郭林瓊 張 偉 羅 舜 趙 健

(1.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院；2.大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠)

薩北開發(fā)區(qū)骨架管道生產(chǎn)運行方案優(yōu)化研究*

郭林瓊**1張 偉2羅 舜2趙 健1

(1.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院；2.大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠)

為實現(xiàn)油田高效開發(fā)、節(jié)能降耗的運行要求，在對輸油管網(wǎng)骨架管道轉(zhuǎn)油站(或聯(lián)合站)外輸管道進行水力熱力分析的基礎(chǔ)上，對骨架管道生產(chǎn)運行方案進行了優(yōu)化建模，確定了最佳的輸油溫度和出站壓力。在薩北開發(fā)區(qū)的應(yīng)用結(jié)果表明：與原方案相比，優(yōu)化后的薩北開發(fā)區(qū)輸油管網(wǎng)骨架管道生產(chǎn)運行方案能使輸油成本均有10%以上的降幅。

骨架管道 生產(chǎn)運行方案 節(jié)能降耗 運行成本 建模

大慶油田薩北開發(fā)區(qū)經(jīng)過40多年的開發(fā)建設(shè)，油田產(chǎn)量比開發(fā)初期大幅下降，管道輸量與初始設(shè)計輸量相差較大，輸油管網(wǎng)存在外輸不平衡、溫降大、壓降大及能耗高等問題，嚴(yán)重影響了油田的正常生產(chǎn)運行效率[1]。油田地面集輸系統(tǒng)是油田生產(chǎn)中的耗能大戶，降低集輸系統(tǒng)的能耗對油田節(jié)能降耗意義重大[2]。管道輸送過程中熱能和電能的消耗是集輸系統(tǒng)能耗的主要部分，通過合理選取管道運行參數(shù)，降低管輸能耗，是油田節(jié)能降耗的重要手段。筆者通過對輸油管網(wǎng)骨架管道進行水力熱力分析研究，對其生產(chǎn)運行方案進行優(yōu)化建模，確定最佳的輸油溫度和出站壓力，以達到降低輸油管道運行成本的目的。

1 管道的特性分析

1.1管道熱力特性

各計量間來油在轉(zhuǎn)油站(聯(lián)合站)經(jīng)過加熱爐加熱到一定溫度后進入骨架管道，沿程不斷向周圍介質(zhì)散熱，使油流溫度降低。油流散熱量和沿線油溫分布受諸多因素影響，如輸油量、加熱溫度、環(huán)境條件及管道散熱條件等。沿程溫降可按列賓宗公式計算[3]：

tL=(t0+b)+[tR-(t0+b)]e-aL

式中a、b——參數(shù)；

cy——平均溫度ty下的原油比熱容，J/(kg·℃)；

D——管道外直徑，m；

G——油品的質(zhì)量流量，kg/s；

g——重力加速度，m/s2；

i——油流水力坡降；

K——管道總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

L——管道長度，m；

t0——周圍介質(zhì)溫度，℃；

tL——距離起點L處的油溫，℃；

tR——管道起點溫度，℃。

1.2管道水力特性

骨架管道的壓力損失包括流體沿管道流動的沿程摩阻損失、局部摩阻損失和地勢高低引起的位能損失3部分。由于轉(zhuǎn)油站外輸管道一般比較短，局部摩阻損失和位能損失所占比例較小，因此管道的壓力損失主要來自沿程摩阻損失。沿程摩阻損失隨著流量、粘度、管長的增大或管徑的減小而增大，可按達西公式計算[2]：

Δp=ρg(hf+hj+hz)

hz=ZZ-ZQ

式中hf——沿程水頭損失，m；

hj——局部水頭損失，m；

hz——位能損失，m；

v——流速，m/s；

ZQ——管道終點高程，m；

ZZ——管道起點高程，m；

Δp——管道壓降，Pa；

ρ——油的密度，kg/m3；

λ——水力摩阻系數(shù)；

ζ——局部阻力系數(shù)。

由于管輸介質(zhì)溫度在管道實際輸送過程中會降低，粘度隨之變化，水力摩阻系數(shù)不是一個固定值，因此計算管道壓降時應(yīng)采用分段計算法[4]。以薩北開發(fā)區(qū)12#水驅(qū)外輸管道2月份運行數(shù)據(jù)(起點溫度38℃、起點壓力0.525MPa、平均輸量1 754m3/d、最高輸量2 214m3/d、最低輸量1 528m3/d)為例，計算不同輸量下的沿程溫度和壓力分布，結(jié)果如圖1、2所示?？梢钥闯?，管道輸量越高溫降越慢，壓降越快；相同輸量下，溫度越高，壓降越慢，這是由于油溫越高，油品粘度越低，管道摩阻損失越少，壓降越慢。

