峰谷电价体制下原油管道输油方案优化研究

李海娜 吴家勇 陶江华 徐 亮 张 舟

1.中国石油管道公司,河北 廊坊 065000;2.中国石油管道科技研究中心,河北 廊坊 065000



峰谷电价体制下原油管道输油方案优化研究

李海娜1吴家勇2陶江华1徐 亮1张 舟1

1.中国石油管道公司,河北 廊坊 065000;2.中国石油管道科技研究中心,河北 廊坊 065000

以日东原油管道为例,建立了峰谷分时电价体制下各输油站泵机组优化运行时动力耗电的数学模型,考虑了流态、摩阻、高程及油品黏度对计算结果的影响,在保证日输油计划的情况下,求解了平均输量和分时段调整输量下的最少泵送动力耗电费用,得到最优配泵和输油方案。计算结果表明,当日输量处于某一适中范围时,利用峰谷电价体制调整管道输油方案,具有一定的优化运行降低能耗成本的潜力。同时,因日东线采用在线掺混输送工艺,通过分析对比输送不同掺混比例油品的单位能耗,表明不同掺混黏度的油品节能效果不同,对日东原油管道掺混输送具有一定的理论参考意义。

峰谷电价;节能;优化运行;掺混输送

0 前言

日东原油管道是长距离常温输送中东重质和中质原油的输油管道。由于油源发生变化,日东原油管道目前以常温掺混输送委内瑞拉原油和中东原油为主,其中委内瑞拉原油为低凝点、高黏度、胶质含量高的原油,中东重质原油及中东中质原油为低黏度原油(20 ℃时黏度在55 cst以下)[1]。实践表明,常温输送原油管道运行中泵送电力费用占整条管道经营成本比例较大,同时输油单位能耗是衡量管道系统能耗水平高低的主要标志,降低输油单位能耗的主要途径是泵机组与管路相匹配并保持较高运行效率,达到最优工作状态[2]。结合近两年的输送经验,为实现控制能耗成本、降本增效的目的,可以利用峰谷电价体制,合理调整管道输送流量,在管道满足每天输油任务的前提下,使泵送电力费用最少[3-4]。但是,从管道运行安全角度考虑,受油品本身特性和管道设计压力的限制,不能无限制增加谷时电价期间的流量,以防止管道超压;同样由于掺混输送油品的密度和黏度不同,会影响管道的沿程摩阻,对输量安排也会有影响,因此,在峰谷电价体制下安排输量必须控制在一定的范围内且要根据油品物性做适当调整[5-10]。通过建立日东原油管道泵送电力费用数学模型,研究沿线各站输油泵机组优化运行方案,可以合理安排掺混输送的批次以及掺混比例,达到节能降耗的目的,节约输油成本[7-17]。

1 管道运行动力耗电优化模型

日东原油管道全线设有2个输油泵站,1个清管站,中间无分输,首站6台定转速离心泵,其中2台给油泵,4台输油主泵；中间站3台定转速离心泵,1台变频离心泵。日东原油管道沿线各站的电价见表1。

考虑到管道日常运行的稳定性,将每天峰谷电价分为谷时和峰时2个时段,对应的电价为C谷(C峰),每天运行时间t谷(t峰),该时段的流量对应为q谷(q峰),每天的计划输量为Q,根据峰谷电价体制计划输量下的最优泵送动力费用数学模型[7-9]为:

(1)

表1 日东原油管道沿线电价表

序号名称时间范围日照输油站电价/(元·kW-1·h-1)兖州输油站电价/(元·kW-1·h-1)1尖峰时段10:30～11:3019:00～21:001.850451.291052峰时段8:30～10:3018:30～19:0021:00～23:001.74161.21913平时段7:00～8:3011:30～18:001.08850.78744谷时段23:00～7:000.43540.3557

式中:C谷为谷时电价,元/(kW·h);C峰为峰时电价,元/(kW·h);t谷为每天谷时运行时间,h;t峰为每天峰时运行时间,h;q谷为每天谷时电价时的流量,m3/h;q峰为每天峰时电价时的流量,m3/h;Q为每天的计划输量,m3;Lij表示第i个泵站第j台泵的运行状态,1表示运行,0表示停运;Neij表示第i个泵站第j台泵的有效功率,可以用以下公式进行计算:

