分时电价体制下原油管道运行优化研究

寇 杰，李春辉，孙 奇，郭勋臣

(1.中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院，山东 青岛266580；2.胜利油田石油开发中心有限公司，山东 东营257000)

随着经济的高速发展，对电力的需求在逐步加大。发电厂为了保证用电，在设计发电能力时通常是按照用电高峰时期的容量来设计的。这样，在用电高峰时期就能保证提供足量的电力，但是在用电低谷时期，部分发电设备就会空转闲置。因此，在用电高峰和用电低谷时期的发电成本就产生了差距，所以造成了在不同时段内按照不同的电价进行收费的情况。

输油管道运行优化是降低输油成本的有效措施，一直都是油田集输领域的热点问题。以往国内进行运行优化研究时，通常只考虑如何使泵在高效率区工作，再采用“分时均量”方式输送，即每小时外输量相等，忽略了利用分时电价政策。事实上，峰谷电价相差很大，这就会致使即便外输量一直不变，各时段耗电量相同，一天内不同时段电费也会有很大的差距。以某管道为例，外输泵峰、谷时段耗电情况见表1。

表1 某管道外输泵峰、谷时段耗电情况

由表1可以看出，外输泵在“峰”时段输送了550 m3原油，花费321元，在“谷”时段输送了880 m3原油，却只花费128元，证明目前的“分时均量”输送方式有很大的优化优化空间。

因此，为实现降低电费的目的，可以利用峰谷电价体制，合理调整不同时段管道输量，在完成每天输油任务的前提下，使日电费最少。但是，从管道运行安全角度考虑，受油品本身特性和管道设计压力的限制，不能无限制增加谷时电价期间的输量，同时峰时输量也不能小于最小安全输量。因此，在峰谷电价体制下输量必须控制在一定的范围内[1-5]。本文通过建立原油管道泵送电费数学模型，研究外输油泵优化运行方案，合理安排不同时段输量，达到降低电费的目的。

1 数学模型

本文研究的管道只有一台泵对原油增压，且可通过变频装置调节输量。

将每天分四个时段，设第i时段(i=1、2、3、4，分别对应尖时、峰时、平时、谷时)电价为Ci元/(kW·h)，运行ti小时，该时段泵频率为niHz，轴功率为NeikW，该时段管道流量为qim3/h，每天计划输量为Qm3，故每日电费的数学模型，见式(1)，约束条件见式(2)～(4)。

(1)

qmin

Hc=Hf+Hh(4)

式中：qmin为管道最小安全输量，m3/h；qmax为管道允许最大输量，由管道材质决定，m3/h；Hc为出站压头，m；Hf为管道全线摩阻，由于是长输管道，可近似为沿程摩阻损失，m；Hh为管道起点和终点的高程差，m。

管道最小安全输量需要从热力和管道特性两个方面来确定。使用苏霍夫公式计算管道热力条件允许的最小安全输量；对于管道特性最小安全输量的确定，要计算不同输量时管道的摩阻损失，做出管道的工作特性曲线，找出不稳定工作区，确定管道特性最小安全输量，取二者中较大的作为管道安全输量界限[6-7]。

利用达西公式计算沿程摩阻损失，首先需要确定摩阻系数，摩阻系数与雷诺数有关，而输送过程中油品温度不断降低，雷诺数也随之改变，因此，不能把摩阻系数当做定值。计算时使用Matlab编写程序，把管线分为等距离的若干段，分别计算每一段温降，再求出压降，压降之和即为沿程摩阻损失，称为“分段算法”，这样在保证精度的前提下简化了求解过程。

离心泵输量随频率改变，但同时泵的效率也会变化，Nei由式(5)求解。

(5)

式中：qi为第i时段泵的输量；Hi为第i时段泵在输量qi下泵的扬程；ηi为此时段泵的效率，由相似工况下泵的效率不变原理，若要确定ηi,需先计算输量qi在额定转速n0下对应的相似点q0。

