多油库生产调度工艺运行方案优化

2017-01-04顾强大庆油田有限责任公司储运销售分公司

石油石化节能 2016年4期

顾强（大庆油田有限责任公司储运销售分公司）

多油库生产调度工艺运行方案优化

顾强（大庆油田有限责任公司储运销售分公司）

将储运系统的南一油库、南三油库和北油库作为一个整体考虑，以系统总能耗费用最低为目标，建立了多站库优化数学模型，根据模型的结构特点，采用两级递阶优化方法将原优化模型分解成最优管道出站压力模型和出站温度优化模型两个子模型，两者之间通过迭代进行求解。应用该模型对大庆油田多油库生产调度工艺进行了优化，制定了不同油库的优化工艺参数，包括优化的外输温度、压力等。结果表明，优化方案与原方案相比可节约能源10.38%，具有显著的节能效果。

多油库；生产工艺；优化；外输温度；压力

“北油库—南一—南三—总外输”是大庆油田原油储运系统的重要组成部分，承担着大庆油田原油的储存及外输任务，是连接油田开采和下游石油炼化的中心环节。目前，大庆油田已处于开发中后期，油田产能下降，导致原油储运系统处于低库存、低输量运行状态，系统生产效率下降，输转油单耗上升。大庆油田计划进一步调低产量，2015计划减产150×104t，到2020年将调减至年产3200× 104t，随油田产量的进一步降低，储运系统生产调度经济性和运行效率下降的问题将更加严重。针对以上问题，需要对油田原油储运系统的生产调度工艺方案进行优化[1]。

1 多站库优化数学模型

1.1目标函数建立

根据输油管道的水力、热力特性，对于南一外输管道来说，提高管道起点温度时，沿线油温升高，油品黏度降低，管道摩阻损失减少，需要的出站压力降低，泵耗电量相应减少，但加热炉燃料消耗量却增加。相反，降低起点温度，泵耗电量增加，加热炉燃料消耗量减少。

对于北油库外输管道，当起点温度升高时，相应的泵耗电量会减少，加热炉燃料消耗量增加，但北油库所输送的原油进入南三油罐的油温也会随之升高，需要的维温热能将会减少。相反，降低起点温度，泵耗电量增加，加热炉燃料消耗量减少，维温热能消耗增加。

同时，南一、南三、北油库所输送的原油会在总外输起点进行掺混，三者各自的输油温度也将影响到总外输起点温度。总外输起点温度较高时，动能损耗相应减少，但过高的油温将会造成不必要的热能浪费。

因此，对多油库系统生产运行方案进行优化，其目的是在保证安全输送的前提下，合理地确定各油库最佳起点温度和起点出站压力，使得多油库系统总能耗最小，从而使总能耗费用最低[2]。

多油库生产运行总能耗费用包括南一、南三、北油库各自消耗的动力费用和热力费用。南一和北油库的动力费用就是泵运行所消耗的电能费用，热力费用就是加热炉运行消耗的燃料油费用；南三油库的动力费用是泵运行所消耗的电能费用，热力费用是储油罐维温所消耗的费用。以南一、南三、北油库管道的出站压力以及南一和北油库的出站温度为决策变量，以总能耗费用最小为目标函数（minS），建立数学模型如下式：

其中

式中：S——多站库生产运行的总能耗费用，万元；

S北——北油库的总能耗费用，万元；

S南一——南一油库的总能耗费用，万元；

S南三——南三油库的总能耗费用，万元；

目标函数为单位时间内多油库系统总能耗费用，表达式中第一项为北油库总能耗费用，第二项为单位时间内南一油库总能耗费用，第三项为单位时间内南三油库总能耗费用。

1.2约束条件建立

随着季节和输量的变化，输油管道的运行工况发生变化，为了满足管道输送的生产要求，管道的运行参数和设备运行参数必须在允许的范围之内，也即满足一定的约束条件[3]。多油库系统优化运行所需满足的约束条件包括输量约束、油库库容约束、设备运行能力的约束以及进出站温度和压力的约束。

1）输量约束。根据管道输量情况来确定各油库的启泵情况以及启泵台数。如果管道输量较大，需要启用多台输油泵并联运行才能满足输送要求，各台并联运行泵的流量之和等于各油库外输管道流量，各油库外输管道流量之和为总外输管道流量即有以下约束条件：

式中：γpj——并联运行泵的个数；

Qpj——并联运行泵的流量，m3；

Qx——各油库外输管道流量，m3；

Qt——总外输管道流量，m3;

np——油库总泵数;

n0——外输泵总数。

2）油库库容约束。为了保证油库能够正常安全工作，其储油量应该在一定的范围内，即

3）泵工作能力约束。为了保证输油泵能够正常安全工作，其流量和扬程应该在一定的范围内，即

4）加热炉加热能力约束。各油库内每台加热炉的热负荷要在其加热能力范围之内，即

5）锅炉热负荷约束。锅炉的热负荷要在其加热能力范围之内，即

6）管道压力约束。为了保证管道内管输介质顺利输送到终点，各管道进入总外输点的进站压力必须大于总外输出站压力要求，且进站压力不能大于终点站最高进站压力许用值，即

7）管输介质进站温度约束。为了防止输送过程中不凝油，保证管输介质能够从起点顺利进入到终点，进站温度不能低于管输介质最低进站温度许用值，即

8）管输介质出站温度约束。为保证输送油品的物性稳定，同时受到加热炉热负荷以及管道热变形的限制，出站温度应该低于管输介质出站最高温度许用值，即满足

1.3完整数学模型

生产运行方案优化数学模型可由下式表示：

2 数学模型求解算法

数学模型中决策变量为出站温度和出站压力，目标函数及约束条件都带有非线性项，该问题属于非线性最优化问题。根据模型的结构特点，采用两级递阶优化方法将原优化模型分解成最优管道出站压力模型和出站温度优化模型两个子模型，两者之间通过迭代进行求解。由于该优化问题求解过程的复杂性，为了高效求解该问题，在本项目中采用C#语言进行编程求解。

2.1管道出站压力优化子模型

该模型是在管线各站出站温度给定的前提下,确定最优出站压力模型pout*。该模型可由下式表示：

该优化问题属于非线性最优化问题，采用隐枚举法和动态规划法来求解。

2.2出站温度优化子模型

该模型是在出站压力方案一定的基础上确定各站管输介质的最优出站温度Tout*。该模型可由下式表示：

该优化问题属于非线性规划问题,采用罚函数法将模型转化为无约束优化问题,再用由Powell提出经Zangwill改进的方向加速法来求解。算法框图如图1所示。

图1 多油库系统生产运行方案算法框图

3 多站库优化运行方案

按照本项目建立的优化方法，对多油库系统进行优化，在最高、最低、平均3种流量情况下，分别对多站库系统的工艺运行方案进行了优化，其中，北油库和南一油库全年不同月份、不同环境温度及输量工况下的优化外输起点温度和外输压力如表1和表2所示。根据优化结果，对于南三油库，由于采用热油循环加热方法对储罐内原油进行加热，而储罐的加热维温能耗较高，其优化运行方案为充分利用来油温度，储罐的热油循环主要以维持罐内油温为主，不建议对罐内原油进行加热升温。