基于火用经济学的原油管道输量优化*

成庆林 孙巍 张萌 李贤丽

1东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室 2华北石油管理局储气库管理处

基于火用经济学的原油管道输量优化*

成庆林1孙巍1张萌2李贤丽1

1东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室 2华北石油管理局储气库管理处

以火用经济学的有关理论和方法为基础，利用热火用和压火用不同的价格，将管输原油过程的火用流值折合成费用，计算火用耗费用和剩余火用费用，火用耗费用与投资费用之和与剩余火用费用的比值定义为火用耗指标。以此为基础分别计算并分析火用耗指标随输量的变化规律，从而确定最优输量。以大庆油田某输油管道为研究对象的实验表明：压火用耗值随着输量的增大先减小后逐渐增大；热火用耗值随着输量的增大逐渐减小；总火用耗费用随着输量的增大先减小，在输量为50 m3/h时减小至最小值，之后又逐渐增大。通过计算可知，火用耗指标先减小而后有缓慢增大，在输量为60 m3/h时为最小值，即最优输量为60 m3/h。

火用；管输原油；输量优化；火用耗指标；火用经济学

以火用经济学为基础的火用经济分析法，强调能的真正价值，在复杂工程系统的分析、优化、诊断、改进以及设计中，扮演着很重要的角色。这种经济学分析法将热力学分析与经济因素统一考虑，融合了工程经济学、系统工程、最优化技术以及决策理论等基本思想[1]，能够同时考虑能的“质”和“量”，并将系统中的火用流价格化，追求经济效益的最佳效果，具有明显的技术优势。本文以火用经济学的有关理论和方法为基础，利用热火用和压火用不同的价格，将管输原油过程的火用流值折合成费用，计算火用耗费用和剩余火用费用。火用耗费用与投资费用之和与剩余火用费用的比值定义为火用耗指标。以此为基础分别计算并分析火用耗指标随输量的变化规律，从而确定最优输量，为管道的经济运行提供一定的理论支持。

1 火用经济学基本概念

火用经济学的思想早在1932年基南的论文中就已经出现，真正形成却是在20世纪60年代。美国加州大学的特里巴斯和埃文斯在对海水淡化装置的热力学分析研究中，引入了火用经济的概念，创造了这个学科的新术语。火用经济学是一门融技术与经济为一体的综合学科，属技术经济学范畴，火用经济学的基本概念包括投资、成本和折旧费。

1.1 投资

为保证工程项目投入生产并保证经营活动正常进行，必须投入一定的资金。这种预先垫付的资金称为投资。

投资的估算方法可利用类似工程的投资来估算类型相同、规模不同的工程投资。拟改建工程项目投资额和生产规模分别为z2和x2，同类已建工程的投资额和生产规模分别为z1和x1，则有

式中n为规模指数，当主要靠增大设备规模扩大生产规模时，取n=0.6～0.7，当以增加相同设备数量扩大生产规模时，取n=0.8～1.0；CF为物价换算校正系数，为由历年的物价趋势预测数据做出的合理估计。

1.2 成本

产品成本是指产品生产过程中消耗的生产资料价值和劳动者劳动所创造的价值。

当总成本与产量具有线性特征关系时，可以运用数理统计方法来估算成本

式中CT为总成本；CF为固定成本；cV为单位产品变动成本；D为生产量。

1.3 折旧费

固定资产投资由于长期使用产生损耗而逐渐转移到产品成本中的那部分价值叫做折旧。折旧费是生产成本的重要组成部分，计算折旧费的主要方法如下

将设备或厂房等在整个使用年限内平均等值折旧。每年分摊的折旧费d为

式中P为设备的原始价值；Ff为设备寿命终了时的价值；N为设备的使用年限。

孙家宁[2]等将能级的概念引入火用经济学计价体系，把供入能流按能级拆分，依据能级相近最大化相供的原则，解决能量取出与供入间的对应问题，提出了基于能级相近最大化相供的火用流计价策略。基于能级概念对管输火用能进行计价研究，得出物流火用价估算的结果，泵站提供的压火用价格大概为加热炉提供热火用的7倍。

