萨北开发区骨架管道生产运行方案优化研究*

郭林琼 张 伟 罗 舜 赵 健

(1.东北石油大学石油工程学院；2.大庆油田有限责任公司第三采油厂)

萨北开发区骨架管道生产运行方案优化研究*

郭林琼**1张 伟2罗 舜2赵 健1

(1.东北石油大学石油工程学院；2.大庆油田有限责任公司第三采油厂)

为实现油田高效开发、节能降耗的运行要求，在对输油管网骨架管道转油站(或联合站)外输管道进行水力热力分析的基础上，对骨架管道生产运行方案进行了优化建模，确定了最佳的输油温度和出站压力。在萨北开发区的应用结果表明：与原方案相比，优化后的萨北开发区输油管网骨架管道生产运行方案能使输油成本均有10%以上的降幅。

骨架管道 生产运行方案 节能降耗 运行成本 建模

大庆油田萨北开发区经过40多年的开发建设，油田产量比开发初期大幅下降，管道输量与初始设计输量相差较大，输油管网存在外输不平衡、温降大、压降大及能耗高等问题，严重影响了油田的正常生产运行效率[1]。油田地面集输系统是油田生产中的耗能大户，降低集输系统的能耗对油田节能降耗意义重大[2]。管道输送过程中热能和电能的消耗是集输系统能耗的主要部分，通过合理选取管道运行参数，降低管输能耗，是油田节能降耗的重要手段。笔者通过对输油管网骨架管道进行水力热力分析研究，对其生产运行方案进行优化建模，确定最佳的输油温度和出站压力，以达到降低输油管道运行成本的目的。

1 管道的特性分析

1.1管道热力特性

各计量间来油在转油站(联合站)经过加热炉加热到一定温度后进入骨架管道，沿程不断向周围介质散热，使油流温度降低。油流散热量和沿线油温分布受诸多因素影响，如输油量、加热温度、环境条件及管道散热条件等。沿程温降可按列宾宗公式计算[3]：

tL=(t0+b)+[tR-(t0+b)]e-aL

式中a、b——参数；

cy——平均温度ty下的原油比热容，J/(kg·℃)；

D——管道外直径，m；

G——油品的质量流量，kg/s；

g——重力加速度，m/s2；

i——油流水力坡降；

K——管道总传热系数，W/(m2·℃)；

L——管道长度，m；

t0——周围介质温度，℃；

tL——距离起点L处的油温，℃；

tR——管道起点温度，℃。

1.2管道水力特性

骨架管道的压力损失包括流体沿管道流动的沿程摩阻损失、局部摩阻损失和地势高低引起的位能损失3部分。由于转油站外输管道一般比较短，局部摩阻损失和位能损失所占比例较小，因此管道的压力损失主要来自沿程摩阻损失。沿程摩阻损失随着流量、粘度、管长的增大或管径的减小而增大，可按达西公式计算[2]：

Δp=ρg(hf+hj+hz)

hz=ZZ-ZQ

式中hf——沿程水头损失，m；

hj——局部水头损失，m；

hz——位能损失，m；

v——流速，m/s；

ZQ——管道终点高程，m；

ZZ——管道起点高程，m；

Δp——管道压降，Pa；

ρ——油的密度，kg/m3；

λ——水力摩阻系数；

ζ——局部阻力系数。

由于管输介质温度在管道实际输送过程中会降低，粘度随之变化，水力摩阻系数不是一个固定值，因此计算管道压降时应采用分段计算法[4]。以萨北开发区12#水驱外输管道2月份运行数据(起点温度38℃、起点压力0.525MPa、平均输量1 754m3/d、最高输量2 214m3/d、最低输量1 528m3/d)为例，计算不同输量下的沿程温度和压力分布，结果如图1、2所示。可以看出，管道输量越高温降越慢，压降越快；相同输量下，温度越高，压降越慢，这是由于油温越高，油品粘度越低，管道摩阻损失越少，压降越慢。

图1 不同输量下的沿程温度分布

图2 不同输量下的沿程压力分布

2 管道生产运行方案优化建模与求解

2.1建模

骨架管道生产运行耗能包括泵消耗电能和加热炉消耗燃料。根据骨架管道的水力、热力特性，提高管道起点温度时，沿线油温升高，油品粘度降低，管道摩阻损失减小，从而使管道需要的出站压力降低，泵耗电量相应减少，加热炉燃料消耗量增加。相反，降低起点温度，泵耗电量增加，加热炉燃料消耗量减少。因此对骨架管道生产运行方案进行优化时，应确定最佳起点温度和起点出站压力，使管道全线总能耗最小，以达到降低输油总能耗费用的目的[5]。

以总能耗费用最小为目标，以管道起点转油站的出站温度和出站压力为决策变量，建立骨架管道生产运行方案优化数学模型如下：

minF=f1(Tout)+f2(pout)

其中：

f1(Tout)=e1×B

f2(pout)=e2×W

Qminpj≤Qpj≤Qmaxpj,j=1,…,np

Hminpj≤Hpj≤Hmaxpj,j=1,…,np

Qminfk≤Qfk≤Qmaxfk,k=1,…,nf

pZin≥[pminin]

Tin,f≥[Tmin]

