（石油与天然气工程专业论文）长庆采一张渠王窑输油管线运行优化研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 长庆采一张渠一王窑输油管线运行优化研究 石油与天然气工程 黄致平( 签名) 何光渝( 签名) 摘要 长距离输油管线建设的规模大、投资多，往往是国家的重点工程。如何对长输管道 进行优化设计，从而减少运行费用，还需要继续探索和改进。本文介绍了国内外输油管 道优化的现状和发展趋势。对于现役的热油管道，其输油计划已定，输油能耗主要包括 加热炉的燃料费用和输油泵的动力费用。在保证安全及时完成输油任务的前提下，如何 使输油总能耗达到最小，对于降低企业输油成本具有非常重要的意义。本文以降低输油 成本为目的，以热力费用与动力费用之和作为目标函数，根据原油长输工艺理论和最优 化设计原理，建立了长输热油管道优化运行模型，并采用动态规划法来求解。综合考虑 了各种约束条件，包括：热力约束、水力约束、泵特性约束。在热油管道工艺计算时考 虑了摩擦生热影响，以便提高计算精度。用根据所建模型编制的相应软件进行计算，为 热油管道长距离优化输送提供了决策性的依据。 关键词：优化；管道输送；能耗；动态规划算法 s u b j e c t ： s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： t h eo p t i m a l o p e r a t i o nr e s e a r c h 。ft h et r a n s m i s s i 。np i p e l i n ei nc h a n g q i n g o i lf i e l df i r s to i lp r o d u c t i o np l a n t o i la n dn a t u r a lg a s e n g i n e e r i n g h u a n gz h i p i n g ( s i g n h e g u a n g y u ( s i g n a a b s t r a c t l 娩c o n s t m c n o no fl o n gd i s t a n c e p i p e l i n ei sl a r g ei ns c a l ea n dh i g hi ni n v e s t m e n t s o i t 1 so f t e nt h ec o u 唧“k e yp r o j e c t s i ti sw o r t h e x p l o r i n ga n di m p r o v i n gt od e c r e a s ep i p e l j l l e s b u l j dl n v e s t m e n ia n do p e r a t i n gf e e b yo p t i m a ld e s i g n t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h ea c t u a l i t va n d d e v e l o p m e n to fw o r l d w i d eo i la n dg a sp i p e l i n e f o rt h ea c t i v e s e r v i c e p i p e l i n ew h o s e t r a u f l s p o n a t i o np l a ni sf i x e d ，t h ec o s to f t r a n s p o r t i n go i lc o n s i s t so fp o w e r c o n s u m p t i o nc o s to f o i lp u m pa n df u e lc o s to ff i r ef u r n a c e i ti s i m p o r t a n tf o r 蛐t e 印一s et od e c r e a t h ec o s to f 蚴1 s p o n i n g0 i lu n d e rt h ep r e m i s eo f a c c o m p l i s h i n gs a f e l ya n dt i m e l yt r a n s p o r t i n gt a s ka n d m 豳n gt h et o t a lc o n s u m p t i o nm i n i m a l i no r d e r t od e c r e a s et h et 瑚s p o r c o 瓯t h i s a r t i c l et a k e t h em 蛐m a l 叭mo ft h e r m a le n e r g yc o n s u m p t i o na n dp o w e r c o n s u m p t i o n 勰t h e0 b i e c t i v e 士u n c t l o n 舭o r d l n gt 