输油管道泵组合优化运行方案设计及实现

姜远征 杨祖钊 张金芳

（1.华北电力大学控制与计算机工程学院，北京 102206；2. 中国石油长庆石化公司，陕西 咸阳 712000）

节能减排是“十二五”规划的重要目标之一。然而，在我国很多行业的多数装置上，能源消耗与产出的比值远远低于发达国家，2010年数据统计表明中国单位 GDP能耗约是日本的 5倍，美国的 3倍[1]。随着能源的日渐枯竭，高消耗的模式不可持续，因此，提高生产效益势在必行。在原油的输送中，由于我国原油含蜡含硫量较高，通常要求加热输送，在此过程中，存在许多配置应用不合理的地方，如为保证安全输油，一般都会过多地设置输油中继站，同时配置功率较大的输送电机，采用较高的输送温度。这些“超配”措施能很好地保证输油的安全却带来了极大的能源浪费。对于一些中小型的原油加工企业来说，其超配更加严重。本文将要探讨的输油管道隶属于某中型企业，其设备利用率比较低下。

1 设备现状及运行方式

1.1 运行概况

某码头站原油输送系统原油接卸能力200万t/年，输油操作主要首站有3台长输泵、2台混输泵，五台泵年耗电约为占码头输油总电耗的60%。现场数据表明，由于对输送变化流量的原油时首站各泵的控制运营仅凭调度人员经验操作，当前习惯操作的泵机组运行效率较低，功耗偏高，泵运行方式单一，现场各泵不能充分利用，特别在最高流量或最低流量时效率更低，因此有必要利用各泵进行优化组合运行，改进目前输送方案，在保证安全运行的前提下，确定稳定工况下合理的泵组合，达到降低输油电耗，原油输送经济运行、稳定最优的目的。本文只讨论泵组合的一个主要原因是因为在实际中，为了加快卸船速度，通常采用高温卸油，即码头站的原油温度几乎不需要再加热就能直接输送，因此只讨论泵组合优化对该码头站来说有更大的实际意义。

1.2 首站各泵的主要技术参数

首站各泵机组主要技术参数参见表1。

表1 码头站泵机组的主要技术参数

1.3 泵站特性描述

泵站的流量调节是通过合理调整输油泵的出口阀门开度及多台输油泵机组的串并联实现的。管道特性曲线可以表示为f=H+KQ2，泵的特性曲线为f’=Hb-KbQb2[2-3]。相同泵组合在不同给定质量流量下运行时，流量小于一定值时其单位输油电耗明显大于流量高的单位输油电耗。这是由于输送小流量原油时，单位输油电耗较大，引起泵输送效率下降所致。

由图1可知，泵特性曲线与管道特性曲线的交点为效率最高的工作点，保持泵特性曲线不变，改变管道的特性曲线，两曲线得到的建议工作点的流量值也减小。当泵处于最高工作点，流量越大，泵效率越高，从而单位输油电耗越小，因此为了保证泵高效运行，泵机组运行时应尽量使其在满负荷下运行[4]。

图1 泵特性曲线

1.4 单位输油电耗的计算

输油管道运行费用主要由输油泵的动力费用和热力费用组成，其中原油泵的动力费用占主导地位，本文中对管道的运行优化主要针对泵机组的组合优化，降低泵的实际消耗功率，即单位输油电耗比，以节省动力费用。由于原油码头各泵采用三相电动机带动，实际能耗比计算公式如下所示：

其中，N为实际功率，kW·h；U为电机线电压，V；I为电机线电流，A；cosϕ为功率因数，现场功率因数波动范围为 0.85～0.92，本文中cosϕ取为相对稳定区间内的值0.9。

单位输油电耗[5]如下所示：

其中，Ne为单位输油电耗（简称单耗），kW·h/t；N为实际消耗功率，kW；Q为质量流量，t/h。

1.5 输油泵实际运行工况

泵组合的优化是通过泵的组合排列来实现的。根据输油工艺的要求，泵机组实验应保证在管道稳定运行条件下实现从一种工况向另一种工况的过渡。根据管道设计运行情况统计得到现场流量的波动范围有八种，分别约为 100t/h，120t/h，140t/h，160t/h，180t/h，200t/h，210t/h，240t/h。由该码头6个月的数据得到运行过程中具体波动范围见表2。

