基于大数据的漠大原油管道优化运行及建议

孙法峰 邓忠华 王颜全 郭 鹏 刘 杨 闻 峰

中国石油北京油气调控中心, 北京 100007

0 前言

中俄原油管道国内段(以下简称“漠大原油管道”)是中国重要的能源战略通道之一,填补了中国东北地区石油资源供应缺口,优化了国内油品供输格局,对保证国家能源安全具有重要作用[1]。漠大原油管道为“双线双模式”运行,双线为漠大原油管道一线(以下简称“漠大一线”)和漠大原油管道二线(以下简称“漠大二线”),双模式为两条管线可在两种模式状态下相互切换输油泵机组运行,是目前唯一双线同时运行并双模式切换的输油管道。全线采用常温密闭输送工艺,双线有5座站场和34座RTU阀室合建,共28台泵机组。漠大一线额定排量3 120 m3/h,最小连续排量1 600、1 200 m3/h；漠大二线额定排量2 130 m3/h,最小连续排量为950 m3/h[2-3]。受上下游库存及吞吐量的影响,漠大原油管道的运行输量随境外输量不断调整,给管道的安全经济运行带来极大的挑战,为解决输量与运行能耗匹配问题,依托大数据研究平台[4-6],对漠大一、二线运行参数和能耗等数据进行分析研究,给出运行输量的合理化匹配[7-8],提供优化运行方案和建议[9],为漠大原油管道优化运行提供可靠的依据和技术支持。

1 阶梯输量优化

根据SCADA系统实时采集的相关压力、流量、温度、库存等数据,站场输油泵机组单体计量系统采集的小时耗电量等,结合实际运行工况,对相关数据进行统计分析,得出双线配泵优化方案。

阶梯输量优化的影响因素较多,包括油品的物性、油温、泵机组参数等。

1.1 沿程摩阻分析

沿线摩阻对配泵优化方案的影响较大,而影响沿线摩阻的则是管道输量、油品物性和油温等因素。

漠大原油管道外输油源主要来自俄东西伯利亚—太平洋原油管道。近期以西西伯利亚原油为主,远期以东西伯利亚原油为主,均为含蜡原油,含蜡率6.4%左右,胶沥含量8.72%，析蜡点为13 ℃,在某一温度范围内存在析蜡高峰区[10-11]。俄油物性参数见表1。

表1 俄油物性参数表

自漠大二线投产后,境外来油输量大幅上升,漠河来油温度比同期增加7～10 ℃,平均升高56%,尤其是进入冬季油温大幅增加,变化趋势见图1。漠大一线、漠大二线油温变化趋势基本一致,见图2～3。

利用SCADA系统采集的进、出站压力和输量数据,绘制出漠大双线各站间百公里摩阻变化趋势图见图4～5。结合油温变化及清管统计情况,分析得出:

1)漠大双线摩阻随输量变化而变化,输量越大,摩阻越大,其中漠河站—塔河站、塔河站—加格达奇站摩阻变化较其他站间较大,漠大一线为1.2～2.6 MPa/100 km,漠大二线为0.58～2.1 MPa/100 km。

图1 2017-2018年漠河进站油温变化趋势图Fig.1 Variation trend of oil inlet temperature inMohe station in 2017-2018

图2 漠大一线2017-2018年油温变化趋势图Fig.2 Variation trend of oil temperature inModa Line Ⅰ in 2017-2018

图3 漠大二线2018年油温变化趋势图Fig.3 Variation trend of oil temperature inModa Line Ⅱ in 2018

图4 漠大一线各站间百公里摩阻变化趋势图Fig.4 Variation trend of friction per 100 kilometersbetween stations in the Moda line Ⅰ

图5 漠大二线各站间百公里摩阻变化趋势图Fig.5 Variation trend of friction per 100 kilometersbetween stations in Moda line Ⅱ

2)结合油温及俄油物性可发现,1～5月漠大一线漠河站—塔河站摩阻最高,且在相同输量下不断升高,对比油温,此时该管段油温6～18 ℃(漠河站油温均高于13 ℃,该管段温差较大),可判断在此温度区间存在蜡沉积高峰区,7～12月该管段摩阻大幅度下降,原因为该管段油温大幅度上升,均维持在14 ℃以上,管线蜡沉积减弱或管壁蜡融状态。