泵额定工况下的特性方程H=A-BQ2-m已知，将通过“分段算法”求出的摩阻Hi和此时的输量qi带入式(6)，即可求出此时段泵的转速ni。

(6)

根据离心泵改变转速时输量和转速的关系可以求出相似点q0,进而可以求出此时泵的效率。

沿程摩阻损失与管道输送过程中的温度变化直接相关，因此，求解管道传热系数十分重要。实际运行时，管道传热系数与外界温度有关，考虑到相邻月份外界温度变化不大，把一年分为四个季度，1月、2月、3月为第一季度，以此类推，求解不同季度管道传热系数。为提高管道热力计算的精度，采用“最优化拟合”技术，在特定季度内，最大限度符合所有管道实际温降的K值即为该季度管道的传热系数，为提高求解效率采用LINGO优化软件进行编程求解[8-10]。

2 模型求解

遗传算法的基本思想简单，具有全局搜索、简单通用、鲁棒性强等优点[11-13]。各时段输量组合优化问题，可以采用基于整数编码的遗传算法对日电费数学模型进行求解。

1) 步骤一：编码与产生初始种群。使用整数编码，将一条染色体编码成向量ck，染色体长度为4，依次对应尖、峰、平、谷各时段输量，将种群在一定的约束条件下初始化，产生初始可行解，见式(7)。因此，每条初始染色体代表一种可行的输量方案。

(7)

3) 步骤三：遗传操作。对染色体的遗传操作包括选择、交叉、变异。选择操作采用轮盘赌选择法，根据各染色体的适应度，从种群中选出一定规模的个体重组成新种群；交叉操作采用单点交叉方式产生子代，即根据交叉概率挑选两组染色体，把这两组染色体上对应位置的数据互换；变异操作采用均匀多点变异方式产生子代。本文研究的变量之和为定值，所以在交叉前和变异后，需对所得染色体进一步处理以满足要求。

交叉前：

交叉后：

数据处理：

这样处理后，最后得到的数据可满足输量要求。

4) 步骤四：对于子代群体，重复步骤二和步骤三，进行新一轮遗传进化过程，直到迭代收敛(适应度值趋向稳定)，可认为找到最优解。

3 案例分析

某原油管道全长45.7 km，首站高5.5 m，末站高22 m，管径为Φ 273 mm×15 mm，管壁粗糙度0.1 mm，日输量4 600 m3，首站所在地区“尖时”电价为1.10元/(kW·h)，“峰时”电价为1.04元/(kW·h)，“平时”电价为0.65元/(kW·h)，“谷时”电价为0.26元/(kW·h)，各时段分别运行3 h、5 h、8 h，输送一种原油。

表2是各种输量方案结果的对比。优化结果表明，并不是电费最低时输量最大，电费最高时输量最小，这不符合利用分时电价的预期，为了使优化结果更有说服力，引入“理想调量”方案进行对比。“分时均量”输送是油田原来采用的输送方案，即每小时输量相同，“理想调量”输送是指“谷时”以最大输量输送、“尖时”以最小输量输送，“优化调量”输送是优化求得的运行方案。

由表2可以看出，由于各季度管道传热系数的不同，日电费也随之改变。这是因为随着传热系数的增大，油品温降也会变大，导致黏度上升，沿程摩阻损失增加，最终会使泵耗电费变大。因此，三种输量方案都是第三季度日电费最小，第一季度日电费最大。同时，与“分时均量”输送方案相比，两种调量输送方案能节约的日电费也在变小，这是因为调量输送时不同时段输量相差较大，当输量较小时，易受管道传热系数影响，温降较大，沿程摩阻损失增大，最终使电费变大，而“分时均量”输送时输量较大，温降变化不大，电费较为稳定。

