原油管道能耗预测方法及软件的研究进展

原油管道能耗预测方法及软件的研究进展

2007年修订的《节能法》明确规定了将节约资源作为基本政策，在“五五”和“五二”计划中，单位gdp的能耗降低率作为约束指标，采取了三项加强节能的政策和措施。作为能耗大户的中国石油管道,自“十一五”以来,随着管道建设的快速发展,油气管道的总长度和输量不断增加,管输能耗逐年增大,如何加强油气管道优化运行、控制能耗成本、细化节能管理,成为日益关注的问题。管道能耗测算作为解决上述问题的重要技术手段之一,成为近年来的研究热点。1能耗测算研究常用的油气长输管道能耗预测方法可以划分为基于历史数据的统计分析法和基于管道运行原理的工艺计算法两类。统计分析方法主要有:灰色预测方法、回归预测方法、人工神经网络预测方法、时间序列平滑预测法、趋势外推预测法、马尔柯夫预测法、最小二乘支持向量机预测方法等。目前已经有很多统计分析方法应用于油气管道的能耗预测。该方法的主要优点是不需要考虑管道工艺过程,利用历史能耗数据,建模相对简单,对于稳定运行的管道有较好的预测精度,缺点是受统计样本的数量和准确度的影响较大,不能适应管道输量和开机方案变化带来的能耗变化。工艺计算法是根据工艺原理计算出油气管道相应的运行能耗。使用工艺计算法预测油气管道的能耗主要有仿真和优化两类方法。目前国外主流的仿真软件,如TLNET/TGNET和SPS大都具有能耗计算功能,可以计算指定开机方案下油气管道对应的能耗值,但是仿真模型一般侧重于仿真油气管道的水力、热力特性,若用于预测能耗,需要对仿真模型做进一步完善,特别是耗能设备运行特性的准确与否直接影响能耗预测的精度。优化方法旨在确定油气管道的理论最低能耗值,同时能够给出对应工况的最优开机方案,目前国际上用于油气管道能耗优化的主流商品软件有ESI的优化器软件、GREEG公司的Flowdesk软件等。我国研究的重点是热油管道优化运行,吴长春等首次提出了热油管道稳态运行最优化的二级递阶模型及其算法,开发了优化运行软件包HOPOPT,并在庆铁线、秦京线等管道应用,取得了良好的效果。目前评价管道能耗水平的指标是单位周转量综合能耗,为了实现对管道运行节能的考核,国内外普遍采用设定考核期内单位周转量综合能耗基准值的方法,实际值比基准值小则为节能。因此,能耗测算对考核结果影响很大。此外,由于能耗成本是管道企业可变成本的主要组成,在目前成本预算制度下,能耗测算成为控制成本的重要手段之一。为了适应新要求,需要在原有研究成果的基础上,进一步改进优化运行工艺计算模型,开发能耗测算集成软件,实现管道的建模、功能软件包的调用、能耗指标的计算以及数据的传递,同时建立友好的软件界面,便于模型维护和用户使用。2软件研发2.1能源计算方法与数学模型2.1.1定流量稳态优化运行工艺计算模型管道能耗考核的最终目的是促使管道运行的实际能耗尽可能接近相同条件下可以达到的最低能耗。对于一条运行中的输油管道,确定周期内(如一个月)、一定输油任务量下不同的开泵和开炉方案,可能得到不同的运行能耗值。为了测算管道的能耗目标值,需要建立定流量稳态优化运行工艺计算数学模型,求解定流量下日最优运行方案及其对应能耗值。由于实际运行过程中每日输量不可能是平均分配的,因此需要确定月度输量的日分布模型,以期得到与实际运行接近的日输量波动,使得月度最优能耗值接近实际情况(图1)。2.1.2定流量稳态优化运行算法在对输油管道的工艺原理和运行特点分析的基础上,采用文献[10-11]算法,通过合理优化输油管道的输油计划、运行方式、设备组合和运行参数,建立定流量稳态优化运行工艺计算数学模型,求解得到确定周期内(如一个月)的理论最优运行能耗值,以及相应的优化运行方案。2.1.3日输量统计模型输油管道在实际运行过程中,站间地温、总传热系数、出站温度、泵机组和加热炉系统效率及流量等运行条件的变化将导致管道能耗发生波动。但是考虑到地温、总传热系数等数据在短时间内(如一个月)变化较小,可以事先根据历史数据输入各月沿线的地温、总传热系数等数据作为常数。在优化过程中,已经考虑出站温度、泵机组及加热炉系统效率的影响,因此,这些因素不作为影响能耗因素进行概率分析。一般情况下,流量在输油周期内波动相对频繁,事先无法准确预知,同时该因素对热能消耗和电能消耗影响较大,因此输量的波动会导致理论最优能耗值与实际可以达到的最低能耗值有不同程度的偏差。为降低这种偏差,在对历史运行日输量数据统计分析的基础上,重点研究考核周期为一个月时,日输量的波动规律,进而建立日输油量分布模型,通过首站日输量分布模型分配月任务输量,以模拟实际运行过程中输量的波动情况,可以得到考虑日输量分布下的月能耗指标。