0p r o c e s sc r u d eo i lc o n s t a n to p t i m i z a t i o nt h e o r ya n d d e s i g np r i n c i p l e s ，a m n n m gm o d e lo fl o n g - d i s t a n c eh e a t e dc r u d eo i l p i p e l i n ei se s t a b l i s b e d d v n 砌c p r 0 鲫m m gm e t h o di su s e dt os o l v et h em o d e l r o u n d l yc o n s i d e rm a n yk i n d so f c o n s t r a i n t ， 1 n c l u d i n g ：t h e r m a lc o n s t r a i n t , h y d r a u l i cc o n s t r a i n sa n dp u m p 。sp e r f o r m a n c ec o n s t r a j n t h o m e rt o1 m p r o v et h ec a l c u l a t ed e f i n i t i o n , t h ea f f e c t i o n so f f i c t i o n a lh e a ta n dt h i c k n e s so fw 觚 d e p o s l t l o na r ec o n s i d e r e d t op r o v i d ea d e c i s i o n - m a k i n gb a s i cf o ro p t i m i z i n gt r a n s m i s s i o no f l o n gd i s t 孤c eh e a t e dc r u d eo i lp i p e l i n e ，ac o r r e s p o n d i n gs o f t w a r eb a s e do no p t i m a lm o d e l i s k q 唧。r d s ：o p t i m i z a t i o n ；p i p e l i n e t r a n s p 。r t a t i o n ；e n e r g yc 。n s 岫p t i 。n ；d y n 锄i c p r o g r a m m i n ga l g o r i t h m 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：堑堡兰 日期：刃z 矽 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 日期： 知7 矽 日期：矽星胗 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1问题的提出及研究的意义 输油管线是石油化工行业的命脉，是国民经济的重要组成部分。它的运行管理涉及到 国家政治、经济、社会、技术、安全及生态环境等多方面的大型系统工程。 随着我国经济的高速发展，对原油的需求越来越大，多条长距离、跨国境的输油管道 相继建成，在未来1 0 年内，我国将新建原油管道约6 5 0 0 k m ，原油管道总长度将达到约 2 0 0 0 0 k r n ，管道总输油能力将达到约5 0 0 0 0 x l o 4 f f a ，最终形成覆盖东、西部大部分炼化 企业的大型综合性原油调运系统，形成纵贯东西部的大型原油干线网络，以确保我国炼化 企业原油资源。面对如此巨大的管道建设，管道的优化运行，节能降耗，实现管道运行的 可持续发展就具有极其重要的意义。 因此，如何才能实现管道的安全运行、低耗、节能、保护环境、提高系统的经济效益， 这是科研攻关和运行管理的大目标。输油管道优化运行解决的正是这一问题，在确保完成 输油任务的前提下尽可能降低输油能耗，寻求最优、最经济的输送方案。 输油管道优化运行就是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，使之在规定期内完成给定输油任务的同时运行 费用最低。 为此需选择科学先进的优化决策方法，对管线运营费用的各个分项进行分析评价，从 中找出差距，指明改进方向，为提高管线的经济效益，提供科学依据，从而达到管线整体 优化运行之目的。 可见，输油管道优化运行方案研究是一个很有潜力的发展方向，对输油管道优化运行 进行研究具有重大的现实意义。 本课题“长庆油田第一采油厂管线运行优化研究”是一个结合实际的研究题目，即需深 入现场了解长庆油田第一采油厂管道运行地真实情况，采集并利用现场数据进行管道优化 研究。通过建立输油管道稳态优化运行模型，结合恰当的优化算法，利用输油管道优化运 行软件对长庆油田采一管线进行优化计算，根据计算结果进行分析，然后确定管线的合理 运行参数，达到节能降耗的目的。 