石美云

（國家管網(wǎng)集團(tuán)華南公司，貴州貴陽 550005）

成品油是指市場工業(yè)生產(chǎn)與煤油行業(yè)運(yùn)營中，具有可代替生物柴油、乙醇汽油的燃料物質(zhì)，具體包括汽油類燃料與煤油類燃料等。目前，我國針對此種燃料大多采用長輸管道進(jìn)行運(yùn)輸，此種運(yùn)輸方式具有可輸送量大、運(yùn)輸距離長、可輸送成品油種類多等優(yōu)勢，但此種輸送方式在實際應(yīng)用中也存在工藝復(fù)雜的問題[1]。在建設(shè)成品油輸送管道時，建設(shè)工程受到社會、經(jīng)濟(jì)、政治、市政、生態(tài)、環(huán)境、技術(shù)等多方面因素的影響，一旦在建設(shè)中其中一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，便會對運(yùn)輸效果與管道使用情況造成負(fù)面影響。通常情況下，設(shè)計一個完善的成品油運(yùn)輸管道，需要考慮管道的直徑、材質(zhì)、覆蓋范圍、中轉(zhuǎn)泵的數(shù)量與不同中轉(zhuǎn)泵在管道中的布設(shè)位置、輸油揚(yáng)程距離、不同輸送線路對成品油在輸送中的損耗量、輸送末端與前端油罐的容量等諸多因素。因此，有必要加大對此方面建設(shè)的投入，進(jìn)行管道工藝在設(shè)計與開發(fā)中的優(yōu)化，以此種方式，降低管道工藝在輸油中的損耗量[2]。但此項工作是一項復(fù)雜度較高的工作，工藝方案設(shè)計時涉及的因素較多，且不同影響因素之間存在某種制約性關(guān)系，這也為相關(guān)工作的實施產(chǎn)生了一定阻礙。目前，我國針對此方面的研究尚停留于理論與實踐嘗試階段，未有技術(shù)單位或有關(guān)部門進(jìn)行管道工藝深化設(shè)計的研究與投入，因此，本文將綜合成品油輸送的特點與需求，設(shè)計一個全新的管道工藝，以此種方式，為燃料運(yùn)輸行業(yè)創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)收益。

1 成品油管道工藝設(shè)計方案研究

1.1 管道運(yùn)輸目標(biāo)函數(shù)建立與約束條件描述

為了實現(xiàn)對成品油管道工藝的全面優(yōu)化，需要在開展相關(guān)研究前，建立管道運(yùn)輸目標(biāo)函數(shù)，并根據(jù)函數(shù)的約束條件，對成品油的運(yùn)輸過程進(jìn)行描述[3]。在此過程中應(yīng)明確開展此項工作的主要目的，以降低管道工程與管道運(yùn)輸費(fèi)用。將其運(yùn)輸中的總費(fèi)用表示為F，可以認(rèn)為F是計算期內(nèi)管道建設(shè)、維護(hù)工作中所有支出項目與費(fèi)用的總和。為了簡化函數(shù)的計算過程，可將所有的支出按照基準(zhǔn)現(xiàn)金率進(jìn)行折算，并只考慮與管道工藝相關(guān)的費(fèi)用項目，包括的具體費(fèi)用項目包括管道運(yùn)輸線路、中轉(zhuǎn)泵站、成品油儲油罐、混合油分裝處理等，對應(yīng)目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式如下：

式中：m表示為管道工藝輸送成品油的管段長度；P′表示現(xiàn)金系數(shù)；A表示為基準(zhǔn)現(xiàn)金率；i′表示泵站數(shù)量；y表示維修與建設(shè)支出費(fèi)用；minF(x)表示目標(biāo)函數(shù)的最小值。在掌握目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式與優(yōu)化方向后，對管道工藝中的約束條件進(jìn)行描述[4]。其中管道強(qiáng)度可以作為此項工藝的首要約束條件，根據(jù)GB 10540—2008規(guī)定，管道中泵站的建設(shè)及其出口壓力應(yīng)當(dāng)符合管道運(yùn)輸時的強(qiáng)度要求，強(qiáng)度要求表達(dá)式如下：