圖1 不同輸量下的沿程溫度分布

圖2 不同輸量下的沿程壓力分布

2 管道生產(chǎn)運行方案優(yōu)化建模與求解

2.1建模

骨架管道生產(chǎn)運行耗能包括泵消耗電能和加熱爐消耗燃料。根據(jù)骨架管道的水力、熱力特性，提高管道起點溫度時，沿線油溫升高，油品粘度降低，管道摩阻損失減小，從而使管道需要的出站壓力降低，泵耗電量相應(yīng)減少，加熱爐燃料消耗量增加。相反，降低起點溫度，泵耗電量增加，加熱爐燃料消耗量減少。因此對骨架管道生產(chǎn)運行方案進行優(yōu)化時，應(yīng)確定最佳起點溫度和起點出站壓力，使管道全線總能耗最小，以達到降低輸油總能耗費用的目的[5]。

以總能耗費用最小為目標(biāo)，以管道起點轉(zhuǎn)油站的出站溫度和出站壓力為決策變量，建立骨架管道生產(chǎn)運行方案優(yōu)化數(shù)學(xué)模型如下：

minF=f1(Tout)+f2(pout)

其中：

f1(Tout)=e1×B

f2(pout)=e2×W

Qminpj≤Qpj≤Qmaxpj,j=1,…,np

Hminpj≤Hpj≤Hmaxpj,j=1,…,np

Qminfk≤Qfk≤Qmaxfk,k=1,…,nf

pZin≥[pminin]

Tin,f≥[Tmin]

Tout,f≤[Tmax]

式中B——加熱爐所消耗的總?cè)剂狭浚?/p>

c0——環(huán)境溫度下天然氣的比熱容；

cr——入爐溫度下天然氣的比熱容；

e1——天然氣價格；

e2——電價；

F——管輸介質(zhì)輸送的總能耗費用；

f1(Tout)——管輸介質(zhì)輸送的熱力能耗費用；

f2(pout)——管輸介質(zhì)輸送的動力能耗費用；

Gfk——被第k臺加熱爐加熱的介質(zhì)質(zhì)量流量；

nf——加熱爐數(shù)量；

np——泵數(shù)量；

pZin——管道終點進站壓力；

[pminin]——管道終點最低允許進站壓力；

ppin——泵入口壓力，即進站壓力；

ppout——泵出口壓力，即出站壓力；

Q——管道的總外輸量；

qfk——第k臺加熱爐的實際熱負(fù)荷；

Qminfk——第k臺加熱爐的最低熱負(fù)荷；Qmaxfk——第k臺加熱爐的最高熱負(fù)荷；

Qpj——第j臺泵的流量；

T0——環(huán)境溫度；

Tin,f——加熱爐進口溫度，即管輸介質(zhì)進站溫度；

Tout,f——加熱爐出口溫度，即管輸介質(zhì)出站溫度；

Trk——第k臺加熱爐的天然氣入口溫度；

[Tmin]——管輸介質(zhì)的最低允許進站溫度，一般高于管輸介質(zhì)凝點3℃左右；

[Tmax]——管輸介質(zhì)的最高允許出站溫度；

W——泵機組所消耗的總電能；

ηdj——第j臺泵的電機效率；

ηfk——加熱爐熱效率；

ηj——第j臺泵的效率；

γpj——第j臺泵的開啟情況，0為關(guān)泵，1為啟泵。

建立的數(shù)學(xué)模型中決策變量為出站溫度和出站壓力，目標(biāo)函數(shù)和約束條件都帶有非線性項，因此該問題屬于非線性最優(yōu)化問題。根據(jù)模型的結(jié)構(gòu)特點，采用兩級遞階優(yōu)化方法將原優(yōu)化模型分解成最優(yōu)管道出站壓力模型和出站溫度優(yōu)化模型兩個子模型，兩個子模型之間通過迭代進行求解[6,7]。

2.2最優(yōu)管道出站壓力子模型

最優(yōu)管道出站壓力子模型在管線出站溫度給定的前提下，確定最優(yōu)出站壓力ppout*。該模型可描述為：

minf2(pout,Qpj)

