原油管道安全优化运行研究

第２９卷第１期辽宁石油化工大学学报Ｖ０１．２９Ｎｏ．１２００９年３月ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＬＩＡＯＮＩＮＧＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＰＥＴＲＯＬＥＵＭ＆ＣＨＥＭＩＣＡＬＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＭａｒ．２００９

文章编号：１６７２—６９５２（２００９）０１－－００４８－－０２

原油管道安全优化运行研究

李晋１，马英利２，张静２，吴明¨

（１．辽宁石油化工大学储运与建筑工程学院，辽宁抚顺１１３００１；２．辽河油田公司油气集输公司，辽宁盘锦１２１０００）

摘要：加热输送是目前输送高粘易凝油品普遍使用的方式。热油管道在实际运行过程中ｊ管道的能耗费用主要包括输油泵的动力费用和加热炉的燃料费用。对于一条热油管道，在工艺流程、设备配置、外部环境条件等因素给定的前提下，随着工艺运行方案的变化，相应的电费与燃料费往往按相反的方向变化。建立了以各站进站温度为决策变量，以输油总能耗最小为目标函数的管道优化运行数学模型，并应用动态规划法来求解优化模型。实现了输油管道优化运行的目的，使加热原油管道系统处于安全、经济的最佳运行工况。

关键词：原油管道；数学模型；目标函数?

中图分类号：ＴＥ８１２文献标识码：Ａ

ＳａｆｅａｎｄＯｐｔｉｍａｌＲｕｎｎｉｎｇｏｆＣｒｕｄｅＯｉｌＰｉｐｅｌｉｎｅ

ＬＩＪｉｎｌ，ＭＡＹｉｎｇ—ｌｉ２，ＺＨＡＮＧＪｉｎ９２，ＷＵＭｉｎｇ¨

（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＳｔｏｒａｇｅａｎｄＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＬｉａｏｎｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ＆ＣｈｅｍｉｃａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＦｕｓｈｕｎＬｉａｏｎｉｎｇ１１３００１。Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ；２．ＬｉａｏｈｅＯｉｌｆｉｅｌｄＯｉｌａｎｄＧａｓＣｏｍｐａｎｙ，ＰａｎｊｉｎＬｉａｏｎｉｎｇ１２１０００，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）Ｒｅｃｅｉｖｅｄ３Ｎｏｖｅｍｂｅｒ２００８；ｒｅｖｉｓｅｄ１０Ｄｅｃｅｍｂｅｒ２００８；ａｃｃｅｐｔｅｄ１５Ｄｅｃｅｍｂｅｒ２００８

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｅａｔｅｄｔｒａｎｓｐｏｒｔｉｓａｃｏｍｍｏｎｗａｙｆｏｒｈｉｇｈ—ｖｉｓｃｏｓｉｔｙａｎｄｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｒｕｄｅｏｉｌ．Ｉｔｃｏｎｓｕｍｅｓｌｏｔｓｏｆｅｎｅｒｇｙｉｎｃｌｕｄｉｎｇｃｏｓｔｓｏｆｔｈｅｄｒｉｖｉｎｇｆｏｒｃｅｓｏｆｔｈｅｐｕｍｐａｎｄｆｕｅｌｃｏｓｔｓｏｆｆｕｒｎａｃｅｉｎｔｈｅｈｅａｔｅｄｏｉｌｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ．Ｆｏｒａｈｅａｔｅｄｏｉｌｐｉｐｅｌｉｎｅ，ｗｈｅｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓ，ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｅｘｔｅｒｎａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｒｅｆｉｘｅｄ，ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｎｄｆｕｅｌｃＯＳｔｗｉｌｌｃｈａｎｇｅｉｎｔｈｅｏｐｐｏｓｉｔｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｉｎａｃｃｏｒｄａｎｃｅｗｉｔｈｒｕｎｎｉｎｇｐｒｏｇｒａｍ．Ｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｓｏｆｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｎｐｉｐｉｎｇｗｅｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ｉｎｗｈｉｃｈｍｉｎｉｍｉｚｉｎｇｔｈｅｗｈｏｌｅｏｉｌｔｒａｎｓｆｅｒｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｉｓｕｓｅｄａｓｏｂｊｅｃｔｆｕｎｃｔｉｏｆｆ，ａｎｄｔｈｅｅｎｔｒａｎｃｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｅａｃｈｓｔａｔｉｏｎｗａｓｕｓｅｄａｓｄｅｃｉｓｉｏｎ－－ｍａｋｉｎｇｖａｒｉａｂｌｅ．ＤｙｎａｍｉｃｐｌａｎｎｉｎｇｗａｓｕｓｅｄｔＯｓｏｌｖｅｔｈｅｍｏｄｅｌ．Ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｉｐｅｌｉｎｅｍａｋｅｓｔｈｅｈｅａｔｅｄｏｉｌｐｉｐｅｌｉｎｅｓｙｓｔｅｍｒｕｎｓａｆｅｌｙａｎｄｅｃｏｎｏｍｉｃａｌｌｙ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｃｒｕｄｅｏｉｌｐｉｐｅｌｉｎｅ；Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌ；ｏｂｊｅｃｔｆｕｎｃｔｉｏｎ