式中：σs表示為管道屈服強(qiáng)度，單位為MPa；di表示不同管段強(qiáng)度；xpj表示管道運(yùn)輸時的強(qiáng)度要求；xi表示約束條件之一。在完成上述約束條件的描述后，對管道中鋼管穩(wěn)定性進(jìn)行分析，為了避免在運(yùn)輸成品油時，出現(xiàn)由于外部壓力造成的管道屈曲，對管道外徑與管道壁厚的比值進(jìn)行了規(guī)定，即兩者比值應(yīng)小于或等于140.0。同時，考慮到所有的輸油管道中的管路均為鋼材，因此，要求在建設(shè)管道工程時，所有的鋼管均是參照API標(biāo)準(zhǔn)制造的。為了避免在運(yùn)輸過程中涌出量的增加導(dǎo)致不同油品發(fā)生混合的情況，需要進(jìn)行雷諾數(shù)的約束，并確保不同油品不發(fā)生混淆方面的問題。按照不同系數(shù)的有效約束條件，進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)的約束，以此種方式，確保構(gòu)建的目標(biāo)函數(shù)滿足需求。

1.2 管道最優(yōu)分輸流量與最佳管徑取值范圍計算

完成上述計算后，考慮到成品油輸送管道存在單次輸送所有油品、分輸點多、輸送計劃多元化等特點，因此，在進(jìn)行管道工藝設(shè)計時，需要考慮不同輸送方式對于油品同步輸送的要求，結(jié)合不同管道的輸送能力，進(jìn)行最優(yōu)分輸流量的計算。假設(shè)在管道中每個成品油分輸點均采用集中輸送的方式進(jìn)行運(yùn)輸，在計算輸送量時，需要明確所有分輸站的輸送流量衡量、不同管道之間的輸油量可以存在變化，但變化值一定是在規(guī)定范圍內(nèi)的，管路允許的最高分輸量應(yīng)當(dāng)小于最低工藝要求，每個相鄰管段之間的成品油輸送流速變化應(yīng)<30.0%。根據(jù)上述分析，可以計算不同管道的最大流量與最小流量，計算公式如下：

式中：Qmax,i表示在成品油輸送的第i個管道上，所有約束條件支持下的最高分輸流量；Qmax,i表示在成品油輸送的第i個管道上，所有約束條件支持下的最低分輸流量；ri表示為第i個管道上的成品油輸送流量。完成對管道最優(yōu)分輸流量的計算后，進(jìn)行管徑最佳取值范圍的劃分。計算公式如下：

式中：d表示管徑；V表示流速。按照上述計算公式，可以得出在最大管徑取值，參照GB 10540—2008，得到最小管徑。在管道工程建設(shè)時，參照上述條件與最優(yōu)范圍，進(jìn)行管道工藝的設(shè)計，以此種方式，實現(xiàn)對成品油運(yùn)輸過程的優(yōu)化。

1.3 基于循環(huán)輸送的成品油管道運(yùn)輸最短路徑設(shè)計

完成對管道工藝基礎(chǔ)參數(shù)的設(shè)計后，將成品油的輸送順序按照最優(yōu)循環(huán)輸送周期進(jìn)行設(shè)定，在此過程中考慮到輸送順序與混油量是在整體工藝與設(shè)計方案基本完善的基礎(chǔ)上開發(fā)的。因此，需要結(jié)合已完成設(shè)計的輸送路線，進(jìn)行不同輸送路線中不同站點或中轉(zhuǎn)泵中新增儲罐容量的優(yōu)化。

