梁永圖，劉增哲

(1.中國(guó)石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，北京 102249;2.中國(guó)石油 北京油氣調(diào)控中心，北京 100007)

成品油管網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化

梁永圖1，劉增哲2

(1.中國(guó)石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，北京 102249;2.中國(guó)石油 北京油氣調(diào)控中心，北京 100007)

針對(duì)我國(guó)成品油管網(wǎng)的特點(diǎn)，以管網(wǎng)運(yùn)行周期內(nèi)的能耗費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)，考慮管網(wǎng)中各站場(chǎng)的進(jìn)、出站壓力約束、管網(wǎng)高低點(diǎn)壓力約束及管網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的能量平衡約束等建立成品油管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型，并采用分階段動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法求解模型，得出管網(wǎng)系統(tǒng)在輸送周期內(nèi)各時(shí)段的優(yōu)化配泵方案。將模型應(yīng)用于某成品油管網(wǎng)，并將優(yōu)化模擬計(jì)算結(jié)果與窮舉法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，優(yōu)化模型可以得到令人滿意的配泵方案，且計(jì)算效率更高，可以較好地應(yīng)用于工程實(shí)踐。

順序輸送;管網(wǎng);數(shù)學(xué)模型;動(dòng)態(tài)規(guī)劃;優(yōu)化運(yùn)行

目前我國(guó)的成品油管道已經(jīng)初步形成網(wǎng)絡(luò)。已經(jīng)建成的成品油長(zhǎng)輸管道有蘭成渝成品油管道、西部成品油管道、港棗成品油管道、蘭鄭長(zhǎng)成品油管道等。另外，我國(guó)擬建的東北地區(qū)成品油管道、撫鄭成品油管道等必將使我國(guó)成品油管道連成網(wǎng)絡(luò)［1－2］。為保證管網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，有必要對(duì)成品油管網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行進(jìn)行研究。成品油管道順序輸送運(yùn)行優(yōu)化是在對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)建立符合管網(wǎng)特點(diǎn)的優(yōu)化運(yùn)行數(shù)學(xué)模型，提出有效的求解方法。筆者以管網(wǎng)運(yùn)行周期內(nèi)的能耗費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)，考慮管網(wǎng)中各站場(chǎng)的進(jìn)、出站壓力約束、管網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的能量平衡約束以及管網(wǎng)高低點(diǎn)壓力約束等建立成品油管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型并采用分階段動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法求解模型，得出管網(wǎng)系統(tǒng)在輸送周期內(nèi)各時(shí)段的優(yōu)化配泵方案。

1 優(yōu)化模型的建立

以樹(shù)枝狀成品油管網(wǎng)作為研究對(duì)象，研究的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)和計(jì)算管段劃分如圖1所示。以樹(shù)枝狀管網(wǎng)每一個(gè)樹(shù)杈所在的點(diǎn)作為分界點(diǎn)，對(duì)整個(gè)管網(wǎng)進(jìn)行計(jì)算管段的劃分。從管道首站到第一個(gè)分界點(diǎn)間的管段為管段1，第一個(gè)分界點(diǎn)到第二個(gè)分界點(diǎn)間的管段為管段2，第一個(gè)分界點(diǎn)到支線油庫(kù)2間的管段為管段3，以此類推其他管段。出于模型求解的需要，以干線上支線起點(diǎn)作為分界點(diǎn)劃分計(jì)算階段，干線首站至第一個(gè)分界點(diǎn)間管網(wǎng)為第一階段，第一個(gè)分界點(diǎn)至第二個(gè)分界點(diǎn)間管網(wǎng)為第二階段，其余以此類推。

圖1 成品油管網(wǎng)優(yōu)化計(jì)算管段劃分示意圖Fig.1 Pipeline segment partition diagram for optimal calculation of products pipeline network

以管網(wǎng)輸送周期內(nèi)的能耗費(fèi)用最小為目標(biāo)，考慮管網(wǎng)中各站場(chǎng)的進(jìn)、出站壓力約束、管網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的能量平衡約束以及管網(wǎng)高低點(diǎn)壓力約束等建立了成品油管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型，以求解管道系統(tǒng)在輸送周期內(nèi)的最優(yōu)開(kāi)泵方案［3-6］。模型為