＊Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ．Ｔｅｌ．：＋８６—４１３—６８６１８５８；ｆａｘ：＋８６—４１３—６８６０７６６；ｅ—ｍａｉｌ：ｗｕｍｉｎ９０４１３＠ｓｏｈｕ．ｃｏｒｎ

热油管道优化运行可定义为在管线系统本身的结构、流程及其外部环境条件为给定的前提下，合理制定管线的输油计划及运行方案（包括设备组合及运行参数），使之在规定期内完成给定输油任务的同时运行能耗最低ｎ］。加热输送是目前输送高粘易凝油品普遍使用的方式。热油管道加热费用占管道总能耗的比例较大，在管道运行中，降低热能损失以降低总能耗对降低输油成本、提高经济效益影响重大［２＿３］。考虑到输油管道的自身特点，可采用不同

收稿日期：２００８—１１一０３

作者简介：李晋（１９７５～），女，山西长治市，在读硕士。

基金项目：中国石油天然气总公司项目（２００８０９０７）；辽宁省自然科学基金（２００７２２０８）。

＊通讯联系人。的优化方法‘４－９］。本文以各站进站温度为决策变量，建立了以输油总能耗最小为目标函数的管道优化运行数学模型，并应用动态规划法来求解优化模型。

１数学模型

热油管道在实际运行过程中，输油费用主要包括动力费用和热力费用，动力费用就是泵站通过离心泵将原油从首站一直输送到末站所耗电力的费用，由泵站的升压值决定。热力费用指用加热炉来提高原油输送温度而耗费的燃料油费用，由加热炉的进出口温度确定。电能消耗增加，则相应的燃料油消耗减小，电能消耗减小，则相应的燃料油消耗增加，如图１所示。

第１期李晋等．原油管道安全优化运行研究４９

暑

妥ｓ

￥

《

皤

＿：曼

趣

】－／ｏＣ

图１平均输油成本与输送温度的关系

因此，热油管道稳态优化运行的目标函数表示为：

ｍｉｎＳ＝ＳＲ（Ｔｚ）＋ＳＰ（Ｑ）（１）式中，Ｓ为输油总能耗费用，元／ｄ；Ｓ。（Ｔｚ）为管道全线热力费用，元／ｄ；Ｓ，（Ｑ）为全线总动力费用，元／ｄ；Ｔｚ为进站温度，℃。

由苏霍夫温降公式可知，当输量一定时，热力费用仅与进站温度有关。已知进站温度，即可求出出站温度。因此，全线的热力费用计算如下：

ＳＲ（Ｔｚ）一乏：［Ｇｃ（Ｔ融一Ｔｚ：）Ｅｆ／（研ＢＨ）］（２）

‘ｉ。。。＝。——１

式中，ｉ为热站号；竹为热站数；Ｇ为日输原油质量，ｋｇ／ｄ；Ｃ为原油热容，Ｊ／（ｋｇ?℃）；Ｔ融为ｉ第站出站温度，Ｋ；Ｔｚ；为第ｉ站进站温度，℃；Ｅｔ为燃料油价格，元／ｋｇ；研为加热炉效率；ＢＨ为燃料油热值，Ｊ／ｋｇ。

