输油管线优化的泵管耦合分析模型

2012-11-22程瑜华戴定益长庆油田第八采油厂陕西西安710021

长江大学学报(自科版) 2012年22期

程瑜华，戴定益，崔萌 (长庆油田第八采油厂，陕西西安 710021)

输油管线优化的泵管耦合分析模型

程瑜华，戴定益，崔萌 (长庆油田第八采油厂，陕西西安 710021)

在输油管线的运行过程中，管线的电力和燃油消耗成为其主要的费用，原油在输送中所消耗的能量要占到原油的1% ～ 3%，因此，对输油管线实行优化设计，降低输油管道系统的能耗，对管线的长期经济、安全运行有重大的意义。介绍了传统解耦处理模型所存在的问题，提出了建立泵管耦合分析模型及相应目标函数的对策。

输油管线；优化；解耦处理模型；泵管耦合分析模型；目标函数

原油在输油管线的输送中会消耗大量的能量，对于任何一条正在运行的输油管线而言，其所消耗的费用大多来自于管线的电力和燃油消耗，据统计分析，能源的消耗费用有时可以占到输油成本的一半以上[1-3]。因此，要降低输油成本，就需要降低输油能耗，对输油管线实行优化设计。

1 影响管线经济运行的因素

通过对输油管线的运行分析，影响其经济性的因素大致有以下几点：

1)已知因素已知因素一般包括管径、输量、原油物性、地形等因素。

2)条件已知因素设计人员对管线多年来的运行记录和实测数据进行总结整理，这些记录和数据一般为不同季节管道沿线的地温变化、不同的输量和埋设地域站的温降和压降、结蜡情况等。通过总结和整理，以此来对传热系数进行反算，这些记录会经过数学计算等处理后存入数据库。为了能够使反算的数据结果更加符合实际，在计算时应当考虑到过泵油流温升、管阀件摩阻等因素的影响。

3)输送工艺的条件这些条件一般包括允许的最高油温和管压、设备的最大负荷以及进站压力、末站进站油温等因素，这些因素都属于约束条件，其会直接影响到最终方案设计的正确性和操作性。

4)管线的铺设方式一般而言，其包括单管线、双管线、分输、合输等。在进行分输、合输方案时，要建立相应的模型从而解决流量分配的问题。

5)热力和压力越站判据确定合适的判据并不容易，其所受到的影响因素十分复杂，因此在进行判据获取时，应当针对管线的具体情况来对现场的经验数据进行反演。

6)人为的决策如泵炉启动的位置、油温油压的参数控制等等。

2 传统解耦处理模型存在的问题

因为节能降耗能够大大降低输油管线的运行成本，经过多年的研究和实践，在节能降耗的方面，通过使用加剂降凝降粘、热处理、泵调速及设备改造等措施都可以降低输油成本。对输油管线进行优化，使全线的泵炉实现优良组合，是降低输油成本的基础。在过去的研究中，多数研究是采用泵管解耦，实现简化和优化过程，即先对加热方案进行优化，在此基础上通过二次分析，最终来确定泵运行的方式。但是，实际上，泵管耦合模型的关系是十分密切的。采用传统解耦处理虽然可以将分析过程简化，但是与实际情况却存在着明显的偏离，会最终影响到分析的精确性和实用结果。如在输油管线的优化设计中，对泵问题的处理是比较多的，其中，输送条件的改变会使动力费在总费用中的比例发生40%～60%的变化，可以看出，解耦处理模型在实际的工程应用中可能会造成一定的偏差。

同时，解耦处理可能会导致一些工艺约束无法对目标函数进行有效约束，如泵特性工艺、进站压力要求等，这些都会导致其工程应用受到限制。因此，笔者基于传统解耦处理模型所存在的问题，采取泵管耦合分析模型，对相关的工艺约束条件进行确定，使得其成为符合实际和能够直接应用于实际工程的优化设计方案。