(2)

(3)

式中:qij为第i个泵站第j台泵的流量,m3/h;Hij为第i个泵站第j台泵在流量qij下泵机组的扬程,m。

根据达西公式进行计算,当输送流量或掺混比例发生变化时,需要重新确定该管内油品的流态。

流量和时间约束条件如下:

t谷q谷+t峰q峰=Q

(4)

t谷+t峰=24(t谷≥0,t峰≥0)

(5)

压力约束条件如下:

Pb+PP=Pf+Pin+Ph+Pc+Pe

(6)

式(6)为能量瞬时平衡方程,表示在dt时间内管道系统的供能和耗能平衡。

Pe≥0.2

(7)

Pm≥0.5

(8)

式中:Pb为管道起点压力,MPa,可视为0.2 MPa;PP为管道沿线各泵站提供的压能之和,MPa;Pf为管道全线摩阻损失之和,MPa;Pin为站内压力损失之和,MPa,每站压力损失计为0.01 MPa;Ph为克服线路地形高差的压力损失,MPa;Pc为各泵站节流损失之和,MPa,由于日东线在调控运行过程中采用手动控制无节流,该项可计为0 MPa;Pe为终点压力,MPa;Pm为中间站进站压力[8-9],MPa。

通过对式(1)～(8)进行优化分析,日东原油管道输油泵送电力费用的最小值Smin可以简化为谷时流量q谷和日输量Q的函数,利用matlab编程分别计算不考虑峰谷电价平均输量运行时和峰谷电价下调整输量优化运行时的泵机组动力耗电费用,然后折算成油品单位能耗进行比较。同时由于目前日东原油管道长期处于掺混输送运行工况,根据掺混输送的相关经验计算了不同掺混比例下不同黏度油品节约单位能耗情况。

2 结果分析

日东原油管道全长445 km,首站高程3.9 m,中间泵站高程46.4 m,末站高程55 m;管径分别为711 mm和610 mm。根据实际运行情况,为减少流量波动频繁对管道本体运行的影响,日东原油管道沿线电价分为峰时、谷时2个时段,首站所在地区峰时电价为1.741 6元/(kW·h),谷时电价为0.435 4元/(kW·h),中间泵站所在地区峰时电价为1.219 1元/(kW·h),谷时电价为0.355 7元/(kW·h)。由于日东原油管道输送进口原油,油品种类较多,以下列出目前输送频次较高的3种油品,表2为输送油品在不同掺混比例时原油的密度和黏度。

表2 输送不同掺混比例油品时的密度和黏度

不同掺混比例油品密度20℃/(kg·m-3)黏度20℃/(10-6m2·s-1)中东原油∶委内瑞拉原油=1∶0862.943.02中东原油∶委内瑞拉原油=2∶1874.646.05中东原油∶委内瑞拉原油=3∶2880.5120.72

2.1 平均输量下运行结果

图1 平均输量运行时油品单位能耗随日输量的变化曲线

输油管道在运行过程中主要着重于整个管道系统的平稳运行,若根据峰谷电价分时调节输量会对管道的平稳造成影响,同时管道的运行管理和操作也会增加不少工作量。图1为输送中东轻质原油时,平均输量运行下油品单位能耗随日输量的变化趋势。图1中日输量在19 000～24 000 t时,输油泵机组处于低效运行区间,油品单位能耗相对较大;随着日输量的逐渐增加,泵运行效率增大,油品单位能耗逐渐减少;当日输量增加到一定程度后，为满足输量安排,计算过程中会自动调节配泵方案或增加变频泵转数使管道系统趋于平衡状态,油品单位能耗会出现跳跃式增加,若日输量持续增加会出现类似趋势。

2.2 峰谷电价下调整输量优化运行结果

输油管道在日常运行管理中,对管道输送流量进行调节应在完成输送任务的前提下,以全线能耗费用最低为基本原则。根据峰谷电价体制,在满足计划输量的情况下对1 d中不同电价时段实时调整输量,峰时减小流量,谷时增加流量。同时,当输量发生变化时泵机组运行状态做相应调整,优化配泵方案与管路相匹配,使其在匹配状态下能保持较高运行效率,达到节能降耗的目的[4,7]。