1 2 输油管道优化运行研究发展概况 1 2 1 国外发展概况 长输管道的优化设计研究一直是一个备受关注的课题，国外较早提出了热油管道最优 化的概念，并进行了早期的工艺优化研究。国外的研究主要侧重于等温输油管道或成品油 顺序输送管道。 早在2 0 世纪5 0 年代，苏联学者切尔尼金就提出了热油管道“最优加热温度”这一概 念。他针对当时采用的往复泵工艺流程，流型为牛顿流的热油管线，用微分法导出了确定 西安石油大学硕士学位论文 最优出站各参数的关系式。 2 0 世纪6 0 年代初，美国壳牌石油公司的杰斐逊将动态规划法用于等温密闭输油管道 的站间压力分配，随后又提出隐枚举法确定站内最优泵组合。这是外国学者早期在管输领 域内从理论上对优化运行所做出的贡献。在国外油气动力系统中，有不少是采用热机( 如 蒸汽机、燃气轮机等) 作为原动力的。为使油气管道中的泵和压缩机运转，每年用于燃料 的费用是很可观的。因此，不少管道公司开始对压缩机站和泵站的燃料消耗进行了最优化 研究。 2 0 世纪7 0 年代，r o h t a f f b 等人( 美) 针对近海管线系统，发展了一种合并技术，可 以剔除那些不经济的直径组合和网格而无需枚举，使可能的直径搭配树与节点树之间大体 呈线性关系而不是按指数规律增加，为采用动态规划进行最优化提供了一种有效的手段 3 1 。f l a n i g n a ( 美) 用约束最速下降法对管径和压缩机的功率进行优化，同时满足若干非 线性约束条件，但没有对压缩机站的数目及位置进行优化，也没有考虑不等式约束 4 1 。 c h e e s m e n a ( 美) 报道了一个用坐标轮换法寻优以使费用最小的管道优化设计软件的应用 情况，尽管坐标轮换法效率不是很高，但仍能使设计费用减少3 0 ，设计质量也得到了 显著提高【5 】。m a r t c h 和m c c a l l ( 美) 在压缩机站的数目与位置及各管段直径都是预先给定 的条件下，采用动态规划法对一个管网各点的压力进行优化。e d g a r ( 美) 等人用广义简约 梯度法对天然气管道系统的设计进行了最优化，这一高效而有力的算法使得对所有设计变 量同时优化第一次成为可能。b h a s k a r a r i 等人研究了天然气集输管网的优化设计，将这样 一个系统的设计问题分为系统布局子问题、节点位置子问题和直径分布布局子问题。他们 只解决了直径分派子问题，方法是在给定管网布局下，用线性规划方法来选定各连接管段 的直径，使管网的总费用最小，但是在模型中，没有考虑压缩机站的位置。 2 0 世纪8 0 年代，o s l l m n a 和m u r t a h g 发展了一种算法，用大系统优化程序m n i o s 对给定的具有树形结构的管网系统的压缩机站数目、压力和管径进行了优化。该程序只能 处理线性约束的非线性最优化问题，且管径的优化结果只能以“连续”的形式给出。b h a d u r 和t a l a c h i 用大量的非线性约束条件来表征天然气管线系统的运行，并用非线性算法广义 几何规格法和广义简约梯度法优化设计诸如管径、壁厚、压缩机站数。 进入2 0 世纪9 0 年代，r b o e n i 等人针对管道优化设计目标函数和约束条件的非线性 提出了一系列的b e l l m n e 动态规划改进方法，对管径、最大允许工作压力进行了优化。 b c 天然气公司开发了一种优化模型，以确定其供气远期规划和近期作业表。这种模型采 用线性规划法，用二进制变量求解供气酌减量，模型远期规划部分考虑一到二十年供气， 近期部分则只考虑当年供气。该优化模型能较好的调整管道输气近期和远期目标间的矛 盾。 2 0 0 0 年，m n o o t y a s j 采用遗传算法( g a ) 设计天然气输送管道，对管道大小尺寸、操 作条件进行了优化，减少了很多管线直径的计算量，使投资减少【6 j 。 以上研究成果在对油气管道进行优化的时候，大都把输量看作定值或者没有考虑管道 2 第一章绪论 输量变化对管道设计或运行的影响，因此在实际应用中仍存在一定的局限性。 1 2 2 国内发展概况 国内对油气管道系统的优化设计研究起步较晚，广大石油工作者在我国生产实践基础 上，借鉴外国同行已有的研究成果，不断改进和创新，取得了可喜的进展。油气长输管道 属于一个大的系统工程，对油气管道的优化设计不仅要追求具体的单个设计参数的最优， 还应该从整体方面考虑，合理组合各设计参数，使整个管道系统最优。 1 9 8 3 年，吴长春、张国忠、严大凡建立了热含蜡原油管道经济运行数学模型，文中 提出在用黄金分割法求解经济进站温度的基础上，确定泵站的经济调速比及全线各站的最 佳压力分配l r ，j 。 1 9 8 6 年起，东北输油管理局与华东石油学院对铁秦线输油优化运行进行了协作研究。 1 9 9 1 年吴立峰建立了热含蜡原油管道系统优化设计模型，对输油管道系统进行整体 优化设计，针对模型含有非线性混合离散变量的特点，采用混合离散变量复合型法，避免 了对目标函数的求导【引。 1 9 9 2 年，蒲家宁运用动态规划原理，针对密闭输送工艺，阐述了长输管道优化的分 析与计算网。 ， 1 9 9 3 年汪玉春提出将几何规划法和灰色关联分析法结合用于输气干线的设计。提出 管道设计不仅要考虑折合费用大小，而且还要考虑各项费用和工艺参数是否最佳，该方法 计算结果能较全面地反映方案优劣【l o l 。 1 9 9 4 年王为民从管线投资年分摊费用和运行费用最小出发，将工程计算和经济分析 结合起来，采用有限枚举法求解输油管道优化设计模型【1 1 l 。 1 9 9 6 年，肖芳淳运用模糊物元局势决策方法，对油气管道多目标设计方案进行评价、 优选。该方法既可以定性分析，又可以定量计算【1 2 l 。董正远教授在比较全面的考虑影响 管道总费用各项因素基础上，将所用费用折算为设备寿命末年的折算费用，并以此为目标 函数，提出了一个比较全面、合理的管道优化设计经济模型【1 3 1 。 1 9 9 9 年，张信荣等以东辛含硫管道为例，提出了一种新模型，既可用于寻求最优运 行参数又可指导最优改造方案【1 4 1 。 2 0 0 0 年，安家荣在对长距离输油管道设计过程分析的基础上，开发了长距离输油管 道设计软件l o p d c ，该软件可以完成最优管径比选择、输油站站址确定与调整、主要设 备选型、设计方案经济评价等，软件功能完善，操作可靠【l 那。 2 0 0 2 年，刘武采用层次分析法建立了设计方案优选指标体系及结构模型，从多因素、 定量与定性结合的角度来确定最优方案【1 6 l 。 2 0 0 3 年，黄善波等人采用模拟退火算法对热力管线模型进行优化求解，其计算结果 表明模拟退火算法在解管线模型时，方法简单，速度快，且对初始点的依赖性不强，能够 避免过早的局部收敛，而且该算法不用求导，不足的是只对管径和保温层厚度两个变量进 行优化【1 7 1 。聂廷哲在管道设计方案的优选中应用了模糊决策方法，综合考虑工程设计的 3 西安石油大学硕士学位论文 实际问题，将影响设计方案的因素作为模糊量，赋予不同的权重，通过模糊关系运算，从 而确定优选方案，为工程设计提供了理论依据和新方法【l s l 。严宏东把混沌算法和离散变 量复合型法【1 9 1 结合对热含蜡原油管道优化设计，得到比单一的混沌算法和单一复合型算 法更好的优化结果【2 0 】。 2 0 0 4 年，高松竹对输油管道的优化运行进行了研究，采用模拟退火算法和遗传算法 相结合，使得算法能快速搜索、易收敛，计算得到的动力消耗费用比动态规划法大大减少 2 1 l o 2 0 0 5 年，将仕章、蒲家宁给出了表述油品“界面”处于管道某特殊点时全线压能平衡 方程和各校核点动压的通用计算公式。根据格拉管道改造方案，以寻求最大输量为目标，对 其进行了工况运行优化研究。在寻求最优调节方案时，采用了上游调节优先，先停运泵机组、 后分配节流压力的方法。 对于油气管道的管径，朱琦首先提出了经济管径的概念，用总折合费用最小来确定经 济管径，并给出了经济数学模型 2 0 1 。杨超玉认为以往经济管径的计算，大多是孤立考虑 管道的能量损失和管道投资，实际上管道和机泵是一个有机整体，如果单纯考虑管道能量 损失和管道投资可能得到的不是最佳结果，将管道和机泵综合考虑更具有意义【2 1 1 。 对于保温层厚度，吴明根据伴热输油管传热特征，结合热平衡方程建立了求解保温层 经济厚度的数学模型，并采用0 6 1 8 法求解，为保温层优化提供了思路瞄1 。吴善久对输油 管道保温层材料的选择，在输油管道优化设计中具有很好的借鉴意义 2 3 1 。 对于输油温度，以节能降耗为目的，徐严波建立了输油管道优化模型，采用了m d c p 法对输油管道各加热站温度进行优化计算，减少了管道运行费用 2 4 1 。肖北梅从生产实际 出发，得出了不同介质温度条件下的输油管道起点温度的计算方法，大大降低了能源消耗 2 5 1 o 以上这些研究成果一定程度上降低了设计费用，提高了设计结果的准确性。但一也存 在着一些缺陷，如对油气管道系统的优化多数是在给定输量的前提下进行的。 1 3 最优化设计概述 1 3 1 最优化设计方法的特点 优化问题( o p t i m a lp r o b l e m ) 就是追求优化目标( o p t i m a lo b j e c t ) 的问题，达到优化目标 的方案就是优化方案( o p t i m a ls o l u t i o n ) 。搜寻优化方案的方法就是优化方法( o p t i m a l m e t h o d ) 。优化方法是一种新兴的应用性很强的方法，第二次世界大战后，由于经济、军 事、科技等领域的迫切需要以及运筹学、控制论、系统工程、计算机技术的发展，为优化 方法的迅速发展提供了理论上和手段上的基础条件。现在，它已逐步成为各行业不可缺少 的重要技术。管道工程领域中存在着大量的优化问题需要应用优化方法加以解决。 优化问题主要包括两部分内容，一是优化问题的建模技术：另一是优化问题的求解技 术。如何将一个实际的问题抽象成一个优化问题，并建立起符合实际要求的优化运行数学 4 第一章绪论 模型，这是优化技术的关键。建立实际问题的优化数学模型，不仅需要掌握优化方法的基 本理论，更重要的是要对该领域有很好的认识和理解。 输油管线优化运行是优化方法在管输领域的具体应用。