冷热原油交替顺序输送优化模型研究

吴 明， 周诗岽， 王 雷， 赵 玲

（1．辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁抚顺 113001；2．常州大学油气储运技术省重点实验室，江苏常州 213164；3．辽宁石油化工大学职业技术学院，辽宁抚顺 113001）

冷热原油交替顺序输送优化模型研究

吴 明1， 周诗岽2， 王 雷1， 赵 玲3

（1．辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁抚顺 113001；2．常州大学油气储运技术省重点实验室，江苏常州 213164；3．辽宁石油化工大学职业技术学院，辽宁抚顺 113001）

冷热原油交替顺序输送总能耗费用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。以输油总能耗最小为目标函数，建立冷热原油交替顺序输送优化模型。模型中将顺序输送分为4个时间阶段：冷油头加热非稳态阶段、冷油不加热准稳态阶段、冷油尾加热非稳态阶段和热油加热准稳态阶段。两个准稳态输送阶段采用两层嵌套法来求解，两个非稳态阶段采用两层嵌套法和满足高凝油油头（油尾）进站温度相结合的方法优选输油方案。结合工程实际给出冷热原油交替顺序输送优选算例，研究成果可为制定冷热油交替输送经济运行方案提供依据。

原油管道； 顺序输送； 优化； 两层嵌套法

不同品质原油混合可能会对炼厂加工工艺及其最终产品产生不利影响，因此不同品质原油的分储分输已成为石油加工企业的迫切要求。与输送单种原油的热油管道不同，冷热油交替输送状态下，原油可以有不同的出站温度，满足原油输送要求的加热方案和开泵方案也不止一个。在保证安全输油任务的前提下，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。文献［1－2］就管道准稳态优化运行模型及应用做了研究，文献［3－5］对冷热油交替输送正常运行及停输状态下的水力、热力计算开展了研究。国外文献［6－9］对冷热油交替顺序输送进行了研究，1999年美国太平洋管道（The Pacific Pipeline System）进行了5种不同温度、不同品种原油的顺序输送［6］。冷热油管道在实际运行过程中，输油总能耗费用主要包括热力费用和动力费用，本文建立以输油总能耗最小为目标函数的冷热油交替输送优化数学模型，在不同时间阶段采用相应方法求解，为制定冷热油交替输送经济运行方案提供依据。

1 冷热原油交替顺序输送优化运行模型

对冷热油交替输送管道，冷热油的温度变化趋势正好相反。当冷油进入热管道后，也即前行原油为热油、后行原油为冷油时，随着冷油在管内的推进，后行冷油将不断从前行热油所形成温度场中吸收热量。当热油进入冷管道后，也即前行原油为冷油、后行原油为热油时，随着热油在管内的推进，后行热油将不断向前行冷油所形成温度场中散失大量热量，故热油的温度会大幅下降。相比后续油流，热油油头的温度降幅最大。为了安全经济输油，通常情况下高凝油因其凝点较高需要加热，同时为了保证热油尾（或油头）进站温度不低于最低安全输送温度，有时需要对后行（或前行）的冷油油头（或油尾）进行加热。