在此基礎(chǔ)上，計算從輸油起點到輸油終點之間權(quán)值最小的工藝方案，得到N條成品油輸送方案，對不同方案在輸送過程中需要經(jīng)過的中轉(zhuǎn)點、中轉(zhuǎn)泵數(shù)量進(jìn)行計算，得到最短路徑。根據(jù)不同中轉(zhuǎn)泵揚(yáng)程損失量，計算每個輸油管段中的最大損耗量與最小損耗量，確定不同管道可選的有效管徑。制定一個循環(huán)輸送的順序與周期，計算兩個不同泵站之間的候選點，引進(jìn)一維檢索法，對最優(yōu)運(yùn)輸線路進(jìn)行迭代預(yù)循環(huán)，得到一個在最優(yōu)輸油管徑、外壁、設(shè)計壓力下的輸送線路，并利用循環(huán)算法，求解N中的最優(yōu)值。完成對最優(yōu)路徑的設(shè)計后，對接本文設(shè)計的成品油管道工藝，進(jìn)行方案的校正與核對，完成核對后，輸出最終的設(shè)計方案，以此種方式，實現(xiàn)對成品油管道運(yùn)輸最短路徑的設(shè)計，完成對管道工藝設(shè)計方案的研究。

2 實例應(yīng)用分析

從三個方面完成了成品油管道工藝的優(yōu)化設(shè)計，為了檢驗設(shè)計的工藝在實際應(yīng)用中是否可以達(dá)到對傳統(tǒng)工藝的優(yōu)化效果，下述將通過實驗的方式，對設(shè)計成果進(jìn)行檢驗。

此次實驗以國家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司華南分公司為例，該公司運(yùn)營管理的成品油管道總計6 103km，是亞洲最大的成品油管道企業(yè)。該公司在廣東、廣西、貴州、云南、四川、重慶等六省都擁有分支機(jī)構(gòu)，實行“公司-輸油部（分公司）-輸油站”三級管理模式。本次實驗選擇該公司的廣東分支機(jī)構(gòu)中，用于輸油次數(shù)與頻率最高的管道作為實驗對象，此管道的有效運(yùn)輸長度為1 587.0km，主要用于輸送0#柴油、95#汽油與92#汽油。為了保證運(yùn)輸需求，在使用此管道進(jìn)行成品油輸送時，均使用連續(xù)化分輸?shù)姆绞竭M(jìn)行運(yùn)輸作業(yè)。此管道輸送油品的參數(shù)與運(yùn)輸站點的基礎(chǔ)參數(shù)如表1、表2所示。

表1 管道輸送油品的參數(shù)

表2 運(yùn)輸站點基礎(chǔ)參數(shù)

完成對實驗相關(guān)信息的獲取后，按照本文設(shè)計的成品油管道輸送約束條件，設(shè)計運(yùn)輸目標(biāo)函數(shù)，完成對函數(shù)的建立后，將其與實驗對象、運(yùn)輸站點基礎(chǔ)參數(shù)、管道輸送油品的參數(shù)進(jìn)行對接，得到使用此管道進(jìn)行成品油運(yùn)輸需要的最大與最小流量、最大與最小管徑。計算后數(shù)值如表3所示。

表3 設(shè)計成品油管道運(yùn)輸最優(yōu)參數(shù)

完成上述設(shè)計后，對成品油管道運(yùn)輸時中轉(zhuǎn)泵的候選點進(jìn)行設(shè)計，根據(jù)此管道的運(yùn)輸需求，共設(shè)置9個中轉(zhuǎn)點與7個中轉(zhuǎn)泵。將本文設(shè)計的工藝方案與企業(yè)現(xiàn)用的工藝方案進(jìn)行比對，其中本文管道運(yùn)輸方案與企業(yè)現(xiàn)用的管道運(yùn)輸方案示意圖對比，如圖1所示。