其基本思想是，以能耗费用为 目标函数，建立输油管线优化运行的数学模型，然后采用优化方法和计算机技术自动找出 最优的输油管线运行方案。 1 3 2 最优化设计的数学模型 把一个复杂的工程系统抽象成数学模型时，设计者常常面临多种可供选择的数学模 型，恰当地选择数学模型是一个至关重要的问题。较理想的数学模型应尽可能准确的反映 工程实际问题，同时又便于处理。 最优化问题可分为定性和定量两类。定性的优化问题是指不能用数量关系表示的决策 或策略。定量的优化问题是指能用数量关系描述的最优化问题。对这类的优化问题，通常 的做法是建立数学模型并求其解。 优化设计模型由设计变量、目标函数和约束条件三要素组成。 对于已投产运行的输油管道，其设备、管长、站间距等已确定，只能对运行参数进行 优化，如进出站温度、泵站组合等。最初建立的都是线性稳态模型。后来，石油大学( 北 京) 的吴长春、严大凡等考虑了油品的温度沿管线真实分布及热机和泵效率的影响，建立 了包含沿线泵组合与管路的最优匹配和输油温度的最优化两级子问题的动态规划数学模 型，该模型适合于我国大多数输油管道，并开发了热油管道优化运行多功能通用软件 h o p o p t l 2 6 1 。 1 9 9 6 年西安石油大学的董正远等给出了原油热输管道最优运行的一个新的经济模 型。该模型全面考虑了原油温度沿管线的真实分布对原油热力特性和流体动力特性的影响 以及输量对泵效的影响因素。实例计算表明，该模型对影响因素反应比较全面，准确，收 敛速度也比较快，数值稳定性比较好并使计算的泵效值始终等于实际的泵效值匹丌。 1 9 9 8 年，张增强等建立了秦京输油管道优化运行的动态规划数学模型，把全线总压 头和全线总热负荷在各站间进行了最优分配，提出了一种二维动态规划求解方法，在求解 时用逐次逼近法降维，这种方法既充分考虑到了输油管道的特点又兼顾了数学上的严密 性。 2 0 0 3 年西南石油学院的徐严波等在考虑了输油管道运行费用的影响因素和安全运行 的前提下，建立了输油管道运行费用的数学模型，采用离散变量组合型优化方法对输油管 道运行费用随输量、土壤温度、结蜡层温度、油价、电价、泵效率、热机效率的变化规律 进行了模拟计算。 2 0 0 4 年清华大学的王艳峰等提出了一种新型的模型，该模型具有设计变量少、约束 条件少而且简单的特点，提高了优化速度。对优化算法进行了改进，使得优化结果为全局 最优解，并采用了一种改进的针对混合离散优化的算法。 2 0 0 5 年重庆科技学院的张其敏等考虑约束条件中的模糊信息( 如管道强度、稳定性、 5 西安石油大学硕士学位论文 雷诺数等约束条件) ，建立天然气管道模糊优化设计模型，并通过最优水平截集法转化为 普通优化模型，利用混合离散变量法进行求解。通过算例分析证明，与常规设计相比，模 糊优化设计更符合工程实际，并能降低管输成本。 1 3 3 优化算法设计 在工程上经常会遇到复杂问题不能简单地分解成几个子问题，而会分解出一系列的子 问题。简单地采用把大问题分解成子问题，并综合子问题的解导出大问题的解的方法，问 题求解耗时会按问题规模呈幂级数增加。为了节约重复求相同子问题的时间，引入一个数 组，不管它们是否对最终解有用，把所有子问题的解存于该数组中，这就是动态规划法所 采用的基本方法。 在研究热油管道优化问题的过程中，有两部分问题：一是所需动力引起的开泵台数问 题：另一个是在满足各项约束的前提下，降低各站出站温度，进而降低热力费用。那么为 了对输油管道运行进行优化，就可以应用动态规划法解决这个问题。 1 3 4 应用最优化技术需注意的问题 ( 1 ) 能用简单模型的问题不要建立复杂的模型： ( 2 ) 优化过程中建立的数学模型是基于假设的基础上，只是对真实系统在一定程度上的 近似和模拟。求解手段也具有近似性，所得的结果也是相对的，可供最后参考。最优化技 术有自己的特点和适用条件，既不能把它的作用绝对化，又要充分利用它的长处； ( 3 ) 优化是多层次的。一般来说，方案优化是高层次优化，参数优化是为了完成预定的 方案。油气田地面工程优化设计中既有大的方案优化，又有某一种设备的优化； ( 4 ) 最优化技术的应用应该是人类智能和机器智能的结合。优化模型不能代替人的决策。 既要利用数学理论和计算机辅助设计，又要结合专家的实践经验，充分发挥人的主观能动 性，进行综合比选，从而最终确定优化方案。 1 4 本文研究的主要内容 通过对优化方法的特点与分类的归纳总结和原油管道优化运行、优化设计技术发展状 况的综述，本章对原油管道设计方案优化的研究内容有了清晰的概念并明确了本文的研究 方向： ( 1 ) 加热输送原油管道工艺水力计算数学模型创建的研究： ( 2 ) 加热输送原油管道优化设计数学模型建立的研究； ( 3 ) 加热输送原油管道优化设计数学模型求解方法研究； ( 4 ) 加热输送原油管道设计方案优选系统研究。 1 5 小结 本章阐述原油管道设计方案优化研究的目的在于：在输油管道工程规划设计中合理、 快速地选择工艺参数和经济指标，从众多可行的设计方案中寻找出既能满足工程设计要 6 第一章绪论 求，又能降低工程投资、运行成本的“最优”或“次优”设计方案。