当输送周期较长工况下，顺序输送可大致分为4个时间阶段：

第1时间阶段：冷油头加热过程为非稳态输送阶段。

第2时间阶段：冷油不加热准稳态输送阶段。第3时间阶段：冷油尾加热过程为非稳态输送阶段。

第4时间阶段：热油加热准稳态输送阶段。

冷热油管道在实际运行过程中，输油总能耗费用主要包括动力费用和热力费用，输油周期内以输油总能耗最小为目标函数的优化运行数学模型为：

式中，n泵站数；Stot为一个输送周期总的管输能耗费用，元；为j站加热费用，元；为j站动力费用，元；为j站冷油头加热费用，元；为j站冷油尾加热费用，元；为j站热油加热热力费用，元为j站输送冷油头动力费用，元；为j站输送冷油动力费用，元；为j站输送冷油尾动力费用，元；SjP＿h＿p为j站输送热油动力费用，元；G1，G2为冷、热原油输量，kg／d；C1，C2为冷、热原油热容，J／（kg·℃）；，为j站冷、热原油出站温度，℃；，为j站冷、热原油进站温度，℃；，为j站冷、热原油泵的效率，%；，为j站冷、热原油加热炉效率，%；H1，H2为站冷、热原油管道摩阻损失，m；BH燃料油热值，J／kg；Ef燃料油价格，元／kg；EP电力价格，元／（k W ·h）；t冷热油输送周期，d；t1冷油输送时间，d；Δt1＿h冷油头加热输送时间，d；Δt1＿h冷油不加热输送时间，d；Δt1＿t冷油尾加热输送时间，d；t2热油输送时间，d；第j站的泵站最高升压值，Pa；Aj，Bj为第j站泵站系数；Q为体积流量，m3；m为原油流态系数；pZj为第j站进站压力，Pa；为第j站允许最低进站压力，Pa；pRj为第j站出站压力，Pa；为第j站允许最高出站压力，Pa；pmj为距第j站某处管线压力，Pa；TZj为第j站进站温度，℃；TminZj为第j站允许最低进站温度，℃；TRj为第j站出站温度，℃；为第j站允许最高出站温度，℃；ΔTj为第j站最大升温值，℃；STj第j站加热炉有效热负荷，k W。

2 冷热原油交替顺序输送优化模型求解

冷热油交替输送是一个复杂的非稳态热力、水力耦合过程。目前，还没有找到切实可行的方法来对其运行参数进行全面优化。针对工程实际需要在可行的冷热油交替输送方案中进行方案优选。

将（1）式进一步整理，得如下（2）式：

下面分别介绍不同时间段计算方法。

第2时间阶段：冷油准稳态输送阶段。将（2）式中的第2个小括号项除以冷油输送时间Δt1，得下式：

（3）式用文献［1－2］所建的优化模型确定运行参数。

第4时间阶段：热油准稳态输送阶段。将（2）式中的第2个中括号项除以热油输送时间t2，得下式：

（4）式用文献［1，2］所建的优化模型确定运行参数。

第1时间阶段：冷油头加热过程为非稳态输送阶段。将（2）式中的第1小括号项除以冷油头加热时间Δt1＿h，得下式：

为了保证热油尾进站温度不低于最低安全输送温度，有时需要对后行的冷油油头进行加热，考虑到现场的运营方便，冷油油头加热温度取热油输送温度。冷油头加热时间由文献［3－5］所建模型计算。考虑到冷油的粘度比较低且对温度不敏感，故在预热时间内的开泵方案与第2阶段相同。

第3时间阶段：冷油尾加热过程为非稳态输送阶段。将（2）中的第3小括号项除以冷油尾加热时间Δt1＿t，得下式：

为了保证热油头进站温度达到最低安全输送温度，有时需要对前行的冷油油尾进行预热，考虑到现场的运营方便，冷油油尾加热温度取热油输送温度。冷油尾加热时间由文献［3－5］所建模型计算。考虑到冷油的粘度比较低且对温度不敏感，故在预热时间内的开泵方案与第2阶段相同。

3 计算实例

天津站—廊坊站—燕山站输送卡斯蒂利亚原油和卡宾达原油。卡斯蒂利亚原油输量为1 100 m3／h，输送时间为5 d（120 h），后以相同输量输送卡宾达原油，输送时间为5 d，油品的来油温度均取23℃，输送6个批次。燃料油价格为5 500元／t，电力价格为0．85元／（k W·h）。卡斯蒂利亚原油密度为931 kg／m3，凝固点为－35℃。卡宾达原油密度为852 kg／m3，凝固点为15℃。

卡宾达原油的最低进站温度为20℃，为安全经济输油，根据文献［3－5］模型计算卡斯蒂利亚原油油尾在天津站和廊坊站预热时间分别为14 h和29 h。虽然卡宾达油尾的进站温度降低，但仍然满足最低进站温度要求，故后行的卡斯蒂利亚原油油头不需要加热。根据本文所建模型，得出天津站—廊坊站—燕山管道一个周期内各时间段各站优选方案见表1和表2。