日输量分布数学模型主要包括:(1)平均分配法。将月输量平均分配到日,适用于满负荷或者流量稳定的管道。(2)指定流量组合。根据管道上下游供需,比较有规律的实际运行情况,选择指定流量组合的方式分配月任务输量。(3)比例分配法。以历史上日输量与月输量的百分比作为独立的统计数据,产生每个月的输量分配方案,在预测具体管道的月能耗时,调用不同的输量分配方案将得到不同的能耗指标,将这些能耗指标构成的区间作为最优能耗区间。如果最优能耗区间比较窄,则说明输量的分配方案对能耗指标的影响不显著;如果最优能耗区间比较宽,则说明能耗指标对输量的波动比较敏感,非常有必要进一步研究该管道的输油计划优化问题。(4)最优流量组合。在月任务输量一定的情况下,存在一个最优的流量组合,使得该月管道的能耗最小,可建立以月能耗最低为目标函数的优化分配数学模型。2.2软件功能的结构原油管道能耗测算软件功能上分4个层次,共12个功能模块(图2)。2.2.1输送原油的参数软件用户管理:包括软件用户权限管理,需要测算管道的增减等。基础数据输入:管道能耗测算所需的基础数据,包括管道管径、里程、高程等信息,输油泵站和加热站特性参数,输送原油的品种及性质,站间环境参数等。输油任务设置:该功能是录入考核期内的输油任务,包括从管道起点及中间站输入的原油品种及输量,从管道终点及中间站输出的原油品种及输量,各站间管段输送的原油品种,并对输油任务进行流量分配和输油计划安排。2.2.2系统计算模式日输量分配:按照4种分配模式,将月输量分配到日输量。优化工艺计算:热油管道定流量稳态优化运行工艺计算模块。能耗指标计算:根据管道的最优能耗,按照能源管理的要求,计算其在考核周期内的生产能耗、综合能耗、综合单耗、生产单耗等能耗指标,并存储。2.2.3输油温度及加热炉控制方案优化运行方案:根据定流量稳态优化运行工艺计算模块计算结果,输出各站的输油温度、输油泵和加热炉开机方案。电力与燃料消耗:输出电力和燃料消耗量。综合能耗指标:输出按照能源管理要求需要的各种能耗指标。2.2.4输油计划优化反算管道总传热系数K和摩阻修正因数f值:根据历史运行数据,反算K和f值,为能耗测算提供更符合实际的K和f值。输油计划优化:包括月输油计划优化功能,稳态优化运行功能,K、f值反算功能。历史运行数据:可从管道生产系统获得或导入管道历史运行数据,例如管道的输量、周转量、进出站压力、进出站温度和能耗数据等,作为输量分配、反算总传热系数K和摩阻修正因数f值、分析管道能耗的基础。2.3增强系统开发能力本软件基于Microsoft.Net技术框架、XML技术、WebServices技术以及Fortran语言进行开发,采用应用构件和可复用技术,针对各功能模块以及用户的特点,形成具有可集成、可搭建、可维护、可扩展、高性能等特性的软件平台,可以嵌入新开发的功能,增加新建的输油管道。软件采用B/S结构,适合不同地区用户在电脑终端通过网络登录服务器使用软件。软件数据库采用SQLServer数据库管理系统,可以通过接口程序或者通过文件导入,获取管道生产系统的生产运行和能耗数据。3软件的使用和分析3.1热泵站10所以秦皇岛-北京原油管道(简称秦京线)为例(图3),管道全长324.6km,规格uf066529×7(8),埋深1.5m。全线有秦皇岛、昌黎、迁安、丰润、宝坻、大兴共6座热泵站。目前秦皇岛至迁安段输送大庆原油,在迁安站掺入冀东原油。输入管道基础数据及输油泵特性参数、油品物性参数、环境地温、总传热系数等数据(表1~表5),完成管道能耗测算建模。3.2日输量分配优化2010年8月,秦皇岛站输油35.7336×104t,迁安站掺入冀东油7.5914×104t。为了提高能耗测算的精度,根据历史运行数据反算各站间管段的总传热系数K值和摩阻修正因数f值(表6)。取各站的辅助耗电量为3000(kW·h)/d,各站的辅助耗油量为0.1t/d,各站加热炉燃料热值为43.55MJ/kg。按照月任务输量分配到日的分配方式不同,可以选择按历史比例分配的方式或平均分配的方式进行能耗预测(表7)。根据优化运行模式下的能耗测算结果可知:秦京线2010年8月生产单耗最优区间[111.41,112.31]kgce/(104t·km),最优能耗区间较小,可见日输量分布形式对该管道月能耗测算精度的影响不大;迁安站和宝坻站的运行方式对能耗的影响不大;实际能耗偏大的主要原因是燃料消耗值偏大,因此,该管道燃料消耗存在较大的节能降耗空间。4软件采用b/s结构(1)以定流量稳态优化运行工艺计算数学模型和软件包为内核,开发了原油管道能耗测算软件,建立可集成、可搭建、可扩展的原油管道能耗测算平台。软件网络版采用B/S结构,适合