实现输油管道的最优化设 计、设计方案的整体评价及输油管道设计方案优选的自动化走在信息化数字化时代的前 列，更新管道设计观念和模式，缩短设计周期、提高设计质量、提高经济效益和社会效益。 通过国内外加热输送原油管道优化运行、优化设计技术发展状况的综述表明：国内外 加热输送原油管道优化运行还没有一个统一的、最优的方法：原油管道优化设计的求解方 法主要是网格法、复合形法、动态规划法等：管道设计方案评价的方法主要是模糊评价和 灰色关联评价。 7 西安石油大学硕士学位论文 第二章运行效率优化的数学模型 数学模型的建立是加剂原油管道优化设计研究的基础。其中一部分模型依赖于物理原 理、技术经济原理建立相关费用与设计变量的函数关系，而另一部分模型的建立则依赖于 生产、实验中大量有规律的观测数据，通过观测数据，建立数学模型。 2 1 优化的数学模型 2 1 1 优化对象、内容与优化前提 我国国产原油含蜡量一般较高，尤其是在油田开发后期更是如此。对于这类原油一般 采用加热输送工艺。加热输送的目的是降低原油粘度，减小摩阻损失。而新的输送如工艺 如热处理输送工艺、添加化学剂( 降凝剂、减阻剂) 输送、水力输送、稀释输送等，在管 输含蜡原油实践中取得了长足的进步。但这些新型工艺尚有待完善，且有各自特定的研究 范围。就目前而言，加热输送工艺仍是管输含蜡原油的一种可靠的方法。 油品的物性是随温度变化的，在计算管路中的压降损失、水力坡降、管路沿程温降变 化时都要用到原油的粘度和热容，而粘度和热容又是温度的函数，因此，在建立数学模型 前，必须确定原油粘度与温度、原油热容与温度的函数关系。 温度对原油粘度的影响很大，温度升高，粘度减小，压降损失也减小，因此，粘度计 算的准确性直接影响压降计算的准确性。但迄今为止没有比较理想的反应粘度与温度关系 的数学公式。关于原油的粘温特性，国内外曾经进行了大量的研究、测定工作，普遍认为， 由于原油的粘度在很大程度上决定于其化学成分，故粘温关系的理论公式的实际意义是有 限的。大都是在试验室测定的基础上，总结经验公式。液体的粘度与温度的关系很大，与 压力之间的关系较小。下列经验公式可用于粘温关系的解析描述： 当温度在1 8 度以下l g 动力粘度_ 3 1 4 3 9 0 0 9 3 6 8 t 当温度在1 8 度以上l g 动力粘度= 1 6 8 9 9 5 o 0 1 5 2 8 t 本研究以埋地的原油加热保温输送管道作为研究对象，研究内容为热油管道运行优化 设计。 一条热油管道系统由管线、保温层、泵站、加热站等主要部分组成。 为简化分析，在不影响结论原则性的前提下，对于热油管道优化分析做出如下假设： ( 1 ) 管道处于稳定工作状态中； ( 2 ) 站间管路沿线的地理地质条件相同； ( 3 ) 采用密闭输送流程； ( 4 ) 输油泵统一采用电动机驱动，加热炉采用燃油直接加热。 影响热油管道系统总费用的参数概括起来可分为三种类型： 第一类：可供选择的基础参数，如管径、壁厚、管材规格、涂覆保温层厚度、加热站 数、加热站的进出站温度、加热炉型号、泵站数、各站输油泵的数目等。 8 第二章运行效率优化的数学模型 第二类：随第一类参数变化而变化的参数，如原油的某些物性参数( 运动粘度、比热、 密度和流变特性等) 。另外，管道的总传热系数，总摩阻损失、管线的结蜡厚度等也随管 径、管道埋深、原油加热输送温度的变化而变化。 第三类：不取决于设计者意志的独立参数，如管路沿线的水文地理条件、土壤温度、 管线总长、起终点高差、燃料的热值、燃料和电力的价格因素等等。 显然，优化变量只能在基本参数中选择。如前所述，管线优化运行中的目标是在完成 规定输量并满足一定约束条件的情况下，寻求最佳的设计方案，使得系统的费用降到最小。 本研究所涉及的长庆油田第一采油厂的热油输送管道是早已建成的热油管道，其管路 走向、管路长度、管径、管线的高程、输送油品的物性、沿线的集输站布置等均己确定。 这类管线系统运行时的摩阻损失与流量的关系，均随管线的热力工况的不同而变化。 根据以上的综合考虑，在开展运行效率评价研究时，选择出站温度和出站压力作为优 化变量，并将优化结果与目前运行参数进行比较，得出优化运行结论。 2 1 2 优化目标函数的确定 输油管道由于距离长、输量大，建成投产后全年连续运行，每年的运营费用( 主要是 热力费用和动力费用) 都很大。因此可以用管道系统的运行费用作为评价输油管道经济性 的指标，即选取输油管道一天的运营费用作为目标函数，e p - s=墨+s，(2-1) 式中弘为管道运行的总费用，元( t k m ) ； & 一为管道运行的热力费用，元( t k m ) ； 品一为管道运行的动力费用，元_ d ( t - k m ) 。 ( 1 ) 热力费用： 鼠：! ! 墨二垦! 土( 2 2 ) l rr b h 式中熟力费用，( 元a k n l ) ： 卜热容，( j ( k g 。k ) ) ； 珏一出站温度，( ) ： 您一进站温度，( ) ； e ，广_ 燃料油价格，( 元t ) ： 搬一加热炉效率，( ) ； 晚r - 燃料油热值，( k j k g ) 。 ( 2 ) 动力费用 s 。