圖1 本文管道運(yùn)輸方案與企業(yè)現(xiàn)用的管道運(yùn)輸方案

忽略管道運(yùn)輸過程中外界因素對運(yùn)輸過程中成品油損耗造成的影響，從經(jīng)濟(jì)層面考慮，采用兩種運(yùn)輸方案，分別計算運(yùn)行三種不同類型成品油運(yùn)輸時需要的成本，將計算后得到的結(jié)果作為評價本文方案可行性的關(guān)鍵指標(biāo)。在計算過程中，將參數(shù)值與市場現(xiàn)行價格進(jìn)行對接，其中本文管道設(shè)計材料優(yōu)選X60，傳統(tǒng)管道設(shè)計材料優(yōu)選Y80，假設(shè)管道最大設(shè)計壓力為12.0MPa，首站運(yùn)輸電費(fèi)為0.58元/（kW·h），其余中轉(zhuǎn)站的電費(fèi)為0.50元/（kW·h），管路安裝費(fèi)用為1 850.0元/t，管路材質(zhì)價格分別為5 450.0元與6 250.0元，工程建設(shè)中土石方支出費(fèi)用為85.0元/m3，管道外層防腐涂料的費(fèi)用為105.0元/m3，安裝過程中的其他投資費(fèi)用為1.0×103萬元，管路維修費(fèi)用為2 000.0元/次。將多種管路建設(shè)費(fèi)用進(jìn)行累加計算，得到管道輸送成品油的單次費(fèi)用，假設(shè)輸送時每次經(jīng)過中轉(zhuǎn)泵都會進(jìn)行成品油的揚(yáng)程射出，對應(yīng)每次揚(yáng)程損耗量相同。結(jié)合市場成品油單價，進(jìn)行不同類型成品油管道輸送過程中企業(yè)需要支出成本的統(tǒng)計。為了確保統(tǒng)計結(jié)果的直觀性，將統(tǒng)計結(jié)果繪制成曲線圖，對應(yīng)的實驗結(jié)果圖如圖2所示。

圖2 不同類型成品油管道輸送成本統(tǒng)計

從圖2可以看出，由于本文設(shè)計的管道輸油工程在建設(shè)中進(jìn)行了運(yùn)輸參數(shù)、管道選材等參數(shù)優(yōu)化，因此，在進(jìn)行成品油輸送時，起步成本相對于傳統(tǒng)輸油工藝而言更低。并且由于本文設(shè)計的管道工藝在實施中進(jìn)行了運(yùn)輸最短路徑的計算，減少了成品油運(yùn)輸?shù)拈L度，實現(xiàn)了中轉(zhuǎn)泵對成品油的揚(yáng)程次數(shù)，因此可以認(rèn)為輸送中成品油揚(yáng)程損耗量相對較低，對于企業(yè)而言運(yùn)輸過程中所需要支出的成本項目更少，從而在完成對不同類型油品從起點到油罐終點的輸送后，本文工藝所需要支出的經(jīng)濟(jì)成本更低。

綜上所述，得出此次對比實驗的最終結(jié)論：相比該公司現(xiàn)用的管道運(yùn)輸工藝，本文設(shè)計的成品油管道工藝在實際應(yīng)用中，可以起到降低油品中轉(zhuǎn)次數(shù)、減少輸油揚(yáng)程損耗量、節(jié)約管道運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)成本的作用，以此種方式，為社會管道運(yùn)輸工程的建設(shè)與成品油的管道運(yùn)輸工作實施，創(chuàng)造了更高的收益。

3 結(jié)束語

從管道約束目標(biāo)函數(shù)建立與約束條件描述、管道最優(yōu)分輸流量與最佳管徑取值范圍設(shè)計，基于循環(huán)輸送的成品油管道運(yùn)輸最短路徑設(shè)計三個方面，對成品油管道工藝設(shè)計方案展開了設(shè)計研究。在完成對方案的優(yōu)化設(shè)計后，以國家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司華南分公司為例，選擇該公司廣東分支中用于輸油次數(shù)與頻率最高的管道作為實驗對象，設(shè)計對比實驗。并通過實驗證明，本文設(shè)計的成品油管道工藝在實際應(yīng)用中，可以起到降低油品中轉(zhuǎn)次數(shù)、減少輸油揚(yáng)程損耗量、節(jié)約管道運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)成本的作用。

但此次設(shè)計的實驗也存在一些不足之處，例如，沒有詳細(xì)計算不同中轉(zhuǎn)站油品揚(yáng)程的損耗量，沒有具體計算不同站點建設(shè)節(jié)約的費(fèi)用等。因此，可在后續(xù)的研究中，增設(shè)更加詳細(xì)的對比指標(biāo)，分析多種油品在運(yùn)輸中的需求成本。并嘗試在后續(xù)的推廣中，使用本文設(shè)計成果代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法，以此種方式，為市場內(nèi)相關(guān)企業(yè)與有關(guān)單位的建設(shè)及其在市場內(nèi)的可持續(xù)發(fā)展，創(chuàng)造更高收益與市場價值。