泵机组组合方式在给定输量下根据管线上的阀门开度与/或泵的串并联的不同一般有多种。分析各流量区间的实际运行统计数据，选取各参数在稳定运行一定时间后的平均值，对比可知，已有的运行方式中在各给定流量下的所有历史数据的平均单位输油电耗远高于历史最优单位输油电耗，说明现有输送方式大部分都为不经济的泵组合方式，经验操作的随机性令现有控制方案有较大的优化空间。

表2 现场各泵运行数据

2 优化运行方案的确定

2.1 方案原则

1）输油管道运行优化的目的是在保证输送任务的前提下，通过泵组合选取效率较高功率最小的匹配机组，确定最优泵组合方案，实现长输泵与混输泵的有效利用，从而降低码头站动力消耗。

2）当各泵输送小流量原油时，其泵效率减小，导致单位输油电耗较大，所以各泵尽量满负荷运行，保证单耗相对较小[6]。当满负荷运行泵机组不能满足给定流量要求时，适当调整阀门开度或改变泵组合方式，以完成付油任务。

2.2 实验方案

分析码头站的实际运行数据可知，输油系统质量流量区间为80～260t/h，流量变化较大。由于泵串并联及管道上的阀门开度可以调节，一种泵组合方式一般可以满足多个输油量范围。每种组合可能满足的给定流量情况如表3所示。另外由于可能存在安全隐患，且当前最大质量流速能够充分完成付油任务，实际运行中未考虑P2-113与P2-105接力、P2-113与P2-103并联P2-104接力的泵组合方式。

由表所示，不同输油流量区间下泵组合方式共有28种。在确认当前批次原油量，确保安全运行的前提下，确定当前每个流量区间对应泵组合方式分别有几种，从中找到稳定运行下的最小单位输油电耗。从而确定最优泵组合方式。

目前，炼油厂脱除MDEA溶液中HSS主要采用在线离子交换技术(如青岛炼油、镇海炼化、惠州炼油等)，把含有HSS的贫胺液通过离子交换树脂，HSS中的阴离子与树脂上的氢氧根离子发生置换反应，从而被树脂吸附。树脂饱和后再用氢氧化钠溶液再生，产生钠盐和碱液的混合废液。离子交换技术需要耗费一定量的碱液以不断再生树脂，同时产生大量含胺废水，平均每处理1 m3胺液约产生含胺废水1.5～2.4 m3[6]。含胺废水对污水处理场生化系统的运行非常不利。因此，对污水处理能力有限的炼油厂，选择离子交换除盐技术时要充分评估设备运行对系统污水平衡的影响。

2.3 数据分析

现场采集到的变量有电压，电流，质量流量，温度，首站压力，末站压力等，采样间隔为 30s。为精确计算单位输油电耗等参数，对所取数据作初步分析。现有采集码头站的各参数数据仅仅局限于管道中若干测试点，且因原油流动各参数受到系统、测量元件及外部干扰产生的大量未知噪声的污染，使得部分数据失真，难免会和实际情况不符，出现随机误差。在利用此类现场实时数据进行规律总结之前，需进行数据预处理，才能更好地对码头站运行状态进行观测、评价和优化。

本文对单位输油电耗相关变量如各泵电压，电流，质量流量分别进行滤波，首先采用洛必达法则判断各变量坏值，然后采用滑动平均法对各变量坏值及缺失值进行平滑处理。

由表4可知，输油泵P2-103单独运行时在质量流量低于205t/h的各流量区间单耗占优；输油P2-105单独运行时在质量流量为205～270t/h时单耗占优；输油泵P2-104单独运行时单耗较高，满负荷时(质量流量约为140t/h)单耗相对低流量时较低；输油泵P2-103与P2-104并联运行时能够覆盖的流量区间范围较大，为133～250t/h，但其单耗均较高，可作为备用方案运行；另外，长输泵与P2-113串联后流量提升幅度明显大于与P2-115并联，P2-104与P2-113、P2-103与P2-113并联后分别可作为质量流量准则约为180t/h和200t/h的备选方案。

3 节能效果综合评价

3.1 以瞬时流量为标准进行节能优选

管道输送能力是指启泵输送时的流量，由表4可知，当质量流量约为240～260t/h，建议启用泵P2-105；当质量流量区间为100～210t/h，建议启用泵P2-103。单位输油电耗最高的泵组合方式为在各流量区间各有不同，此外其余流量区间时不存在经济泵组合。

