油库外输管道运行方案优化研究

陈思奇，付晓明，张嘉兴

油库外输管道运行方案优化研究

陈思奇1，付晓明2，张嘉兴1

（1. 东北石油大学石油工程学院， 黑龙江 大庆 163318； 2. 大庆油田有限责任公司储运销售分公司， 黑龙江 大庆 163318）

热油管道作为一种主要的原油输送方式，在输送过程中会产生大量能耗，为了降低输油成本，实现节能降耗的运行要求，以运行费用最小为目标，对外输管道生产运行方案建立了优化模型，并通过两级递阶方法进行优化求解。利用建立的优化模型对某油库外输管道优化的结果表明，在冬季和夏季运行费用可降低10%以上。

输油管道；优化运行；安全；经济

输油管道作为最重要的输油方式之一，在我国石油行业起着重要的作用，长输管道在输送过程中会产生巨大的能耗，主要包括热能和动能的消耗，因此在保证原油安全输送到终点的前提下，如何合理的选择管道运行参数，达到管道的运行成本最低，对于降低集输过程中能量消耗起着重要的作用[1-2]。

本文以某油库外输管道为例，管道全长43 km，管径DN629，埋深1.6 m，建立了管道运行的优化数学模型并确定了高效的求解方法。

1 优化数学模型建立

热力费用和动力费用是输油管道在运行时的主要费用。所谓热力费用指当原油外输时，为了满足安全运行要求避免发生凝管等事故，加热使原油升温，加热炉所消耗的费用；动力费用是指原油输送时站内增压过程中，泵所消耗的费用。把原油外输时的输油温度和输油压力作为决策变量，以整段管道运行能耗费用最小为目标函数，建立数学模型。具体数学模型如下式所示：

其中：

2 约束条件

油库外输管道在进行方案优化运行时，需要保证安全输送的前提，即满足管道内原油安全输送到终点的压力和温度的要求，同时需要考虑油库内输油泵及加热炉等设备在高效工作区或高效率条件下工作，因此对于油库外输管道的优化方案运行时需要考虑管道的某些运行参数和变量在一定的区间内，即需要满足相应的约束条件要求。

（1）油库外输管道起点温度的约束

对于油库外输管道的起点温度，需要考虑输送介质的物性、管道所能允许的最高温度和加热炉加热介质达到的最高温度等因素，起点温度要低于上述各影响因素温度的最小值，即满足：

（2）油库外输管道终点温度的约束

为了满足外输管道进站后的后续工艺要求，同时避免发生凝管等事故，外输管道的终点温度需要大于管道终点允许的最低进站温度，即：

（3）油库外输管道终点压力的约束

为了满足油库内外输介质安全进站的要求，外输管道的终点压力需要大于安全进站压力，即：

（4）油库内外输泵的输量约束

对于油库内原油总外输量应该等于所有开启外输泵的排量和，即：

（5）油库内外输泵工作特性的约束

为了充分利用能源，使泵达到较高的运行效率，需要使泵在高效区工作，因此，外输泵的排量需要在一定的范围内：

（6）油库内加热炉的开启状态的约束

为了保证外输介质的温度满足要求，油库内需要开启加热炉，即加热炉开启台数应满足一定要求。

（7）油库内外输加热炉工作特性的约束

为了充分利用能源，使加热炉达到较高的工作效率，需要保证加热炉高效安全的工作，即加热炉在工作时的热负荷在一定的区间范围内，即：

3 模型求解算法

建立的油库外输管道优化运行数学模型中，在把出站温度和出站压力作为决策变量、整段管道能耗费用作为的目标函数及为了满足安全输送建立的约束条件中均带有非线性项，例如油库内加热炉及外输泵的开启状态，用0表示关闭，用1表示开启，属于离散变量问题，而外输管道的起点输油温度和输油压力属于连续变量[3]，本质上来说该问题属于非线性混合变量最优化问题。

根据建立优化数学模型的结构特点，易采用分级优化方法[4]对原始优化模型进行求解。即在求解时将求解问题分解成外输管道最优运行参数和外输设备最优组合方案两个问题。在进行求解具体结果的过程中，首先通过遗传算法[5]搜索加热炉和外输泵的组合方案，确定组合方案后再转化为求解管道最优运行参数的问题，具体求解时可以首先给定油库外输管道的起点输油温度，然后根据计算求得该输油温度对应的起点输油压力，判断此时的运行方案是否是最优方案，若不是则重新选择输油温度，重新计算最优的输油温度，按照这样的求解过程，不断迭代实现最优输油温度和输油压力的最优化参数求解。按照此方法可以对油库外输管道的输油方案进行优化，得到不同输油管道在不同输量条件下全年不同月份的优化输油方案。该优化计算主要是在满足外输管道终点输油温度和输油压力要求的前提下，通过选择合理的管道输油温度和运行设备最优组合方案，进而达到管段总能耗费用最低，实现管段的安全经济运行，达到节能降耗的要求。

4 计算实例

管道在运行过程中受到环境因素的影响，冬季时管道运行的能耗较大，夏季时管道运行能耗较小。因此通过上述建立模型，根据实际数据分别对油库外输管道冬季2月和夏季8月运行时的输油方案进行优化。并与原方案对比，确定了优化方案的节能效果。

表1 方案优化前

表2 方案优化后

由表1及表2分析可知，优化后降低了输油管道的外输温度，通过优化使该段输油管道在冬季时输油成本降低17%，夏季时输油成本降低12%，有效降低了输油成本。

5 结 论

对于油库外输管道，以在生产中运行费用最小为目标，在满足设备及工作特性的约束下，通过改变管道运行时的出站温度及出站压力，建立了油库外输管道在运行时的最优化数学模型，并通过采用两级递阶的优化求解方法，对模型进行求解。

按照建立的运行优化模型对输油管道冬季及夏季生产方案进行优化，能耗费用分别降低了17%和12%，取得了较好的效果。

［1］吴世逵，梁朝林，李大上，等．易凝原油低温热输送的研究[J]. 油气储运, 2004 (05): 13-16+61．

［2］黄维和，郑洪龙，王婷．我国油气管道建设运行管理技术及发展展望[J]. 油气储运, 2014 (12): 1259-1262．

［3］刘丽琴，张学良，谢黎明，等．混合变量非线性规划问题的差异演化算法研究[J]. 现代制造工程, 2011 (03):1-5．

［4］邓扬晨，张卫红，章怡宁．基于分级优化的飞机翼面结构布局综合技术研究[J]. 强度与环境, 2005 (01): 27-35+63.

［5］王银年. 遗传算法的研究与应用[D]. 江南大学, 2009．

Optimization ofOperation Scheme of Crude Oil Transportation Pipeline

1,FU Xiao-ming,1

（1. Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318，China；2. Storage and Transportation Sales Branch of Daqing Oil Field Company, Heilongjiang Daqing 163318，China）

Hot oil pipeline as a major way of crude oil delivery will produce a lot of energy consumption in the transport process. In order to reduce oil transportation costs and achieve energy-saving operation requirements,taking the minimum cost of the pipeline in the production operation as a target, the optimization model of the pipeline operation scheme was established, and the optimal solution was carried out by the two-stage hierarchical method. The optimal outlet temperature and pressure in the conveying process were determined. The optimization model was used to optimize the oil depot pipeline. The results show that, compared with the original scheme, the cost of optimized operation scheme can be reduced by more than 10% in Winter and Summer.

oil pipeline; optimized operation; safety; economic

2017-04-10

陈思奇（1993-），男，满，在读研究生，辽宁锦州人，研究方向：长距离管道输送。

TE 832

A

1004-0935（2017）07-0659-03