每站动力费用计算如下：

ｓ期）＝业等焉型（３）

式中，歹为泵的序号；ｋ为泵站序号；Ｓ砸（Ｑ）为第ｋ站所耗的动力费用，元／ｄ；Ｅ，为电力价格，元／（ｋＷ?ｈ）；Ｈ为管道摩阻损失，ｍ；叩为泵的效率。

在输油量为定值的情况下，全线总动力费用由式（４）求出，即为各站动力费用的累加。

Ｓｒ（Ｑ）＝Ｓ。，（Ｑ）＋Ｓ。２（Ｑ）＋…＋Ｓ。（Ｑ）（４）式中，Ｓｒ（Ｑ）为全线总动力费用，元／ｄ；Ｓ。（Ｑ）（咒＝１，２，３，…）为各站的动力费用，元／ｄ。

按压力、温度、泵特性分类的约束条件为：

进站压力约束：Ｐｚｉ≥ＰＹ岫（５）出站压力约束：Ｐｍ≤ｐｍＩ（６）进站温度约束：Ｔ：ｉ≥磅“（７）出站温度约束：ＴＲ；≤瑶‘（８）翻越点压力约束：Ｐ。≥０（９）泵站特性约束：Ｈｍｘ—Ａ；一Ｂ，Ｑ２一（１０）加热炉特性约束：△Ｔｆ—Ｓ矗／（ＧＣ）?（１１）式中，Ｐ五为第ｉ站进站压力，Ｐａ；ＰＰｈ为第ｉ站允许最低进站压力，Ｐａ；Ｐ砧为第ｉ站出站压力，Ｐａ；户Ｐ１为第ｉ站允许最高出站压力，Ｐａ；Ｐ耐为距第ｉ站优千米处管线压力，Ｐａ；Ｈｍｘ为第ｉ站的泵站最高升压值，Ｐａ；Ａ；，Ｂ；为第ｉ站泵站系数；Ｑ为体积流量，ｍ３；ｍ为原油流态系数；Ｔｚ，为第ｉ站进站温度，℃；矸ｍ为第ｉ站允许最低进站温度，℃；Ｔ。ｉ为第ｉ站出站温度，℃；口１为第ｉ站允许最高出站温度，℃；△Ｔ；为第ｉ站最大升温值，℃；ＳＴ。为第ｉ站加热炉有效热负荷，ｋｗ。

２模型的求解

求解步骤如下：

①令首站出站温度为Ｔ刚一硝“。

②根据首站进出站温度差，计算首站热力费用ＳＲ，，计算首站一中间站间的阻力损失，从而计算出ＴＲ。下的首站最优开泵方案及相应动力费用Ｓ。。，将热力费用和动力费用相加作为首站的总费用Ｓ。。

③根据首站出站温度矗。计算中间站进站温度Ｔｚ。，根据中间站进站温度，计算中间站在不同出站温度情况下的动力费用和热力费用并得到总能耗费用，从总能耗费用中搜索出最小的一个作为首站出

站温度丁ｎ－（即中间站进站温度Ｔｚ，）下的中间站最优开泵方案和中间站出站温度％，如图２所示。

首站中间站末站

图２首站、中间站出站温度示意图

④将首站的总费用和中间站的总费用相加，作为首站出站温度为ＴＲ，下的管道全线最优能耗。

⑤令首站出站温度为ＴＲ，一ＴＲ。＋Ｌ。。若Ｒ，≤焉。，重复步骤②，否则转步骤⑥。

⑥遍历所有的Ｒ。（计算过程中删去不符合约束条件的方案），得到不同的总能耗费用，从这所有能耗费用中搜索出最小的即为最优解［７＿８］，对应的各站开泵方案和进站温度即为最优开泵方案和最优进站温度，如图３所示。