：2 7 2 3 e a h 1 0 3( 2 3 ) ，7 雕 式中p 广电价，( 元k w - h ) ； 删间管段所需压头，( m ) ； 刁弹泵的效率，。 9 西安石油大学硕士学位论文 2 1 3 优化约束条件的确定 约束条件是就工程设计本身而提出的对设计变量取值范围的限制条件和目标函数一 样，约束条件也是设计变量的可计算函数。 为保证热油管道的安全运行，必须对加热站的进、出站温度和管线压力有一定的限制。 ( 1 ) 对出站温度的的限制 考虑到原油难免含水，故其加热温度一般不宜超过1 0 0 c 。如原油为加热后进泵，则 其加热温度不应超过其初馏点，以免影响泵的吸入。含蜡原油往往在凝点附近粘温曲线较 陡，而当温度高于凝点3 0 - 4 0 以上时，粘度随温度变化较小。由于热含蜡原油管道常处 在紊流光滑区，摩阻与粘度的0 2 5 次方成正比，提高油温对摩阻影响较小，而热损失却 显著增大，故加热温度不宜过高。 另外，当管线采用沥青防腐绝缘层和泡沫塑料保温时，过高的出站温度可能是沥青软 化，泡沫塑料老化，从而影响管线的使用寿命。还必须考虑在安装和运行温度的温差作用 下，所受到的温差应力的影响。 综上所述，要合理确定原油出站温度，对其应予以一定的限制，l i l ：1 砭m i l l 】瓦 2 22 ； n 3 ) 管壁厚度：8 = s r a m ： ( 1 4 ) 管道埋深( 管中心至地面) ：h = l5 m ； ( 15 ) 泵机组的综合效率：1 1 = 8 0 ； ( 1 6 ) 加热炉的效率：r 1 = 8 0 ： 西安石油大学硕士学位论文 优化运行结果： 图4 - 1 71 月份地温 图4 - 1 81 月份优化结果 谭家营一东营管线基本参数： ( 1 ) 年输量：g = l l5 5 万吨戽； 第四章长庆油田输油管道实例分析 ( 2 1 年输油时间：t = - 3 5 0 天； f 3 1 燃料油价格：4 0 0 0 元t ( 4 1 电价：0 , 6 元，度 ( 5 1 保温层厚度：6 = 3 l8 r a m ； ( 6 1 管径：d - 1 0 6 m m ： m 管道长度：i , = 1 69 k m ( 8 ) 原油密度：p - 8 4 0 蝇，一； ( 9 ) 土壤导热系数：扣l6 1 7 w ( m ) ： ( 1 0 ) 保温层导热系数： = 01 5 w ( m k ( 1 1 ) 管道总传热系数：k = l _ 3 w ( m - c ) ； ( 1 2 】最低进站温度：t 銎22 c ： 0 3 ) 管壁厚度：6 - 5 m m ； ( i4 ) 管道埋深( 管中心至地面) ：h = l5m ； ( 1 5 ) 泵机组的综合效率：1 1 - 8 0 ； ( 1 6 ) 加热炉的效率：1 1 = 8 0 ： 围4 - 1 91 月份地温 西安石油大学硕士学位论文 优化运行结果： 囝4 - 2 01 月份优化结果 4 4 长庆油田采一输油管线优化运行结果及分析 4 4 1 长庆油田采一输油管线优化运行结果 应用输油管线优化运行软件将长庆油田采一所辖管线进行优化，以下是各个输油 管线一月和八月运行参数的优化结果； 表 7 采一输油管线优化结果表 张杏线杏侯线侯王线十八十六线 一月 八月一月八月一月八月一月八月 最优出站温度( ) 3 0 6 l2 2 4 6 下站进站温度( ) 2 2 4 7 月最低成本( t y 司月)2 0 l l95 92 8 5 动力费用( 万元月) 热力费用( 万元月) 第四章长庆油田输油管道实例分析 十六王线坪东线谭东线 一月八月一月八月一月八月 最优出站温度( ) 4 4 9 63 1 1 64 5 5 33 1 1 95 0 6 63 4 1 l 下站进站温度( )2 2 32 2 3 82 2 3 02 2 4 22 2 2 22 2 2 6 月最低成本( 万元月) 1 5 1 66 2 21 8 2 78 0 86 6 53 0 8 动力费用( 万元，月) o 3 00 4 61 5 31 7 6o 5o 5 2 热力费用( 7 7 r # 月)1 4 8 6 5 。7 6 1 6 7 46 3 26 1 5 2 5 6 表伯采一输油管线四月优化结果对比表 长 张杏线杏侯线侯王线十八一 一六线 温度 前后前后前后前后 出站温度( )5 8 0 03 0 1 l4 8 0 02 9 8 l5 22 6 8 64 85 1 3 2 下站进站温度( 1 2 )3 7 12 1 1 l3 8 62 2 4 84 4 82 2 7 l3 52 2 2 l 十六王线坪东线谭东线 ：温度 前后前后前后 出站温度( ) 5 0 2 4 9 9 4 84 3 4 84 84 8 2 9 下站进站温度( ) 4 52 2 33 22 2 3 23 22 2 2 3 注：上表中“盲矿代表优化之前的数据，“后”代表优i f 2 _ 后的数据。 由表4 7 分析可知：一月份所有管线总的运行费用( 这里指的是热力费用和动力费用) 之和为7 8 3 6 万元，而根据实地调查采一一月份所用的实际费用为2 6 5 万元，优化后比优 化前减少了7 0 4 。