Qminpj≤Qpj≤Qmaxpj,j=1,…,np

Hminpj≤Hpj≤Hmaxpj,j=1,…,np

Qminfk≤Qfk≤Qmaxfk,k=1,…,nf

pZin≥[pminin]

該優(yōu)化問題屬于非線性最優(yōu)化問題，可采用隱枚舉法和動態(tài)規(guī)劃法來求解。

2.3出站溫度優(yōu)化子模型

出站溫度優(yōu)化子模型在出站壓力方案一定的基礎(chǔ)上，確定各站管輸介質(zhì)的最優(yōu)出站溫度Tout*。該模型可描述為：

minF=f1(Tout)

s.t.Tin,f≥[Tmin]

Tout,f≤[Tmax]

該優(yōu)化問題屬于非線性規(guī)劃問題，采用罰函數(shù)法將模型轉(zhuǎn)化為無約束優(yōu)化問題后，再利用由Powell提出經(jīng)Zangwill改進的方向加速法來進行求解[8]。由于該優(yōu)化問題求解過程比較復(fù)雜，為了提高效率，筆者采用C#語言進行編程求解，算法流程如圖3所示。

圖3 出站溫度優(yōu)化子模型的算法流程

3 實例分析

以大慶石油薩北開發(fā)區(qū)的12#水驅(qū)轉(zhuǎn)油站、201#轉(zhuǎn)油站、北五聯(lián)合站和2801#水驅(qū)轉(zhuǎn)油站外輸管道為例，對這些管道在冬季的輸油方案進行優(yōu)化，并從輸油耗氣量、耗電量和輸油費用3個方面與原方案進行對比分析(表1)，從而確定優(yōu)化方案的節(jié)能效果。

表1 各站外輸管道2月份運行方案優(yōu)化前后對比

(續(xù)表1)

由表1可以看出，管道生產(chǎn)運行方案經(jīng)過優(yōu)化后，降低了12#水驅(qū)轉(zhuǎn)油站外輸管道的輸油溫度，但導(dǎo)致輸油壓力升高，綜合兩者，由于熱力消耗占主體，與原方案相比，優(yōu)化方案的總輸油成本還是有所降低的，最終通過優(yōu)化可以使該轉(zhuǎn)油站外輸管道冬季輸油成本降低16.44%。對薩北開發(fā)區(qū)其他骨架管道的生產(chǎn)運行方案進行優(yōu)化調(diào)整后，輸油成本也均有較大幅度的降低。

4 結(jié)論

4.1進行了骨架管道的工藝計算，明確了管道沿程溫降、壓降的影響因素。建立了骨架管道生產(chǎn)運行方案的優(yōu)化模型，并根據(jù)模型的結(jié)構(gòu)和特點，提出了具體的兩級遞階優(yōu)化求解方法。對薩北開發(fā)區(qū)骨架管道生產(chǎn)運行方案進行優(yōu)化，確定了最佳的輸油運行方案，使輸油成本降低了10%以上。

4.2借助該研究成果，在對薩北開發(fā)區(qū)骨架管道水力熱力特性和介質(zhì)流動特性進行分析的基礎(chǔ)上，按照建立的骨架管道運行方案優(yōu)化數(shù)學(xué)模型和相應(yīng)的求解算法，結(jié)合管道的運行現(xiàn)狀，能夠確定薩北開發(fā)區(qū)骨架管道在不同月份、不同輸油量下的優(yōu)化運行方案，實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。

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ResearchofOptimizingOperationSchemeofMainOilPipelinesinSabeiDevelopmentZone

GUO Lin-qiong1, ZHANG Wei2, LUO Shun2, ZHAO Jian1

(1.CollegeofPetroleumEngineering,NortheastPetroleumUniversity，Daqing163318,China; 2.No.3OilProductionPlant,DaqingOilfieldCompanyLtd.,Daqing163312,China)

For purpose of efficient development of oilfields and the energy-saving operation there, and basing on hydraulic and thermal analysis of out-transfer oil pipelines of the oil transfer station or the united station, the operation scheme of oil transportation pipeline was optimized, and the optimal temperature and pressure for oil transportation were determined to obtain over 10% drop in the cost of oil transportation.

main oil pipeline, operation scheme, energy-saving and cost-reducing, operation cost, modeling

*中國石油科技創(chuàng)新基金項目(2014D-5006-0607)。

**郭林瓊，女，1989年1月生，博士研究生。黑龍江省大慶市，163318。

TQ055.8+1

A

0254-6094(2016)06-0780-04

2015-12-16，

2016-01-20)