為電價(jià)，元/度。

1.3 優(yōu)化變量的選取

聯(lián)合站的運(yùn)行狀態(tài)受多參數(shù)影響，優(yōu)化變量選取對(duì)聯(lián)合站運(yùn)行費(fèi)用影響最大的參數(shù)。根據(jù)上述原則及純梁首站實(shí)際情況，選取分離器的加藥濃度、沉降罐的加藥濃度及加熱爐出口溫度作為優(yōu)化變量[6]。

1.4 約束條件

根據(jù)聯(lián)合站運(yùn)行優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)確定需要滿足的約束條件分析如下：

(3)

式中，Tj為加熱爐溫度，℃；ΔT為到下一設(shè)備間的管道溫降，℃；Tmax、Tmin為下一設(shè)備的最大、最小操作溫度，℃；Pout為泵出口壓力，MPa；Pmin為流入設(shè)備進(jìn)口的最低壓力，MPa；Pf為到下一設(shè)備之間管道的摩阻損失，MPa；PMAX1,PMAX2為管道和設(shè)備的最大承壓，MPa；Pc為沉降罐的底部壓力，MPa；Pf為到下一設(shè)備間的管道摩損，MPa。

2 純梁首站優(yōu)化模型的求解算法

純梁聯(lián)合站參數(shù)優(yōu)化的主要目標(biāo)是使聯(lián)合站運(yùn)行成本最小，但由于該優(yōu)化模型中各已知約束條件和目標(biāo)函數(shù)均與工藝流程的物流及水力熱力計(jì)算有關(guān)，均為優(yōu)化變量的非線性隱函數(shù)，并且目標(biāo)函數(shù)的導(dǎo)數(shù)性質(zhì)未知，因此本文采用啟發(fā)式遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化求解。

純梁聯(lián)合站運(yùn)行優(yōu)化遺傳算法[9]求解程序框圖如圖2所示。

3 純梁首站運(yùn)行優(yōu)化計(jì)算

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

純梁聯(lián)合站對(duì)純梁采油廠梁西、梁南、梁北、371站、純東、純西等六區(qū)塊的來(lái)油進(jìn)行集中處理，待處理的油品量較大、含水率較高。外輸至史南站的原油要求水含量不得高于0.4%，原油溫度應(yīng)不低于51 ℃，壓力在1.2 MPa以上。

純梁聯(lián)合站的基本情況如表1所示。

表1 純梁首站概況

3.2 優(yōu)化結(jié)果與分析

按照純梁首站原油處理工藝流程，結(jié)合各設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的計(jì)算思路及管道水力熱力計(jì)算思路，計(jì)算聯(lián)合站最小運(yùn)行費(fèi)用所需的各參數(shù)；綜合考慮優(yōu)化模型選取的優(yōu)化變量及約束條件，并編寫相應(yīng)程序進(jìn)行求解。最終計(jì)算結(jié)果如表2所示。

純梁首站參數(shù)優(yōu)化前后的費(fèi)用對(duì)比情況如圖3所示。

表2 聯(lián)合站優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比

對(duì)純梁聯(lián)合站參數(shù)優(yōu)化前后的各項(xiàng)費(fèi)用所占比例進(jìn)行對(duì)比，具體情況如圖4所示。

由表2可看出，分離器、沉降罐加藥濃度均增加，進(jìn)站、穩(wěn)定、外輸加熱爐的出口溫度略有降低，相應(yīng)地圖3中藥劑總費(fèi)用升高，燃料費(fèi)用、電費(fèi)及年總運(yùn)行費(fèi)用降低。圖4表明運(yùn)行優(yōu)化后藥劑費(fèi)用占比增大，而電費(fèi)及燃料費(fèi)用占比縮小。因此純梁聯(lián)合站加藥量增加后，泵和加熱爐的運(yùn)行負(fù)荷降低，通過(guò)優(yōu)化調(diào)整加熱爐出口溫度參數(shù)，總運(yùn)行費(fèi)用降低。

4 結(jié)論

根據(jù)純梁聯(lián)合站的工藝流程，以最小運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)，選取分離器及沉降罐加藥濃度、進(jìn)站加熱爐和穩(wěn)定加熱爐的出口溫度為優(yōu)化變量，設(shè)立基于啟發(fā)式遺傳算法的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)優(yōu)化求解、分析計(jì)算結(jié)果可知：在藥劑費(fèi)用增加后，純梁聯(lián)合站總運(yùn)行費(fèi)用減少，由優(yōu)化前的2 273.2萬(wàn)元/a降至2 050.3萬(wàn)元/a。