图2 优化运行时油品单位能耗随日输量的变化曲线

图2为输送中东轻质原油时,利用峰谷电价体制调整输送流量及配泵方案情况下油品单位能耗随日输量的变化曲线。图2表明,随着日输量增加,油品单位能耗逐渐降低,当日输量约19 674 t时达到最小单位能耗值,随之,油品单位能耗成上升趋势;当日输量增加到25 265、25 887、28 372 t时,油品单位能耗会出现阶梯式跳跃。以上趋势同样说明日输量较小时泵机组处于低效运行状态,油品单位能耗相对较大;日输量的逐渐增大,使得泵效增大单位能耗降低,然而,根据达西公式可知,沿程摩阻随着流量的增大而增大,在日输量达到某个限值时,油品单位能耗也随之增大。通过对比图1和图2,当日输量处于某一适中范围时,通过调整输送流量对节能降耗起到一定的作用,且最佳的泵优化方案可以大大降低输送成本。

2.3 节约油品单位能耗对比分析

对于密闭输送的管道系统,全线是一个统一的水力系统。应根据沿线各站的能耗单价、管道和泵站的承压能力,综合考虑全线泵站和站内泵机组的组合方式,尽量提高低电价泵站的能量供应,减少高电价泵站的能量供应[13]。图3为平均流量和优化运行调整输送油品流量时节约油品单位能耗随日输量的变化曲线,通过对比发现在日输量处于较低时,节约单位能耗相对较少,当日输量在21 537～25 265 t和26 300～28 372 t范围时节约油品单位能耗比例较大。表3为输送中东轻质原油日输量为20 916、22 573、22 780、24 851、26 922 t时对应的平均流量和优化运行时的油品单位能耗、配泵方案以及节约的油品单位能耗。日输量较低时,节约能耗费用较少,建议在该日输量范围内直接采用平均流量输送,减少操作对管道平稳运行的影响;在日输量为22 780 t时节约油品单位能耗最大,根据节约油品单位能耗趋势变化图,当日输量在节约油品单位能耗相对较大的范围时,建议采用管道运行动力耗电优化模型计算得到优化输油及配泵方案,从而在实际管道运行过程中根据峰谷电价调整输送流量及泵运行状态。

图3 平均流量和优化运行时节约油品单位能耗随日输量的变化曲线

然而,输油管道在实际运行过程中并不能保证泵机组长期处于高效运行区间,且其他辅助设备耗电费用在整个耗电量中所占比例不小,理论计算结果与实际情况会存在一定的误差。为了进一步验证计算结果,2015年9月中控调度根据日东原油管道沿线峰谷电价对全线流量进行调整,运行期间全线流量控制在1 000～1 500 m3/h,并根据实际耗电量及电费计算油品单位能耗,由于日东原油管道根据海上来油情况间歇输送原油,其中9月6日全天输量约1 300 m3/h,首站和中间站各运行2台输油主泵,日输量约27 368.82 t,日耗电费用约49 942.68元,油品单位能耗为0.004 1元/t·km;9月30日22:00～10月1日8:00首站3台输油主泵运行,中间站2台输油主泵运行,运行输量约1 450 m3/h,10月1日10:00～20:00日照首站2台输油主泵运行,运行输量约910 m3/h,日输量约26 287.072 t,日耗电费用约45 583.95 元,油品单位能耗为0.003 9元/t·km,根据以上测试结果,油品单位能耗节约0.000 2元/t·km。在理论计算中,若以日输量约26 922 t计算,平均输量下油品单位能耗为0.009 34元/t·km,采用峰谷电价合理安排输油计划调整输送流量时油品单位能耗为0.007 56元/t·km,则节约油品单位能耗为0.001 78元/t·km。