式中，f為最小總能耗費(fèi)用，元;dt為時(shí)間微元，s;μijk為第i管段第j泵站第k臺(tái)泵的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，μijk=1表示泵運(yùn)行，μijk=0表示泵停運(yùn)，有調(diào)速電機(jī)則0＜μijk＜1;n為管網(wǎng)管段個(gè)數(shù);ni為第i管段的泵站個(gè)數(shù);kij為第i管段第j泵站泵的臺(tái)數(shù);Qij為通過(guò)第i管段第j泵站的流量，m3/s;ρij為計(jì)算時(shí)刻過(guò)第i管段第j泵站的油品密度，kg/m3;Cij為第i管段j泵站的電價(jià)，元 /(kW·h);ηij為第i管段j泵站工作效率;ηijk為第i管段第j泵站第k臺(tái)泵工作效率;m為流態(tài)指數(shù);g為重力加速度，m/s2;aijk－為第i管段第j泵站第k臺(tái)泵的揚(yáng)程，m;T為模擬輸送周期，s;為第i管段末端剩余壓力，Pa;為第i管段的起點(diǎn)壓力，Pa;pfi為第 i管段的沿程摩阻，Pa;pξi為第i管段的局部摩阻，Pa;Δpi為第i管段的高程差損失，Pa;為第 i管段末端最小壓力，Pa;為計(jì)算時(shí)刻第m種油品在第i管段第hpi個(gè)高點(diǎn)處的壓力，Pa;為第m種油品在第i管段第hpi個(gè)高點(diǎn)處管輸條件下的飽和蒸汽壓，Pa;Pi，lpj為計(jì)算時(shí)刻第i管段第 lpj低點(diǎn)處壓力，Pa;為第 i管段第 lpj低點(diǎn)處的最大承受壓力，Pa;和分別為第 i管段 j站出站壓力和進(jìn)站壓力，Pa;為第i管段j泵站油流進(jìn)站的最小壓力，Pa;為第i管段j泵站油流出站的最大壓力，Pa。

2 模型的求解

管道輸送是使能量供應(yīng)與消耗相平衡，理想的狀態(tài)是管道的能量供應(yīng)等于管道能量消耗，優(yōu)化的目的是使管道的供能最大限度地接近運(yùn)行的能量需求，以節(jié)省不必要的能耗［7-11］。以各管段起點(diǎn)的最低壓力作為初始條件，既滿足了泵站運(yùn)行的進(jìn)站壓力要求也可以使各階段計(jì)算出的初始供能方案更能接近該階段的能量需求。然后利用分階段動(dòng)態(tài)規(guī)劃進(jìn)行求解，即先利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法分別求解各階段最初的配泵方案，繼而以各階段整體作為新動(dòng)態(tài)規(guī)劃一個(gè)階段求解全局最優(yōu)配泵方案，從第一階段開(kāi)始，以前一階段余壓作為下一階段進(jìn)管段壓力，判斷下一階段初始配泵方案是否最優(yōu)，如果不是最優(yōu)則利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法，以前一階段余壓作為初始條件對(duì)該階段進(jìn)行重新配泵，依此類推得到整個(gè)管網(wǎng)的優(yōu)化配泵方案。

以圖1所示管網(wǎng)為研究對(duì)象，引入輸出權(quán)重做為泵站供能的調(diào)速因子，輸出權(quán)重指泵站的實(shí)際輸出壓力和泵站的最高輸出壓力的比，輸出權(quán)重在0～1取值，泵站的供能等于輸出權(quán)重乘以泵站的最大供能。設(shè)各管段各泵站的最高輸出壓力為Hij米油柱(考慮了單臺(tái)泵機(jī)組效率)，輸出權(quán)重為xij，i=1，…，n，j=1，…，ni，則全系統(tǒng)泵站因能量輸出產(chǎn)生的電費(fèi)總和W(X)為所以全線泵站的費(fèi)用總和函數(shù)W(X)在區(qū)域內(nèi)沒(méi)有駐點(diǎn)，則W(X)在區(qū)域內(nèi)沿每一條能量變化曲線是單調(diào)遞增的。

