峰谷电价体制下成品油管道优化运行

2014-03-29蒋洋陈世一中国民航大学

石油石化节能 2014年2期

蒋洋陈世一（中国民航大学）

峰谷电价体制下成品油管道优化运行

蒋洋陈世一（中国民航大学）

建立了峰谷分时电价体制下泵站单机组变转速优化运行的数学模型，考虑了流态变化对计算结果的影响；以一条成品油管道为例，考察电费的节约比例随日输量及输送介质的变化规律。结果表明，峰谷电价体制下，成品油管道具有一定的优化运行降低耗电成本的潜力，但是，电费的节约比例在随日输量以及输送介质的不同而变化，必须根据不同管道的具体情况来确定每天的最优流量和转速匹配，使管道发挥最大的节能潜力。

成品油管道峰谷电价优化运行

引言

峰谷电价是指根据用户的用电情况，将每天的时间分为峰时、平时、谷时三个时段，或者峰时、谷时两个时段，分别对各个时段制定不同的用电价格，以此来促使用户改变用电方式，主动地削峰填谷，减小用电高峰时段供电设施的负担。我国从上世纪80年代开始实行分时电价制度，近几年来逐渐普及推广，取得了十分显著的社会效益和经济效益，缓解了用电紧张的状况[1]。目前，研究人员在矿山给排水、水电站、自来水厂、南水北调等领域进行了大量优化运行的研究工作，众多优化模型已经在工农业生产实际中得到了广泛应用，峰谷电价体制所带来的经济效益和社会效益日趋明显。

成品油管道运行过程中，泵机组消耗的动力费用在整条管道经营成本中占有很大比例，如果利用峰谷电价机制，适当调整管道的运行方案，合理确定一天中不同时段的输油流量，加大低谷时段的流量，减小高峰时段的流量，使管道既能完成每天的输油任务，又能使全天的耗电成本降到最低，一定程度上降低管道的输油成本，达到管道优化运行的目的[2]。但是，从安全角度考虑，不能无限制地增加谷时流量，以防止超出管道的最大承压，所以，对输量的调整必须控制在一定的范围内。

为了简化问题，便于讨论，做如下假定：

◇该管道是一条简单管道，只有首站对油品进行增压，沿途不再设中间加压泵站，沿途没有分输和注入；

◇首站只有1台工作泵，并且可以通过调节转速来调整管道的流量。

1 数学模型

将每天分为三个时段。设第 j时段（ j=1，2，3，分别对应峰时、平时、谷时）电价为Cj元/ kWh，每天运行 tj小时；该时段泵机组转速为njr/min，功率为NejkW；该时段管道流量为qjm3/h，每天的计划输量为Qm3，由此可得优化问题的数学模型：

qj≤Qmax（管道最大输量要满足管路最大承压的约束）（3）

目标函数中，泵机组耗电功率Nej的计算可以通过以下公式进行计算：

（4）式中Hj为此流量下泵机组的扬程，即该时段管道所消耗的摩阻损失，它的计算要根据达西公式[3]进行。在不同的流态下，达西摩阻系数有不同的计算方法，具体计算及公式在文献[3]中有详细介绍。当流量发生变化时，需重新确定流态，根据文献[3]介绍的方法，确定该时段摩阻系数的具体数值。ηj为此时段泵机组的效率，由于泵机组此时为变转速运行，根据相似工况下泵的效率不变[4]原理，若想确定 ηj，必须先计算流量 qj在额定转速n0下所对应的相似点 q0。泵机组额定工况下的特性方程H=A-BQ2-m已知。将通过达西公式求出的摩阻Hj和此时流量qj代入下式中可以求出此时段泵机组的转速nj：

根据离心泵调速运行时流量与转速的关系公式可以求出相似点q0，进而可以求出此时泵机组的效率。

当经过上述算法计算得到的最大流量，即低谷时段的流量q3超出管线承压所限制的最大流量Qmax时，q3受管材承压限制不能继续增大，此时令q3=Qmax，为已知量，根据（2）式，用 q1表示q2，此时，每天的耗电成本 S是关于 q1的一元函数，可以通过最优化方法中的二分法来求解最优的流量和转速匹配。

