等温输油管道经济运行参数的确定方法及其应用

第 4 2卷第 9期 2 0 1 3年 9月 当 代 化 工 C o n t e m p o r a r y C h e m i c a l I n d u s t r y V o 1 4 2，N o 9 S e p t e m b e r ，2 0 1 3 等温输油管道经济运行参数 的确定方法及其应用 田 甜 ( 中煤科工集团重庆设计研究院， 重庆 4 0 0 0 1 6 ) 摘 要：在等温输油管道运行的基础上，建立了管道优化经济运行方案的数学模型，即将总升压值对各站 进行最优分配，从而使管道各运行参数达到最优，使动力费用的利用更加合理。在实例的分析中， 说明了输油 管道经济运行参数确定的方法 ，并对此方法进行了推广，达到了研究的目的，为管道设计人员提供了参考。 关键词 ：输油管道 ；运行参数 ；泵站 中图分 类号 ：T E 8 3 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 1 0 4 6 0( 2 0 1 3) 0 9 1 3 3 7 0 4 De t e r m i na t i o n o f Ec o no m i c Ope r a t i o n Pa r a me t e r s o f I s o t h e r m a l Pi pe l i ne a nd I t s Appl i c a t i on 刀 J V乃a H ( C h i n a Co a l Te c h n o l o g y& En g i n e e r i n g Gr o u p Ch o n g q i n g De s i g n& Re s e a r c h I n s t i t u t e ， Ch o n g q i n g 4 0 0 0 1 6 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：Ba s e d o n t h e o p e r a t i o n o f t h e r mo s t a t i c p i p e l i n e ，a ma t h e m a t i c a l mo d e l f o r o p t i mi z a t i o n a n d e c o n o mi c a l o p e r a t i o n o f p i p e l i n e wa s b u i l t T o t a l p r e s s u r e v a l u e s we r e o p t i ma l l y d i s t r i b u t e d t o e v e r y s i t e ，wh i c h c a n ma k e a l l o pe r a t i n g p a r a m e t e r s a c h i e v e t h e o p t i mi z a t i o n a n d h a v e mo r e r e a s o n a b l e p o we r c o s t I n a n a l y s i s o f p r a c t i c a l e x a mp l e ， t h e me t h o d s t o d e t e r mi n e e c o n o mi c a l o p e r a t i o n p a r a me t e r s we r e i n t r o d u c e d ， wh i c h c a n p r o v i d e t h e r e f e r e n c e for t h e p i p e l i n e d e s i g n e r K e y wo rds ：Pi pe l i n e； Ope r a t i n g pa r a me t e r ； Pump s t a t i o n 在等温输油管道的输送中，当流量和油品性质 确定时，各泵站间管路的摩阻损失就是一定值 。当 以旁接油罐流程运行时 ，运行是否合理取决于在该 流量下泵站的扬程是否与管路匹配以及采用什么样 的调节措施 ；当以密 闭流程运行时 ，是否合理则取 决于各泵站升压值的分配、各站的动力价格及是否 采用调节措施 。