設(shè)全線輸油的費(fèi)用最低需求為W0，則在滿足能量需求的配泵方案中供能越是靠近W0，其配泵方案越優(yōu)。

因此，對(duì)建立的管網(wǎng)數(shù)學(xué)模型采用以下求解過(guò)程(以圖1為例)：

(1)根據(jù)水力計(jì)算確定A、B點(diǎn)的最低壓力，對(duì)于管段內(nèi)的并聯(lián)泵站，根據(jù)通過(guò)該泵站的流量、泵特性及該站最低出站壓力確定需要運(yùn)行的泵機(jī)組數(shù)。如果需要運(yùn)行的泵機(jī)組數(shù)大于1，則把該并聯(lián)泵站看成一個(gè)單泵運(yùn)行的泵站，以并聯(lián)運(yùn)行泵機(jī)組的特性作為該泵的運(yùn)行特性，以各管段均以最小壓力進(jìn)管段為初始條件，用已建立的數(shù)學(xué)模型對(duì)各階段分別用動(dòng)態(tài)規(guī)劃求解最初的配泵方案。

3 模型的驗(yàn)證與應(yīng)用

為了驗(yàn)證模型的正確性，以AB成品油管網(wǎng)為例對(duì)不同工況下的配泵方案進(jìn)行建模求解，并對(duì)模型求解得到的結(jié)果和窮舉法得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

某成品油管網(wǎng)始自山東A石化公司，終點(diǎn)設(shè)在安徽省B油庫(kù)，管線系統(tǒng)總長(zhǎng)765.1 km，其管道概況如圖2所示。AB成品油管道干線有4座泵站，AB1和AB2支線在支線入口處各有3臺(tái)泵機(jī)組［12］。

圖2 AB管網(wǎng)概況示意圖Fig.2 Diagram of AB pipeline network

管道干線和支線中充滿90#汽油，各站進(jìn)出站流量如表1所示。

表1 管道干線和支線各站進(jìn)出站流量Table 1 Flow rate in/out of stations in trunk and branch lines of pipeline

進(jìn)行優(yōu)化配泵所得的配泵結(jié)果如表2所示。

表2 優(yōu)化配泵結(jié)果Table 2 Optimal pump configuration results

該算例是該輸量和分輸注入工況下管道運(yùn)行能量需求最小的工況。能滿足管道安全運(yùn)行的配泵方案比較多，從節(jié)能降耗的角度來(lái)看，本文提供的優(yōu)化運(yùn)行算法所得的配泵方案和窮舉法所得的最優(yōu)配泵方案完全相同，能夠起到優(yōu)化運(yùn)行的目的。該優(yōu)化運(yùn)行算法的運(yùn)算循環(huán)次數(shù)只有296次，而窮舉算法的運(yùn)算循環(huán)次數(shù)高達(dá)221次，說(shuō)明新算法在滿足低能耗配泵的同時(shí)極大地提高了計(jì)算速度。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分階段動(dòng)態(tài)規(guī)劃法對(duì)模型的求解，得出管網(wǎng)系統(tǒng)在輸送周期內(nèi)各穩(wěn)定工況時(shí)段最優(yōu)的配泵方案，極大地提高了運(yùn)算速度。以AB成品油管道為例，對(duì)采用優(yōu)化算法所得結(jié)果和窮舉法所得結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，說(shuō)明了優(yōu)化模型的正確性和有效性。

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Optimal operation of multi-product pipeline network

LIANG Yong－tu1，LIU Zeng－zhe2
(1.College of Petroleum Engineering in China University of Petroleum，Beijing 102249，China;2.PetroChina Oil＆ Gas Pipeline Control Center，Beijing 100007，China)

After studying features of multi－product pipeline network，using the minimum energy cost as the objective function，an optimal mathematical model was established considering pressures and flow rate restraints，operation restraints of different pump stations and energy balance of pipeline network.The model was solved using dynamic programming algorithm.The optimal pump configuration was provided by the model.Then the optimal mathematical model was applied to some products pipeline network to demonstrate its feasibility.The results by the optimal model were compared with those of exhaustive method.The results show that the model could draw out the optimal pump configuration and work efficiently in pipeline transportation engineering.

batch transportation;pipeline network;mathematical model;dynamic programming;optimal operation

TE 832.2

A

10.3969/j.issn.1673－5005.2011.03.023

1673－5005(2011)03－0115－04

2010－10－09

梁永圖(1971－)，男(漢族)，河北懷安人，副教授，博士，主要從事油氣長(zhǎng)距離輸送技術(shù)研究。

(編輯 沈玉英)