由表4 8 可以看出，绝大多数管线的出站温度都大大降低，这就有效 地减少了热力费用：而个别管线优化后出站温度却稍稍升高了一些，这是因为目标函数为 动力费用和热力费用总和的最优值，出站温度稍升高一点，热力费用增加，动力费用减少， 但是总费用却是减小的，这是企业所希望的。 4 4 2 优化运行结果分析 ( 1 ) 能源价格对优化运行结果的影响 以张杏线一月份运行优化结果为例，当电力价格上涨1 0 的时候，总运行费用的月最 低成本由5 3 6 万元变为5 5 万元，上涨了2 6 ，当电力价格下降1 0 的时候，总运行费 用的月最低成本由5 3 6 万元降到5 2 3 万元，下降了2 4 。当国际燃油价格上涨1 0 ，总 运行费用的月最低成本由5 3 6 万元，上涨到5 7 7 万元，上涨了7 6 ；当燃油费用下降 1 0 时，总运行费用的月最低成本由5 3 6 万元，下降到4 9 6 万元，下降了7 5 。 由此可见，在进行输油管道运行优化研究时，需要在动力费用和热力费用之间找到最 优值，从而使总费用降低。 ( 2 ) 输量对优化运行结果的影响 西安石油大学硕士学位论文 以杏侯线为例，输量增加1 0 ，动力费用增加3 3 ，热力费用减少8 8 ，总能耗费 用增加了0 9 。这是由于输量的增加使流速增加，从而使摩阻损失增加，导致动力消耗 增加，反过来，由于摩擦热的增加，所需燃料消耗减少，故热力费用下降。当输量降低 1 0 ，动力费用减少1 7 ，热力费用增加5 1 ，总能耗费用减少了0 0 1 。这是由于输 量的减少使流速变小，从而使摩阻损失减少，因此动力费用减少，摩阻变小，摩擦热减少， 所以热力费用增加。由于此管径小、输量小所以输量的变化对输油成本影响不大。但通过 翻阅查找相关资料，发现对于管径大、输量大的输油管线，输量对输油成本的影响很大。 例如，中哈输油管线中孤东至集贤站，其管径5 2 9 m m ，年输量4 0 0 万吨，当其输量增加 1 0 时，动力费用增加，热力费用减少，总输油成本增加2 5 ；当其输量减少1 0 时，动 力费用减少，热力费用增加，总输油成本减少2 3 t 3 2 】。 在输油管线优化运行的过程中，不能因为一味的追求低能耗而不断的降低管线输量， 原因是如果管线输量低于加热正输量允许的最低输量，管线就会陷入输量越来越小，摩阻 越来越大的恶性循环，最终导致凝管停输的危险。 ( 3 ) 地温变化对优化运行结果的影响 以张杏线为例，将地温为5 7 ( 一月) 和地温为1 5 0 8 ( 八月) 时的优化运行结果 对比可知：地温为5 7 时的月最低运行成本为5 3 6 万元，比地温为1 5 0 8 时的月最低 运行成本2 7 3 万元，高出9 6 。地温为5 7 时的出站温度为3 1 0 4 ，而地温1 5 0 8 时 的出站温度为2 4 5 3 。原因是地温低，管线与周围介质的温差大，原油沿管线流动热量 损失大，温降快，所以原油出站温度要高，因此热力费用高；相反，地温高，管线与周围 介质温差小，原油沿管线流动热量损失小，所以原油出站温度低，因此热力费用就低。所 以在不同的月份，地温不同，应采取不同的泵的组合方案，采取不同的进站、出站油温， 从而达到节能降耗的目的。 ( 4 ) 总传热系数对优化运行结果的影响 以张杏线为例，当总传热系数k = i 3 时，管线的月最低运行费用为5 3 6 万元。当总 传热系数增加0 5 时，即肛1 8 时，管线的月最低运行费用为7 7 万元，费用增加了4 3 6 。 可见，保温层对能耗费用的影响很大，而保温层的导热系数、厚度又直接影响着总传热系 数k 的大小，由此可知：总传热系数k 值对优化运行结果影响巨大，所以，在进行优化 计算时，一定要特别注意提高足值的准确性。 4 5 小结 本章对长庆油田采一所辖的部分管线进行了水力热力计算，并利用所编写的输油管道 优化运行软件对部分管线进行了运行参数优化。通过优化结果分析了影响输油成本的参 数，并对在电价、燃料价、输量变化的情况下分析参数对输油成本的影响大小，为热油管 道输送提出了决策性的意见。 4 0 第五章结论 第五章结论 本论文在大量调研文献的基础上，结合目前关于输油管线系统的研究现状，主要研究 了输油系统的优化运行等问题。研究中建立了输油管道系统优化运行的数学模型，并用动 态规划法进行求解，确定了管线合理运行参数，优化了管线调度管理，保证管线的稳定、 连续输油，达到节能优化运行的效果。 本研究中主要完成的工作有： ( 1 ) 本文对国内外的输油管线优化运行所做的工作进行了分析和研究，通过分析输 油管道的能耗结构组成和工艺特性，建立了以热力费用和动力费用为目标函数的输油管道 稳态优化运行的数学模型： ( 2 ) 在管道的工艺计算时，将正常运行工况近似为热力、水力稳定状态，在此前提 下进行轴向温降计算、摩阻计算： ( 3 ) 根据所建立的数学模型是非线性的，本文选择了动态规划法的算法来解决这个 问题，并用v i s u a lb a s i c 语言编写本论文的程序。 ( 4 ) 由于原油的物性参数与温度有关，所以计算中将原油粘度作为变量，看成是温 度的函数。通过采集数据，并用o r 遮i 1 1 软件对粘温曲线进行拟合，得出