解决此问题 的思路为 ：确定各站 升压值的最佳组合 ，以使全线 的动力费用最低 ，其 约束条件是各站 的进 出站压力必须在允许范围内。 1 泵站经济运行方案的数学模型 假设一条管道沿线有 座泵站 ， 用 表示第 i 站的高程， 厶表示第 站的里程 ， A P表示管道在某 流量下的水力坡降 ，m m，P 表示第 i 站允许 的最 高出站压力 ， 表示第 站允许 的最低进站压力 ， 表示首站的进站压力 ，P 表示末站所需的进站 压力。为了条理清晰，上述压力均用米液柱表示。 以各泵站的升压值 x 为决策变量 ，以全线的总动力 费用 c 为 目标函数 ，则其 目标函数为 ： m in C r = C i ( x ) i =l 下面推导约束条件 ：如图 1所示 ，设第 i + 1 站 的进站压力为 f + l ，第 站的出站压力为 ，由第 1 站进 口至第 i + 1 站进 口列能量平衡方程 ： +x 1 + x 2 +X = f+ 1 +E i+ 1 一 E 1 + P ( f + l 一 1 ) 图 1 长输管道 示意图 Fi g 1 Th e di ag r am of l o ng pi pe l i ne 即X 1 +X 2 + + X = f+ l 一 + + 1 一巨 + 尸 ( 一 1 ) 由于 。 ，故 x 1 + x 2 + + X f ； 1 一 + E i+ 1 一 E 1 + P ( f+ 1 一 1 ) 由第 1站进 口至第 i 站 出口列能量平衡方程 ： + 1 +X 2 +X f = +E i E 1 + P ( L 1 ) 收稿 日期： 2 0 1 3 - 0 3 一 n 8 作者简介 ： 田甜 ，女，2 0 0 4年毕业于重庆大学城市燃气工程专业，现于中煤科工集团重庆设计研究院从事城 市燃气、油气储运及天然气相关专业 的设计工作。E - m a i l ：l 4 3 4 0 8 2 7 q q c o m 。 1 3 3 8 当 代 化 工 2 0 1 3年 9月 由于 ，故 X 1 + 2 + + X 一 +E f E l + 尸 ( 一 1 ) 令 A f =P ,L 1 一 + E i + 1 一 E l + JF ) ( 件 1 一 1 ) B = 一 + E f E I + 尸( 一 1 ) 其 中 = 一 + + + ( 川 一厶) 即为全 线所需的总压头 。 写成递推形式为： Af = Ai 一1一( 一 1 ) + P ( 1 一 f ) +( ， + 1 一 ) Bi = Bi 一1一( U - 1 一 ) + P ( 一 一 1 ) + ( 一 E 一 1 ) 则前面 个泵站总升压值的约束条件为 ： A 1 + 2+ + Bi 则该问题的数学模型为 ： ra i n C T = ( ) I 2 确定泵站升压值的最佳组合方法 图 2每 日电费 G( H3 ( 或 G ) ) 与其扬程 Hi ( 或升压值 x i) 的关 系图 F i g 2 T h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n d a i l y e l e c t r i c i t y c 鳓 ( o r C ,( x ) ) a n d i t s l i f t ,f o r b o o s t e r v a l u e 分析某个泵站问能耗费用 G ) 与泵站升压值 X 的之间关系 。 。假设一个泵站上有 台不同规格 的泵，每台泵都有两种运行状态，即停止和运行 。 从理论上说 ，该站可能有 2 m 种泵的组合方案 ，每 种组合方案有都有其工作特性 ， 在该工作的特性 中， 每个流量有一个扬程值( 升压值) 、效率值和相应 的 动力费用 。因此 ，对于第 f 泵站来说 ，在某一流量 下 ，以其扬程 Hi ( 或升压值 X i ) 为横坐标 ，每 日电费 C I ( ) ( 或 ) ) 为纵坐标作 图，可得 G ) 一 为若 干离散点。另外 ，由于升压值 不能连续变化，当 需要泵站提供的升压值在两个相邻的升压值之间变 化时 ，泵站都必须 以较高的那个升压值组合运行 ， 所耗电费也就是较高升压值对应的电费， 也就是说 ， G ) 为阶梯函数 ，如图 2所示。升压值 和泵站数 等均为离散型变量 ，故该问题是一个离散型的非 线性规划问题 ， 用一般的非线性规划方法很难求解 ， 下面讨论求解该问题的方法步骤 ： ( 1 )划分阶段 按照油流从首站人 口到达某泵站出口的过程划 分阶段 ，即以从首站入 口到其出口为第一阶段 ，从 首站人 口到第二站出口为第二阶段 ，从首站入 口到 第 站出口为第 阶段。 