表3 输送中东轻质原油时平均流量和优化运行时节能对比

日输量/t平均流量优化流量组合流量/(m3·h-1)油品单位能耗/(元·t-1·km-1)配泵/台峰时流量/(m3·h-1)峰时配泵(x+y)/台谷时流量/(m3·h-1)谷时配泵(x+y)/台油品单位能耗/(元·t-1·km-1)节约油品单位能耗/(元·t-1·km-1)2091610100.005181+110331+19981+10.005170.000012257310900.006991+212632+110031+10.005250.001752278011000.007752+114352+29321+10.005320.002432485112000.007642+116003+210001+10.005570.002072692213000.009342+214562+212222+10.007560.00178 注:配泵x+y表示首站开启x台主泵,中间站开启y台主泵。

3 峰谷电价下掺混输送优化结果分析

图4 不同掺混比例输送时节约油品单位能耗随日输量的变化曲线

由于日东原油管道目前采用在线掺混输送中东原油和委内瑞拉原油,在原油掺混输送过程中利用静态掺混器对稠油和稀油进行掺混,并对掺混后的油品进行现场黏度和密度的测量,在满足掺混要求的情况下进行外输。因此,在优化模型中考虑了不同掺混比例下不同黏度的油品在输送过程中对沿程摩阻的影响,通过优化计算得出不同掺混比例的油品节约单位能耗存在差异,图4为稀油和稠油的掺混比例为1∶0、2∶1、3∶2时管道系统节约单位能耗随日输量的变化曲线。图4表明,当稀油和稠油掺混比例为1∶0和2∶1时,在整个日输量范围内节约单位能耗趋势基本一致,掺混比例为2∶1时节约单位能耗的起始位置较1∶0稍有提前;当掺混比例为3∶2时,节约单位能耗较2∶1和1∶0有明显区别,在日输量为18 638～22 159、22 987～23 816和27 336～28 786 t范围时,稀油和稠油3∶2掺混输送节约单位能耗相对较多,日输量为22 987 t节约单位能耗最多。因此,在充分考虑油品流动性的情况下,为节约泵送动力成本,在掺混输送时建议采用稀油和稠油3∶2比例进行掺混。

4 结论

1)峰谷电价体制下,只有当管道日输量处于某一适中范围时,根据分时段调整输送流量和配泵方案对减小油品单位能耗、降本增效起到一定的作用。当管道日输量偏小或者过大时,受到管道本体的制约,调整输送流量的方法对节能降耗作用不明显,建议采用平均流量运行。

2)由于日东原油管道目前采用常温掺混输送原油的工艺,油源为海上来油具有不可预见性,以及我国稠油的炼化加工需求量逐年增加,建议采用稀油和稠油3∶2掺混比例进行掺混输送,利用峰谷电价体制下管道运行动力耗电优化模型计算,优化管道运行方案,在最优日输量下输送混油,同时在输送过程中要充分考虑所输油品的流动特性。

3)日常运行中,当管路的工作状态得到优化时,可以充分优化泵机组的工作状态,通过调节变频泵转速或者选用不同的配泵方案来调整输量,实现整个管路系统的优化运行，达到节能降耗的目的。

4)在本文计算模型中充分考虑了管道运行的稳定性,实际情况下由于客观条件和人为因素等原因并不能保证泵机组长期处于高效运行区间,优化结果与实际情况必定存在一定的误差。

[1] 胡延江,孙宾来,武化宇.静态混合器在原油长输管道上的应用[J].广东化工,2013,40(2):111-116.

Hu Yanjiang,Sun Binlai,Wu Huayu.The Application of Static Mixer in Crude Oil Long-Distance Transmission Pipeline[J].Guangdong Chemical Industry,2013,40(2):111-116.

[2] 李万森.优化输油系统工作状态的配套技术[J].大庆石油学院学报,1992,16(3):56-59.

Li Wansen.The Matching Technology of Optimize the Working Condition of Oil Transportation System[J].Journal of Daqing Petroleum Institute[J].1992,16(3):56-59.

[3] 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.

Zhao Juan,Tan Zhongfu,Li Qiang.Analysis of Time-of-Use(TOU) Power Price in China[J].Modern Electric Power,2005,22(2):82-85.

[4] 陈义强,杨洪明.峰谷电价问题探讨[J].湖北电力,2002,26(2):47-48.

Chen Yiqiang,Yang Hongming.Discussion on the Issues of Peak Valley Price[J].Hubei Electric Power,2002,26(2):47-48.