3 泵管耦合分析模型

为了简化分析的过程，首先可以进行以下的几点假设条件：①管道石油的输送过程属于稳态过程；②在管壁的结蜡段，所有的凝蜡的厚度均是相等，厚度取值为平均的当量。因此，通过以上假设，就确定了管线的运行费用只与热炉启用站中的进站油温有关系。可以通过对沿线的温降和压降进行计算，并根据输送工艺的要求和越站判据，对泵炉的启用站位置数目以及出站的管压和温度进行确定，得出热力动力的消耗。通过以上分析过程，在进行密闭输送时，运行优化的目标函数可以表示为：

minf=S1(tzm)+{S2(tzm)}

(1)

{S2(tzm)}=[S21,S22,…,S2l,…,S2m]T

(2)

(3)

在上述的约束条件中,tn表示输送阶段的原油凝点，其是由热处理特性确定的；tmax表示的是所允许的最高油温；temin表示的是末站允许进站的最低油温，其通常是由原油物性和储存要求决定的；pmax表示的是输油管道内允许的最大承压值，其通常由强度要求来确定；pmin表示的是最低出站压力，其是为了克服沿线地形的高差和站间摩阻，使原油能够顺利出站的最低压力，其一般会随着站间的管线以及油流条件的不同而发生变化；[pzm]表示的是中间站允许的最低进站压力；[pend]表示的是末站允许的最低进站压力，最低进站压力是由进站压头要求、压降计算误差、站内摩阻等确定的；ηjmin表示的是下限效率，其是由运行泵按照高效区的工作要求来进行确定的；Njmax表示的是运行泵允许的最大轴功率，其是由所配的电机确定的，目的是为了防止超载。

tzm作为所优化的对象，应当满足工艺的规范要求，即：

tzm>tn+(3～5)

(4)

出站油温tout应当满足的条件为：

tout≥tn+Δtmin+(3～5)

(5)

为了保障管道能够安全运行，需要对管壁的结蜡进行考虑，即要保障结蜡厚度要低于结蜡危险区下限结蜡厚度。

在上述方程中，管道安全输送规定的温度为3～5℃；Δtmin表示的是在油管输送时要求的最小的站间温降，其取值通常是由管道的输量、站间管线的传热系数、管壁的结蜡情况、出站油温以及泵扬程约束等条件确定的。应当指出的是，当处于输量条件时，结蜡厚度必须要小于危险区下限的结蜡厚度。在上述所有的约束条件中，热泵站泵炉设备和站间的管线的约束值在实际情况下要远远大于9。

从上可见，当约束条件的取值不同时，会导致不同的设计方案，只要严格根据工艺的要求，并按照设备和现场实际情况才能确定出符合实际的许可值，才能设计出可以满足各种输送条件的决策方案。

在上述的约束条件方程式中，也包括了热力、压力的越站判据，但是其取值的复杂和困难程度要远远大于方程式本身，是需要通过对各种因素进行综合和计算后才能得到的。因为目标函数和约束条件基本上已经包含了管线和设备的运行情况，因此式(1)的优化过程就成为泵管耦合。同时，又因为泵组合具有多样性，其所形成的S2(tzm)系列使得在式(1)函数的求解过程中，自然地将tzm和S2l两个寻优过程结合在一起。其中，目标函数中的温降计算是以苏霍夫公式为依据的，压降计算对牛顿流采用的是列宾宗公式，非牛顿流是通过采用假塑性体来进行处理的。此外，为了使得数值的处理更加方便，可以采用等温降试算迭代法，当Δt的取值非常小时，计算段的温度处理的误差会更小，从而保证了物性参数能够获取更加准确，也有利于在管线中流态和结蜡段的分布。

4 泵管耦合分析模型的优化效果

泵管耦合分析模型的优化效果，对石油管线和石油经济效益有着非常大的意义。在泵管组对上可以多元化和多组化，并且能够适应多种地形和环境，以及运输的温度和散热条件。有效地避免了以前传统方法中的弊端，比如管壁的结腊过厚现象，具有很高的运输质量和精度；在泵管耦合分析模型的基础上，优化了结构热应力、热弯率、热振动问题。泵管耦合分析模型能够完全符合石油运输和石油工艺要求，降低能耗，增大经济效益，减少人力资源。