表3 泵组合方式

表4 实际运行方案

3.2 以日输量为标准进行节能优选

考虑码头站输油系统实际运行状况，指定日流量超出5640t时，一般为P2-105满负荷全天运行，低于2000t时为103号泵全天运行，其余流量区间考虑的泵切换的时间，不能全天都有机组在运行，即公式（1）的时间约束不能取等号。忽略高程差按水平管道考虑输油系统运行状况，建立一个动力消耗的目标函数，确定管道系统在最佳效率下泵机组组合方案，计算输油系统不停输运行达到最优时每天的动力消耗。用线性规划单纯形法求出每种流量的建议运行时间，通过选择合适的泵组合调节流量使电力费用达到最小。

式中，S为各建议方案总电费，元；ti为各泵组合建议方案运行时间，单位为 h，有 9个流量准则，因此i=1…9；Qi为各流量准则对应最优泵组合的质量流量，t/h，Q为原油给定日输送总量，t；Ni为最优泵组合的最小单位输油电耗，kW·h/t。

3.3 按年输量为标准进行节能优选

同理，按照年输量对泵机组组合选择从而实现单位输油电耗优化的数学模型可以描述为

3.4 算例计算

根据该码头站2003年至2007年运行数据（表5），对优化运行方案的节能效果进行评价。由于输油电耗占是码头站电力消耗的重要组成，约占全部耗电量的60%。

表5 2003－2007年运行数据

按照单纯形法对式（1）、式（2）两模型进行求解，依次得到不同规格下给定输量的优化结果（表6－8）。

如表6所示，将年输量按照年运行360天折算为瞬时流量，对照表3中各流量区间建议泵组合最低输油电耗，按优化方案运行后，2003－2007年单位输油电耗明显低于实际数据。

表6 瞬时流量

如表7所示，按优化方案运行后，2003－2007年平均每日节约电能分别为282.9kW·h，365.5kW·h，461kW·h，346kW·h，87kW·h。

如表8所示，按优化方案运行后，2003－2007年平均每年节约电能分别为10.72万kW·h，15.6万kW·h，17.22 万 kW·h，13.44 万 kW·h，3.51 万 kW·h。

表7 实际日输油量

表8 实际年输油量

4 实际运行数据及其优化

本文所设计的优化准则在2011年2月份开始试运行，5月份开始按建议方案运行，2－4月份建议运行与实际运行的节能效果平均优化百分比分别为20.6%，13.75%，16.95%。5月中上旬的每天的运行数据如表9所示。

表9 5月实际运行数据

*备注，优化比为0%的表示该天已经按建议方案运行。

总体看来，按照建议操作方案操作，能较大幅度地降低输油电耗。

5 结论

对于国内短输管线输量多，原油输送管理市场需求大，本文以单位质量流量能耗比为依据的泵组合优化分析方法良好，数值准确，运行优化方案合理，结果对现场有实际意义，可为工程提供参考。在不同规格给定输油量下，经济运行与泵组合方案有关，建立的经济运行时间最小输油电耗的目标函数是优化分析结果合理可靠的重要依据之一。最后根据某码头的实际工况，给出了节约电耗的泵组方案，并根据2003－2007年输油量计算出的不同最优泵组合动力费用，与实际电费相比，按照日输油量和年输油量平均相差分别约为4.09%，3.75%，平均每年节省电能12.31万kW·h。考虑到该码头站以往的统计数据并没有具体统计原油输送的电耗，故该节能并不具有代表性。由2011年2－5月实际优化运行数据可知，平均每月节约16.51%电耗。这表明输油系统经过简单的调整就能实现大幅节能。因此，合理的泵匹配一定程度下可以降低输送成本，对国内短输管线的经济运行有实际意义。

[1]http∶//data.worldbank.org/

[2]严大凡.输油管道设计与管理[M].北京∶石油工业出版社,1986.

[3]孙青峰, 吴长春. 庆铁输油管道系统稳态优化运行分析[J].油气储运,23(6)∶7-14, 2004.

[4]吴长春, 李东风等. 秦京管道稳态优化运行方案的分析与确定[J]. 油气储运, 21(12)∶ 4-11.

[5]何绍军.顺序输送成品油管道主泵运行方式的优选[J].油气储运, 1999,(12) .

[6]宫敬,储祥萍,于达.成品油管道优化运行方法研究[J].油气储运,2000(10).