[5] 于 涛.油品混合输送在西部原油管道的应用[J].油气储运,2013,32(2):162-165.

Yu Tao.Application of Oil Mixed Transportation in Western Crude Oil Pipeline[J].Oil & Gas Storage and Transportation,2013,32(2):162-165.

[6] 张丙辰.西部原油管道满输量测试研究[J].天然气与石油,2015,33(3):1-4.Zhang Bingchen.Test Study on Western Crude Oil Pipeline with Full Capacity[J].Natural Gas and Oil,2015,33(3):1-4.

[7] 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):1-5.

Kang Zhengling,Gong Jing,Liang Yongtu.Study on Operation Electric Charge Optimization of Product Oil Pipeline[J].Natural Gas and Oil,2011,29(2):1-5.

[8] 蒋 洋,陈世一.峰谷电价体制下成品油管道优化运行[J].石油石化节能,2014,(2):1-3.

Jiang Yang,Chen Shiyi.The Optimization Operation of Refined Oil Pipeline Under Peak and Valley Electricity Price System[J].Energy Conservation in Petroleum & Petrochemical Industry,2014,(2):1-3.

[9] 崔 慧,吴长春,吴江林,等.峰谷电价体制下东北输油管网日输油优化研究[J].中国工程科学,2004,6(8):69-73.

Chui Hui,Wu Changchun,Wu Jianglin,et al.Study of the Optimal Scheme for the Daily Operation of Northeastern Oil Pipeline Network Based on the Peak-Valley Price[J].Engineering Sciences,2004,6(8):69-73.

[10] 吴 栋,黄肖林,郑洪峰,等.考虑峰谷电价的输气方案的优化研究[J].当代化工,2014,43(8):1511-1513.

Wu Dong,Huang Xiaolin,Zheng Hongfeng,et al.Optimization of Gas Pipeline Transportation Scheme Considering TOU Price[J].Contemporary Chemical Industry,2014,43(8):1511-1513.

[11] 刘 成.临济复线原油管道能耗分析与计算[J].油气储运,2005,24(1):54-57.

Liu Cheng.The Energy Consumption Analysis and Calculation for Proposed Linyi-Ji’nan Oil Pipeline[J].Oil & Gas Storage and Transportation,2005,24(1):54-57.

[12] 谢 萍,马晨波,林小飞,等.风城稠油掺稀流动性变化规律研究[J].天然气与石油,2014,32(6):5-11.

Xie Ping,Ma Chengbo,Lin Xiaofei,et al.Research on the Flowing Properties of Fengcheng Heavy Crude Oil Diluted by Light Crude Oil[J].Natural Gas and Oil,2014,32(6):5-11.

[13] 杨筱蘅.输油管道设计与管理[M].东营:中国石油大学出版社,2006.

Yang Xiaoheng.Design and Management of Oil Pipeline[M].Dongyin:China University of Petroleum Press,2006.

[14] 刘天佑,孙维中,高艳清,等.多组分混合原油常温输送技术[J].油气储运,1999,18(9):1-7.

Liu Tianyou,Sun Weizhong,Gao Yanqing,et al.Study on the Ordinary Temperature Transportation Process of Multi-Blended Crude Oil[J].Oil & Gas Storage and Transportation,1999,18(9):1-7.

[15] 蔡英俊.原油在线混合输送工艺的应用[J].轻工科技,2012,(3):22-23.

Cai Yingjun.Application of Online Mixed Transportation Technology in Crude Oil Pipeline[J].Light Industry Science and Technology,2012,(3):22-23.

[16] 许高达.稠油长输管道技术研究[J].油气田地面工程,1995,14(2):13-15.

Xu Gaoda.Heavy Oil Long Distance Pipeline Technique Study[J].Oil-Gasfield Surface Engineering,1995,14(2):13-15.

[17] 修林冉.稠油长输管道技术经济特性研究[D].北京:中国石油大学(北京),2011.

Xiu Linran.Technical and Economic Characteristics of Heavy Oil Pipeline[D].Beijing:China University of Petroleum(Beijing),2011.

2016-01-27

李海娜(1983-)，女，湖南邵阳人，工程师，博士，主要从事输油气管道工艺管理和运行调控工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.04.002