4 结论

建立了冷热原油交替输送周期内以输油总能耗最小为目标的管道优化运行模型，结合工程实际给出冷热原油交替顺序输送优选算例，研究成果可为制定冷热油交替输送经济运行方案提供依据。

表1 天津站运行方案Table 1 Running program in Tianjin station

表2 廊坊站运行方案Table 2 Running program in Langfang station

［1］ 吴明，王金华，刘建锋，等．长输热油管道运行方案的优化［J］．辽宁石油化工大学学报，2006，26（1）：63－65．

［2］ 周诗岽，江国业，吴明，等．长吉输油管道优化运行研究［J］．辽宁石油化工大学学报，2003，23（2）：39－42．

［3］ 施雯，吴明．冷热原油顺序输送过程不稳态传热问题的研究［J］．油气田地面工程，2008，27（12）：16－17．

［4］ 周诗岽，吴明．冷热油交替输送管道安全停输时间计算［J］．油气田地面工程，2010，29（12）：29－31．

［5］ 钱宇，吴明，杜明俊．停输对冷热原油顺序输送混油影响的数值模拟［J］．辽宁石油化工大学学报，2011，31（1）：36－39．

［6］ Mecham T，Wikerson B，Templeton B．Full integration of scada，field control systems and high speed hydraulic models－application Pacific pipeline system［C］．2000 international pipeline conference，Canada：Calgary，2000（2）：1110－1114．

［7］ Mecham T，Stanley G，Pelletier M．High speed data communications and high speed leak detect ion models：Impact of thermodynamic properties for heat ed crude oil in large diameter，Insulated pipelines：application to Pacific pipeline system［C］．2000 international pipeline conference，Canada：Calgary，2000（2）：1121－1130．

［8］ Shauers D，Sarkissian H，Decker B．California line beats odds，begins moving viscous crude oil［J］．Oil ＆gas journal，2000，98（15）：54－64．

［9］ Mchugh M，Hanks K．Pacific pipeline designed with latest leak detection technology［J］．Pipe line ＆gas industry，1998，81（3）：87－93．

（Ed．：WYX，CP）

Optimization Model Research in Process of Batch Transportation of Cool and Hot Crude Oil

WU Ming1，ZHOU Shi－dong2，WANG Lei1，ZHAO Ling3
（1．College of Petroleum Engineering，Liaoning Shihua University，Fushun Liaoning 113001，P．R．China；2．Jiangsu Provincial Key Laboratory of Oil ＆Gas Storage and Transportation Technology，Changzhou University，Changzhou Jiangsu 213164，P．R．China；3．Vocatinal Technology College，Liaoning Shihua University，Fushun Liaoning 113001，P．R．China）

12 September 2012；revised 20 September 2012；accepted 25 September 2012

To the batch transportation of cool and hot crude oil，the total cost of transporting oil consists of fuel cost of fire furnace and power consumption cost of oil pump．It is very important to make the total consumption minimal under the premise of accomplishing safely transporting task．Taking the minimal of total energy consumption as the objective function，a batch transportation model of cool and hot crude oil pipeline was set up．The batch transportation in the model was divided into four time stages that unsteady stage of the cold oil head heated，quasi－steady－state stage of the cold oil unheated，unsteady stage of the cold oil end heated and quasi－steady－state phase of the hot oil heated．Two－layer nesting method was used to solve the quasi－steady－state stage；both two－layer nesting method and meeting the pitted in－station temperature of oil head（oil end）were used to select the optimization scheme．Combined the engineering practice，the optimization example of the batch transportation of cool and hot crude oil was given，and the research results can provide a decision－making basic for optimizing transmission of the batch transportation of cool and hot crude oil．

Crude oil pipeline；Batch transportation；Optimization；Two－layer nesting method

．Tel．：＋86－24－56861858；e－mail：wuming 0413＠163．com

TE812

A

10．3969／j．issn．1006－396X．2012．05．016

1006－396X（2012）05－0064－04

2012－09－12

吴明（1961－），男，辽宁铁岭市，教授，博士。

辽宁省优秀人才计划项目基金（LR2011009）；辽宁省重大攻关项目基金（2008230004）。