通过上述算法解得最优的流量匹配以及对应的泵机组转速匹配，保证了管道安全稳定地运行，完成每天计划输量，同时，将泵机组耗电成本降到最低，达到优化运行的目的。

2 算例分析

某成品油管道全长135 km，首站高度3.5 m，末站高度33 m。该管道采用Φ323.9 mm×6.4 mm的管径。管壁粗糙度为0.1 mm。年任务输量250×104t。泵机组的额定转速为2980 r/min。首站所在地区峰时电价为 1.32元/kWh，平时电价为 0.88元/ kWh，谷时电价为0.44元/kWh，各时段每天均运行8 h。该管道输送介质有：0号柴油、航空煤油、90号汽油。各种油品在输送温度下的主要物理性质如表1所示。

表1 输送介质的物理性质

现分别考察当管道输送上述3种介质时每天耗电费用的节约比例随日输量的变化规律，计算结果如图1所示。以0号柴油为例，随着日输量的增大，耗电成本的节约比例先是缓慢上升，并且，上升的趋势在逐渐趋于平缓，在日输量为7000 m3附近，达到最大值；此后节约比例随流量的增加开始缓慢下降，下降的趋势逐渐增加；当谷时流量发生超压时，由于受管材承压限制，该时段流量无法进一步增大，此后，节约百分比随日输量的增加而急剧下降。

图1 不同输送介质的电费节约比例随日输量的变化

产生上述结果的原因主要有两个方面：首先，由达西公式可知，管道的摩阻损失与流量的平方成正比，用电低谷时段，管道中的流量达到全天的最大值，在日输量较小的情况下，低谷时段分配到的流量也较小，该时段的摩阻损失保持在较低的水平，低谷时段的流量进一步增大时，该时段的摩阻损失显著增加，泵机组的耗电功率随之剧增，使得全天用电成本的节约百分比开始下降；其次，当谷时流量达到管材承压限制的最大输量Qmax时，为保证管道安全运行，该时段的流量必须保持在Qmax以内，通过增加谷时流量来减小耗电成本受到了限制，加剧了用电成本节约比例的下降趋势。

从图1还可以得出，在保证各时段输量不超压的前提下，组分越重，同一日输量所对应的电费节约比例越大。随着油品密度和黏度的减小，电费节约比例的最大值也在减小，并且该最值所对应的流量在增大。在输送轻质油品时，由于密度和黏度较小，增加谷时输量对节约比例的影响不大，所以，此时节约比例随日输量的增加而缓慢上升直至谷时输量达到管材承压限制的最大流量为止，此后开始急剧下降。

通过以上的分析可知，对于一条确定的管道，应该合理安排每天的输量，将用电低谷时段的流量控制在合适的范围内，尽量避免该时段流量超压情形的出现，最大程度地节约用电成本。

3 结论

计算分析表明：在峰谷电价体制下，建议将管道日输量保持在适中的范围内，这样才能最大程度地发挥其节能降耗的潜力，当日输量太小或太大时，分时输送的作用效果受到了管道本身特性的制约，此时建议采用平均流量进行输送；对于一条具体的管道而言，分时输送的流量和泵机组的转速匹配取决于管道的特性、输送油品的物理性质以及当地峰谷电价的定价规则。

[1]赵娟,谭忠富,李强.我国峰谷分时电价的状况分析[J].现代电力,2005,22(2):82-85.

[2]康正凌,宫敬,梁永图.成品油管道运行电费优化研究[J].天然气与石油,2011,29(2):1-24.

[3]杨筱蘅.输油管道设计与管理[M].山东：中国石油大学出版社,2006:36-38.

[4]姬忠礼,邓志安,赵会军.泵和压缩机[M].北京:石油工业出版社,2008:32-33.

[5]薛家庆.最优化原理与方法[M].北京：冶金工业出版社, 2008:67-77.

钻井岩屑巧变环保砖块

2013年10月21日，中国石化华北分公司钻井队在鄂尔多斯盆地钻井生产。当日，中国石化华北分公司部署在大牛地气田第四口环保井DPS-65井钻至2000多米。该井首次采用国内“钻井泥浆不落地装置”，钻井泥浆由400 m3的软体罐盛放，节省了1200 m3的钻井泥浆池子。钻井泥浆经多级过滤和电化学处理后，可实现循环利用，将井底返出的岩屑制作成建筑、铺路用的环保砖块和碎石块，彻底解决了钻井岩屑和废液处理的难题。单井产生的岩屑可制成15万块砖，在国内钻井生产中攻克钻井废弃物处理的难关，为钻井清洁生产和绿色开发提供了有力保障。

胡庆明摄影报道