3)随着油温的升高或外输量增加,蜡沉积高峰区向下游偏移[10],尤其是塔河站—加格达奇站站间区,此管段摩阻大幅上升,而站间油温维持在6～15 ℃(5～8月)和8～15 ℃(9～12月)两个区间,尤其在8～10 ℃附近,蜡沉积较为严重。

4)其他管段摩阻未出现升高迹象,站间油品温度均维持在12 ℃以下(以9 ℃以下为主),且站间油温差在1 ℃内,可见不存在析蜡高峰。

5)漠大二线为新投产管线,运行前期各站间管段摩阻基本一致,随着时间的推移和油温的变化,也出现2)和3)的情况。

6)通过对漠大一线、漠大二线摩阻分析，结合管线油温变化,两条管线摩阻变化趋势和诱因基本一样,站间油温在6～13 ℃附近为俄油析蜡高峰区,易造成管道结蜡,摩阻升高(黏度影响较小)。着重清理塔河—加格达奇段,根据油温变化可对漠河站—塔河段和加格达奇—讷河段进行清管,见表2。

表2 漠大双线2018年清管统计分析表

1.2 站场能耗分析

受地理位置影响,漠大原油管道全线无燃料消耗,均为电能消耗。主要能量消耗是克服沿线摩阻和地形高差所需要的动能(电能)，工艺管线保温伴热所需的电能、储罐保温消耗的电能、站场采暖所需电能、自动化仪表以及通信设备等终端用电设备所需电能等。

其中非泵机组耗电占比较低,其耗电量随着环境温度规律变化,冬季运行非泵机组耗电占比上升,均在20%～30%,各站的比例变化趋势基本一致,见图6。

泵机组是管道输送的主要耗电设备,约占总耗能的80%以上,根据采集的相关数据,得出泵机组的综合效率及压能匹配,不同输量下泵机组的综合效率[12-13]。

不同输量下泵机组综合效率及压能变化,见图7和表3。

图6 漠大原油管道站场非泵机组耗电比例趋势图Fig.6 Power consumption ratio trend of Non-pump unitsin stations of Moda crude oil pipeline

图7 漠大一线各站泵机组(定速泵)综合效率及压能随输量的变化趋势图Fig.7 Variation trend of comprehensive efficiency and pressure energyof pump units(constant speed pumps) in stations of Moda line Ⅰ

表3 漠大一线不同输量工况下各站变频泵提供的综合效率和压能表

由图7和表3可以看出：

1)泵机组(定速泵)的综合效率随输量的增加而增加,压能则反之。因漠大一线增输改造,漠河站和加格达奇泵站部分输油泵叶轮切割改造,泵机组(定速泵)的综合效率远低于其他站场。相同输量下漠河站0307#泵提供的压能最高、电耗最高、效率最低；0305#泵提供的压能最小,但综合效率接近塔河站和讷河站。塔河站和讷河站泵机组的综合效率最高,均在80%以上。

2)相同转速下,泵机组(变频泵)的综合效率随输量的增加而增加,压能则反之,其变化规律遵循其流量特性曲线。漠河站和加格达奇泵站变频泵叶轮切割改造,综合效率远低于其他站场。泵机组(变频泵)提供的压能(转速>2 800 r/min时)≥泵机组(定速泵)时,其耗电大幅度增加,效率降低,反之则效率最高,耗电较小。

3)漠大二线泵机组提供的压能和综合效率基本一样,到达额定排量时耗电最高、效率最高。

1.3 阶梯输量配泵方案

根据摩阻变化规律及遵循优选最优能效泵机组原则,通过SCADA系统自动采集的压力、流量等数据和泵机组单体计量系统采集的24 h耗电筛选,与同等条件下离线仿真结果对比,总结出双线不同情况下的阶梯输量优化配泵方案[14-18]，见表4。

表4 漠大原油管道双线阶梯输量优化配泵方案(清管前后)表

根据表4配泵方案,统计出双线阶梯输量能耗变化，见图8～9(输量后“-”表示清管前),可知:

1)随着输量的增加,泵机组耗电量和提供的总压能持续增加,且耗电量与输量及压能变化呈正相关趋势。

2)相同输量下,清管前后全线总耗电和总压能明显下降,总耗电降低0.7×104～4.0×104kW·h,总压能降低0.4～2.0 MPa。

3)相同输量下,漠大二线总耗电量和总压能均小于漠大一线,且每提量100 m3/h,漠大二线的变化幅度均低于漠大一线(漠大二线1 900～2 000 m3/h除外)见图10。即:根据漠大双线能耗增幅,合理安排漠大双线增减量工作。

图8 漠大一线清管前后不同阶梯输量配泵全线耗电和总压能变化趋势图Fig.8 Variation trend of power consumption and total pressureenergy of the whole line of the pump with different step transmissioncapacity of Moda line Ⅰ (before and after pigging)

图9 漠大二线清管前后不同阶梯输量配泵全线耗电和总压能变化趋势图Fig.9 Variation trend of power consumption and total pressureenergy of the whole line of the pump with different step transmissioncapacity of Moda line Ⅱ(before and after pigging)

图10 漠大原油管道双线能耗增幅变化趋势图Fig.10 Variation trend of the growth of energy consumptionfor Moda crude oil pipeline

2 双线输量匹配

由于受上下游库容情况(库容均为60×104m3)、境外来油和末站转油小时输量等条件的限制,为顺利完成输油任务,漠大原油管道双线采用连续输送方式,根据其能耗增幅情况优化匹配输量(其中输量组合为漠大一线升漠大二线降)[19-20]，见图11～12。

1)同一输量下,双线输量差越大,总耗电和总压能也越大。

2)境外输量3 900 m3/h时,采用平均输量相邻的两个阶梯输量组合(优先启运变频泵),漠大二线运行输量较低,为1 900 m3/h。

3)境外输量4 000 m3/h时,采用平均输量相邻的两个阶梯输量组合(优先启运变频泵),清管前,漠大一线运行输量较低,为1 950 m3/h;清管后,漠大二线运行输量较低,为1 900 m3/h。

4)境外输量4 100 m3/h及以上时，采用平均输量相邻的两个阶梯输量组合(优先启运变频泵),漠大二线维持在2 150 m3/h。

5)结合2018年月度运行情况,运行能耗大幅度降低,单耗同比降低21%左右。

图11 漠大原油管道双线清管前不同输量组合下24 h总耗电变化趋势图Fig.11 Variation trend of total power consumption in24 h under different transmission conditions forModa crude oil pipeline(before pigging)

图12 漠大原油管道双线清管后不同输量组合下24 h总耗电变化趋势图Fig.12 Variation trend of total power consumption in24 h under different transmission conditions forModa crude oil pipeline(after pigging)

3 结论及建议

1)通过对漠大一线、漠大二线线摩阻分析，结合管线油温变化和油品物性,两条管线摩阻变化趋势和诱因基本一样,存在析蜡高峰区(随着输量增加,时间会前移),根据近两年数据分析,初步判断析蜡高峰区为6～13 ℃。建议着重清管塔河站—加格达奇站,随着油温的推移变化可对漠河站—塔河段和加格达奇站—讷河站清管。

2)通过SCADA系统采集的相关数据,反算出泵机组综合效率,指出增输改造对部分泵性能的影响,建议相同条件下优先启运各站变频泵和效率较高泵机组,避开输油泵低效运行区;总结出不同输量下泵机组的综合效率,可根据泵机组的压能,反算泵机组的耗电量,可粗略估计全线总耗能。

3)根据漠大一线、漠大二线的最优配泵组合,总结出在不同境外输量下的双线运行最佳输量,有效降低了全年能耗,2018年单耗同比降低21%,按照此输量优化匹配2019年年输量增加6%时,单耗只增加3%。

4)鉴于不同阶梯输量(清管前后)的优化组合,根据清管前后计算总电耗和清管费用,核算具体清管周期或何时清管;在SCADA系统参数表上添加站间摩阻数据,进行实施监控,设定摩阻标准值,设定清管周期;从最优单耗角度,根据月计划,匹配输量和电耗;从阶梯输送角度,考虑管输能耗(包括单耗)和输量匹配。