2 管输原油过程火用经济学模型

热油进出管道输送体系时，根据其温度及压力值，可以求得油流带入火用和带出火用[3]，如下所示

管输过程压火用耗为

热火用耗为

QL为管段理论散热量，可通过下式计算[4]

剩余压火用耗为

剩余热火用耗为

式中G为管输过程质量输量(kg/s)；pq为管段起点压力(Pa)；p0为环境压力(Pa)；c为输送油品的比热容(J/(kg·K))；Tq为管段起点油品温度(K)；T0为环境温度(K)；TL为输送温度(K)；V为体积流量(m3/h)；ρ为油品密度(kg/m3)。

根据上述火用流损失值及压火用、热火用价格，可计算出火用耗费用Sy及剩余火用费用Ss。折合出的压火用耗费用和热火用耗费用之和定义为火用耗费用，剩余压火用费用和剩余热火用费用之和为剩余火用费用，即

以上两式，JR为热火用价格，取值为6×10-8元/J；Jy为压火用价格，取值为42×10-8元/J。

保证管道经济节能运行的最优原则是火用耗费用与前期投资费用较少，且剩余火用费用较多。因此，可定义火用耗指标为火用耗费用与前期投资费用之和与剩余火用费用的比值，即

式中σd为火用耗指标；Sy为火用耗费用(元)；Sq为前期投资费用(元)；Ss为剩余火用费用(元)。

3 应用实例分析

本文以大庆油田某输油管道为研究对象，计算并分析其管道运行火用耗，从而确定最佳运行参数。管道运行基本参数及油品物性参数见表1[5]。

表1 管道运行基本参数及油品物性参数

建立PIPEPHASE模型，改变输量为30、35、40、45、50、55、60、65和70 m3/h，保持其他参数不变，保证终点压力为300 kPa，其分别对应的起点压力为795.3、766.1、768.6、796.7、846.7、922.5、1 022.0、1 152.3和1 310.2 kPa，终点温度为306.1、309.3、311.7、313.7、315.4、316.8、318.1、319.1和319.9 K。

根据上述火用经济学数学模型，可绘制出火用耗指标随输量的变化规律曲线，如图1所示。

图1 火用耗指标随输量变化曲线

根据图1可知，管输原油过程中，压火用耗值随着输量的增大先减小后逐渐增大；热火用耗值随着输量的增大逐渐减小；总火用耗费用随着输量的增大先减小，在输量为50 m3/h时减小至最小值，之后又逐渐增大。通过计算可知，火用耗指标先减小而后有缓慢增大，在输量为60 m3/h时为最小值，即最优输量为60 m3/h。

4 结语

管输原油过程的火用耗，主要包括发生于温度场的热火用耗和发生于压力场的压火用耗，根据热火用和压火用不用的火用价格，可计算出火用耗费用和剩余火用费用。管输过程中，应使得火用耗费用与前期投资费用之和尽可能小，剩余火用费用尽可能多，才最有利于管输过程的经济运行。以大庆某输油管道为研究对象，通过计算，绘制出火用耗指标随管道输量的变化规律曲线，从而确定最优输量为60 m3/h。

[1]傅秦生．能量系统的热力学分析方法[M]．西安：西安交通大学出版社，2005.

[2]孙家宁，陈清林，尹清华，等．基于能级概念的火用经济学计价策略[J]．热能动力工程，2003，18（6）：552-555.

[3]成庆林．多势场火用传递过程的理论研究及其工程应用[D]．东北石油大学，2004.

[4]沈维道，童钧耕．工程热力学[M]．北京：高等教育出版社，2007.

[5]张萌．管输原油过程热力学火用流评价与分析[D]．大庆：东北石油大学，2013.

（栏目主持 杨军）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.1.005

基金论文：国家自然科学基金项目(51174042，51106020)；中国石油科技创新基金(2012D—5006—0610)及黑龙江省普通高等学校青年学术骨干计划支持项目(1252G005)。