表2 各季度输量方案日电费/电量对比

与“分时均量”输送方案相比，后两种输送方案耗电量明显增大，这是由于输量变化较大导致的。一般来说，选泵的时候会考虑尽可能使泵在高效率区工作，当泵输量过小时，泵的效率会降低，需要消耗更多电量；而当输量过大时，由于沿程摩阻损失与输量的平方成正比，摩阻损失会随着输量的增大急剧增大，也会使耗电量显著增加。因此，“分时均量”输送方案耗电量会显著小于后两者，但本文的优化目标是电费最小，可不考虑一定要让泵在高效率区工作。

与“理想调量”方案费用相比，“优化调量”方案费用更少，是最优运行方案。当泵耗电费最小时，“谷时”输量没有达到最大输量，“峰时”输量也不是最小输量，这是由三方面因素造成的：①每天都需要完成额定的输量任务，由于管材承压性能的限制，不能无限制增大输量，管道有一个最大输量，为确保管道安全运行，若是在电价较高的时候都用最小输量输送，在电价较低时即使以最大输量输送也无法完成计划；②优化的目标是日电费最低，需要把四个时段作为一个整体来考虑，各时段所耗电费之和最小才是要求解的目标；③摩阻损失与输量的平方成正比，因此，摩阻损失会随着输量的增大急剧增大，从而使泵耗电费显著增加。从表2也可看出，“理想调量”方案日电费明显大于“优化调量”的日电费。

4 结 论

针对分时电价政策，建立日电费数学模型，并使用遗传算法进行求解。现场验证表明，使用优化方案调量输送可显著降低日电费，这种方法不需要购买新装置，有推广使用的价值。

优化结果表明，要使日电费最低，需要把四个时段作为一个整体来考虑，并不是“谷时”以最大输量、“尖时”以最小输量输送就是最优输送方案。此外，为达到电费最低的目的，不需尽量使泵在高效率区工作。

大气温度的改变会导致管道埋深处自然地温变化，管道传热系数也会随之改变，因此，不同季度的最优输送方案不同。同时，泵耗电费与管道传热系数密切相关，为减小管道传热系数，可在管道上敷设新型保温材料。

精确测定油品性质是优化的前提，随着油田进入开采后期，使用大量药剂辅助开采，油品性质会经常变化，要每隔一段时间重新测定油品性质。

[1] SPARROW D．Implementing Software Systems for Multi-product Pipeline Scheduling[J].Pipes & Pipelines International,1985,30(4):14-18．

[2] 赵娟，谭忠富，李强．我国峰谷分时电价的状况分析[J].现代电力，2005，22(2)：82-85．

[3] VIJERDEN N G.Optimization Pipeline Operation[J].Journal of Petroleum Technology,1980,32(11):2063-2067．

[4] 孟振虎，陈毅忠，马平．输油管道运行优化实用分析[J].油气储运，2002，21(4)：9-13．

[5] 姜海斌，袁运栋，蔡丽君，等．库鄯输油管道最佳经济运行方式的确定[J].油气储运，2002，21(2):40-42．

[6] 冯叔初，郭揆常，等．油气集输与矿场加工[M].东营：中国石油大学出版社，2006：149-152．

[7] 杨筱衡．输油管道设计与管理[M].东营：中国石油大学出版社，2006：199-201．

[8] 张国忠．理地热油管道准周期运行温度研究[J].油气储运，2001，20(6)：4-7．

[9] 徐铭泽．榆树林油田集输系统骨架管道安全经济运行技术研究[D].大庆：东北石油大学，2015．

[10] 刘晓燕，刘扬，孙建刚，等．输油管道运行优化研究[J].工程热物理学报，2004，25(4)：558-561．

[11] 李海娜，吴家勇，陶江华，等．峰谷电价体制下原油管道输油方案研究研究[J].油气储运，2016，34(4):7-11．

[12] 葛继科，邱玉辉，吴春明，等.遗传算法研究综述[J].计算机应用研究，2008，25(10)：2911-2916.

[13] 曾文飞，张英杰，颜玲.遗传算法的基本原理及其应用研究[J].软件导刊，2009，8(9)：54-56.