（下转第５３页）

第１期管建军．高斯热源模型中单元尺寸与精度关系５３

参考文献

Ｅ１３张建强，赵海燕，吴延，等．焊接过程三维应力变形数值模拟研究进展ＥＪ］．焊接学报，２００３，２４（５）：９１—９６．

１－２３孟庆国，方洪渊，杨建国，等．多道焊温度场数值模拟及其分布规律的研究ＥＪ３．机械工程学报，２００５，４１（１）：１２４—１２８．１－３２郭庆，蒋万青．激光焊接温度场数值模拟［Ｊ］．航空维修与工程，２００４（５）：２８—２９．

Ｅ４３董志波，魏艳红，刘仁培，等．不锈钢焊接温度场的三维数值模ｓ＊ＥＪ３．焊接学报，２００４，２５（２）：９—１４．

Ｅ５３肖永恒，胡传顺，周旭辉．电子束焊温度场的研究现状与发展趋势Ｉ－Ｊ３．石油化工高等学校学报，２００２，１５（２）：５２—５５．

１－５３武传松．焊接热过程数值分析［Ｍ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，１９９０．

１－７３王勖成，邵敏．有限单元法基本原理和数值方法Ｉ－Ｍ］．２版．北京：清华大学出版社，１９９５．

Ｅ８３许渡，刘征．Ｍａｔｌａｂ工程数学应用ＥＭ］．北京：清华大学出版社，２０００．

（Ｅｄ．：ＺＷ，Ｚ）

（上接第４９页）

３计算实例

以沈抚输油管道２００７年运行数据为例，进行管道优化运行方案设计。全线分３座输油站，分别为首站、中间站和末站。全长６４．４ｋｍ，管径为夺２１９ｍｍＸ６ｍｍ。首站油品迸站温度６２℃，出站温度７２．２℃，出站压力２．９ＭＰａ，出站排量１５９ｍ３／ｈ，中间站油品进站温度６４．１℃，出站温度６９℃，进站压力０．０４ＭＰａ，出站压力３．１４ＭＰａ，末站油品进站温度５７．６℃，进站压力０．３２ＭＰａ。根据沈抚线运行数据对实际运行费用与优化运行费用的结果进行比较，计算结果见表１。

表１实际运行费用与优化运行费用比较万．，－Ｌ／ｄ

从比较结果可以看出，优化运行后，由于首站出站温度比优化前运行温度高，油品温度增加，从而管道摩阻损失降低，相应的热力费用增加，所以造成首站优化费用增加。但由于中间站优化费用减少的量超过首站优化费用增加的量，因此总费用还是减少的，节能降耗率为１３．６％。用该方案优化后每年可节省费用４３．４３５万元，经济效益可观。

参考文献

１－１３昊长春．热油管道的优化运行ＥＪ３．石油规划设计，１９９４，５（２）：４８—４９．

１－２３杨筱蘅，张国忠．输油管道设计与管理［Ｍ］．山东：石油大学出版社，２００４．

１－３３孟振虎．原油管道热运行分析１－Ｊ３．管道技术与设备，２００５（６）：５—８．

［４３齐晗兵．海底输油管道安全停输实验１－Ｊ３．油气田地面工程，２００７，２６（６）：１８—１９．

ｒ－ｓ］孟振虎，陈毅忠，马平．输油管线运行优化实用分析ＥＪ］．油气储运，２００２，２１（４）：９—１３．

１－５３易大义．数值方法１．Ｍ３．北京：科学技术出版社，１９８４．

Ｅ７３薛嘉庆．最优化原理与方ｍＥＭ；．北京：冶金工业出版社，１９９５．

１－８３刘杨．用动态规划方法计算泵一管系统最优化设计ＥＪ３．国外油田工程。１９９４，１０（１）：４７—５１．

１－９３李晋，吴明．埋地热油管线间歇输送技术研究［－Ｊ３．辽宁石油化工大学学报，２００８，２８（３）：３５—３７．

（Ｅｄ．：ＺＷ，Ｚ）