Tout,f≤[Tmax]

式中B——加热炉所消耗的总燃料量；

c0——环境温度下天然气的比热容；

cr——入炉温度下天然气的比热容；

e1——天然气价格；

e2——电价；

F——管输介质输送的总能耗费用；

f1(Tout)——管输介质输送的热力能耗费用；

f2(pout)——管输介质输送的动力能耗费用；

Gfk——被第k台加热炉加热的介质质量流量；

nf——加热炉数量；

np——泵数量；

pZin——管道终点进站压力；

[pminin]——管道终点最低允许进站压力；

ppin——泵入口压力，即进站压力；

ppout——泵出口压力，即出站压力；

Q——管道的总外输量；

qfk——第k台加热炉的实际热负荷；

Qminfk——第k台加热炉的最低热负荷；Qmaxfk——第k台加热炉的最高热负荷；

Qpj——第j台泵的流量；

T0——环境温度；

Tin,f——加热炉进口温度，即管输介质进站温度；

Tout,f——加热炉出口温度，即管输介质出站温度；

Trk——第k台加热炉的天然气入口温度；

[Tmin]——管输介质的最低允许进站温度，一般高于管输介质凝点3℃左右；

[Tmax]——管输介质的最高允许出站温度；

W——泵机组所消耗的总电能；

ηdj——第j台泵的电机效率；

ηfk——加热炉热效率；

ηj——第j台泵的效率；

γpj——第j台泵的开启情况，0为关泵，1为启泵。

建立的数学模型中决策变量为出站温度和出站压力，目标函数和约束条件都带有非线性项，因此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，两个子模型之间通过迭代进行求解[6,7]。

2.2最优管道出站压力子模型

最优管道出站压力子模型在管线出站温度给定的前提下，确定最优出站压力ppout*。该模型可描述为：

minf2(pout,Qpj)

Qminpj≤Qpj≤Qmaxpj,j=1,…,np

Hminpj≤Hpj≤Hmaxpj,j=1,…,np

Qminfk≤Qfk≤Qmaxfk,k=1,…,nf

pZin≥[pminin]

该优化问题属于非线性最优化问题，可采用隐枚举法和动态规划法来求解。

2.3出站温度优化子模型

出站温度优化子模型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*。该模型可描述为：

minF=f1(Tout)

s.t.Tin,f≥[Tmin]

Tout,f≤[Tmax]

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后，再利用由Powell提出经Zangwill改进的方向加速法来进行求解[8]。由于该优化问题求解过程比较复杂，为了提高效率，笔者采用C#语言进行编程求解，算法流程如图3所示。

图3 出站温度优化子模型的算法流程

3 实例分析

以大庆石油萨北开发区的12#水驱转油站、201#转油站、北五联合站和2801#水驱转油站外输管道为例，对这些管道在冬季的输油方案进行优化，并从输油耗气量、耗电量和输油费用3个方面与原方案进行对比分析(表1)，从而确定优化方案的节能效果。

表1 各站外输管道2月份运行方案优化前后对比

(续表1)

由表1可以看出，管道生产运行方案经过优化后，降低了12#水驱转油站外输管道的输油温度，但导致输油压力升高，综合两者，由于热力消耗占主体，与原方案相比，优化方案的总输油成本还是有所降低的，最终通过优化可以使该转油站外输管道冬季输油成本降低16.44%。对萨北开发区其他骨架管道的生产运行方案进行优化调整后，输油成本也均有较大幅度的降低。

4 结论

4.1进行了骨架管道的工艺计算，明确了管道沿程温降、压降的影响因素。建立了骨架管道生产运行方案的优化模型，并根据模型的结构和特点，提出了具体的两级递阶优化求解方法。对萨北开发区骨架管道生产运行方案进行优化，确定了最佳的输油运行方案，使输油成本降低了10%以上。

4.2借助该研究成果，在对萨北开发区骨架管道水力热力特性和介质流动特性进行分析的基础上，按照建立的骨架管道运行方案优化数学模型和相应的求解算法，结合管道的运行现状，能够确定萨北开发区骨架管道在不同月份、不同输油量下的优化运行方案，实现节能降耗的目的。

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ResearchofOptimizingOperationSchemeofMainOilPipelinesinSabeiDevelopmentZone

GUO Lin-qiong1, ZHANG Wei2, LUO Shun2, ZHAO Jian1

(1.CollegeofPetroleumEngineering,NortheastPetroleumUniversity，Daqing163318,China; 2.No.3OilProductionPlant,DaqingOilfieldCompanyLtd.,Daqing163312,China)

For purpose of efficient development of oilfields and the energy-saving operation there, and basing on hydraulic and thermal analysis of out-transfer oil pipelines of the oil transfer station or the united station, the operation scheme of oil transportation pipeline was optimized, and the optimal temperature and pressure for oil transportation were determined to obtain over 10% drop in the cost of oil transportation.

main oil pipeline, operation scheme, energy-saving and cost-reducing, operation cost, modeling

*中国石油科技创新基金项目(2014D-5006-0607)。

**郭林琼，女，1989年1月生，博士研究生。黑龙江省大庆市，163318。

TQ055.8+1

A

0254-6094(2016)06-0780-04

2015-12-16，

2016-01-20)