取油流到达第 j 阶段终点时 前面各泵站的总升压值 作为第 阶段的状态变量 ： S =X l +X 2+ + ( 2)状态转移方程 第 个阶段的决策变量是第 个泵站的升压值 X i ，故其状态转移方程可写为： S S l+ Xj ( 3)阶段效益方程 在这种问题中， 每个阶段为一个子过程 ， 子过 程的效益是该 阶段 中各泵站的动力费用之和。第 个阶段的阶段效益方程可写为： C s i ( S ) =C 1 ( 1 ) +C 2 ( 2 ) +C ( ) ( 4)递推方程 对于有 个泵站的长输管道 ， 整个过程的递推 方程 为：c ( ) = m i n C s 一 1 ( S I 一 ) + C n ( ) A S B A 一1 S 一 1 B 一 l 对于 阶段 ，递推方程为 ： C s ( S f ) = m i n C s 一 1 ( X ) + c ( ) Af S f Bf A l S 一 1 B 1 例 ：以 3个泵站的管道为例说明求解过程。 如图3 所示，L =0 ，L =5 0 k in，L 3 =1 0 5 k m， L 4=1 6 5 k m ， El =4 0 0 m ， E2：4 5 0 m ， E3= 4 8 0 m ， E4=48 0 m ， = ： =2 0 m ， = = 3 0 m ， =8 7 0 m ， =9 0 0 m ， = 8 7 O m ， 尸 ：4X1 0 - 3 m m ， 表 1 三座 泵站可 能的升压值和相应的动力费用 Tabl e 1 The pos s i bl e bo os t e r va l u e o f t hr e e pum p s t at i ons and t he i r c or r e s pond i ng po we r co s t s 一 r ， 、 l 第 4 2卷第 9期 田 甜：等温输油管道经济运行参数的确定方法及其应用 1 3 3 9 图 3泵 站 的 布 置 图 Fi g 3 Ar r an ge me nt pl ant o f pump s t a t i on 其中，3座泵站可能的升压值和相应的动力费 用如表 l 所示 。 计算约束条件 ： A 1 = 一 +E 2 一E 1 + LP ( L 2 一L 1 ) =2 5 0 ： 一 =8 7 02 0=8 5 0 A 3 = 一 + 4 一E1 + 尸( 4 一L 1 ) =7 5 0 B 3 = 一 +E 3 一E 1 + 尸( 3 一L 1 ) =1 3 5 0 约束条件： 2 5 0 X l 8 5 0 5 0 0 X 1 + 2 l 1 3 0 7 5 0X 1 +X 2 +X 3 1 35 0 第 1 阶段 ：从首站入 口至首站 出口，其状态转 移方程 ： 5 i ： 舶。根据约束条件 2 5 0 C ( 9 0 0 ) ，则说 明$ 2 = 8 0 0 是不经济的， 应将其删掉。 根据上式计算结果 ， 可以看出 、 和 的可 能组合分别为 ： $ 2 = 6 0 0 ， 8 0 0 ， 9 0 0 ， 1 0 0 0 ， 1 1 0 0 C ( ) = 1 8 0 0 ， 2 0 0 0 ， 2 2 0 0 ， 2 8 0 0 ， 3 0 0 0 z ： 0 ， 2 0 0 ， 5 0 0 ， 6 0 0 。 第 3阶段 ：从首站人 口至第 3站出口，其状态转移 方程 ： = + 勘。 递 推 方 程： ( ) = m i n C s ： ( X ) + G( x ) j 5 0 S 1 3 5 0 根据 的可能取值范围及约束条件 7 5 0 + 盈 1 3 5 0及升压值一 费用表可知： 当 , S = 6 0 0时 ，1 5 0 A ，说明有剩余压头 ，要考虑调节 措施 。 从上述求解过程可以看 出，在按递推方程顺序 向前计算时 ，每一阶段都要计算所有可行状态下 的 代价 函数及相应的决策变量 ，直到求 出全线最省的 动力费用为止。然后再由终点开始逆序向前反推各 阶段 的最优决策变量。每个阶段有若干个离散的状 态变量 ，其数 目等于过程起点到此阶段终点的所有 可能泵组合数 。实际上 ，由于进出站压力的限制 ， 可行的状态变量数要比可能的泵组合数少得多 ，在 递推过程 中随时淘汰 了各阶段的部分不可行 的组 合 ，减