（油气田开发工程专业论文）靖惠输油管道运行动态模拟优化软件的研制.pdf

英文摘要 s u b j e c t ： a s t u d yo nl o wf l u c t u a t i o np u m pb yu s i n gh y d r a u l i cf i l t e r s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： a b s t r a c t 蛔3 j m c 叼 乙呦 t h eo i l - t r a n s p o r t a t i o np i p e l i n ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf o u n d a t i o n a lf a c i l i t i e si no i l i n d u s t r y , d u et ot h eb i gi n v e s t m e n tt ob u i l da n dh i g hc o s tt oo p e r a t e b a s e do nt h ed e e p a n a l y s i sa n ds u m m a r yo f t h er e s e a r c hr e s u l t sf o ro p e r a t i o no p t i m i z a t i o na n dd e s i g nt e c h n o l o g y o ft h er a w o i lp i p e l i n e sb o t hi nc h i n aa n dg l o b a l l y , t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ef u r t h e rr e s e a r c h o nt h es i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no ft h eo i lp i p e l i n es oa st oi n n o v a t et h ec o n c e p ta n d p a r e m f o rp i p e l i n em a n a g e m e n t ，a n df o rt h ee n t e r p r i s et oe a mm o r ee c o n o m i cp r o f i t ，t e c h n i c a lp r o f i t ， a n ds o c i a lp r o f i t t h em a j o rw a yf o rl o n g - - d i s t a n c et r a n s p o r t a t i o no fr a w - o i li st om o v et h eh e a t e do i l t h r o u g ht h ep i p e l i n e i ti so b v i o u st h a tt h ep o w e rc o n s u m p t i o na n df u e lc o n s u m p t i o ni st w o m a j o ro p e r a t i o nc o s t st oh e a tt h er a w - o i la l o n gt h ep i p e l i n e i nt h ec o n d i t i o nt h a tt h ep i p e l i n ei s o p e r a t e ds a f e l ya n ds t a b l y , t h eo p e r a t i o nw a yi so p t i m i z e db yat y p i c a lo b j e c tf u n c t i o no f t e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o na n de n e r g yc o n s u m p t i o n a tac e r t a i nt e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o nl e v e l ，t h e l e s st h ee n e r g yc o n s u m p t i o ni s ，t h em o r es u p e r i o rt h eo p e r a t i o nw a y w i t ht h eh e l po fc o n c e p td e s i g n ，f u n c t i o nd e s i g na n ds t r u c t u r ed e s i g n ，as i m u l a t i o na n d o p t i m i z a t i o ns o f t w a r ei sd e v e l o p e dw h i c hi sb a s e do nt h er a w o i lt r a n s p o r t a t i o np i p e l i n e t h e o r y , o p t i m i z a t i o n t h e o r y , a n dc o m p u t e r - a i dd e c i s i o n - m a k i n gt h e o r y b e s i d e s ，b yc o m p a r i n g t h ec o m p u t e dd a t af r o mt h i ss i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o ns o f t w a r ea n dt h er e a ld a t af r o m j i n g - h u ir a w o i lp i p e l i n e ，i ti sp r o v e nt h a tt h i ss o f t w a r ei sav e r yh e l p f u lg u i d ef o ro p e r a t i n g t h e p i p e l i n e k e y w o r d s ：o p t i m i z a t i o n o i lp i p e l i n em a t h e m a t i c a lm o d e l t h e s i s ：f u n d a m e n ts t u d y i i i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：墟日期：幽竺笙 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名：监 导师签名：必 日期： 日期：翌：! ：7 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究目的意义1 1 卅 管道工业有着悠久的历史。中国是最早使用管道输送流体的国家。早在公元前的秦 汉时代，就有人用打通了节的竹子连接起来输送卤水，随后又用于输送天然气。现代管 道始于1 9 世纪中叶，1 8 5 9 年，美国宾夕法尼亚打出了第一口油井，所生产的原油起初 用马车拉运，从而导致了严重的交通拥挤。直到18 6 5 年，才建造了第一条用于输送原油 的管道。直径为5 0 m m ，长为l o k m ，输量为2 8m 3 h ，用往复泵驱动。 1 9 5 8 年以前，我国输油管道还是一个空白。1 9 5 8 年，我国修建了第一条长输管道： 克拉玛依一独山子原油管道。随着我国石油工业的发展，2 0 世纪7 0 年代开始兴建大型 输油管道，我国管道工业进入第一个发展高潮，建设的管道主要是原油管道。到目前为止， 我国铺设的百公里以上的原油长输管道4 0 余条，管径为1 5 9 - - - , 7 2 0 ，形成了具有一定规模的 原油管网。我国管道工业继第一个发展高潮之后，于2 0 世纪9 0 年代中期逐渐进入第二 个发展高潮，而且日前已经处在发展高潮之中。此次发展高潮以天然气管道和成品油管 道建设为主。近几年来，我国已经建成的或正在兴建中的管道有，西气东输管道、涩北 西宁兰州天然气管道、兰州成都重庆成品油管道、茂名至昆明成品油管道、忠县至武汉 天然气管道、宁波上海一南京进口原油管道、环珠江三角洲液化天然气管道、镇海至萧 山成品油管道，以及平湖至上海的海底天然气管道等。正准备兴建的管道还有中俄天然 气管道、中俄原油管道，远景规划可能还有吐库曼斯坦至中国的天然气管道、西西伯利 亚至中国天然气管道，以及苏里格气田的外输管道等。 1 1 输油管道是石油工业的重要设施之一，投资巨大，运行费用高。高昂的运行费用中 能源费用占有很大的比重。随着输油规模的不断扩大，输油管道的能耗费用越来越大。 由于电力和燃油价格上涨，输油管道的运行费用迅速增长，特别是电力费用，在输油成 本中占有的比例很高。因此改善输油管道的运行状况，在保持管道输送压力不变的情况 下，增大输送能力；或者在保持输送能力不变的情况下，降低管道运行压力，减少能源 消耗，降低输油成本。这样不仅可以缓解国家能源紧张的局面，而且可以提高输油企业 的经济效益。1 2 1 长距离输油管道由输油站和线路两大部分组成，管道起点有起点输油站，也称首站， 它的任务是收集原油或者石油产品昵，经过计量后向下一站输送。油品沿着管道向前流 动，温度、压力不断下降，需要在沿途设置中间输油热泵站继续加热加压，直至将油品 输送大到终点。 西安石油人学硕十学位论文 易凝、高粘原油通常采用加热输送方式，在热油沿管道向前输送的过程中，由于其油 温远高于管道周围的环境温度，在径向温差的推动下，油流所携带的热量将不断地管外 散失，因而使油流在前进过程中不断地降温，即引起轴向降温，轴向降温的存在，使油 流的黏度不断上升，单位管长的摩阻逐渐增大。当油温降低到接近凝点时，单位管长的 摩阻将急剧升高。 长距离输送热油管道的运行一般都采取多泵站分段加压，分段加热的方式，将易凝高 粘原油从管道起点输送到终点。管道输送压力越高，所耗动力费用就越大，所需的输送温度 就越低，所耗热力费用也就越小，反之亦然。因此，确定最佳的输油温度和输油压力使管道 处在最优运行状态对降低输油成本具有重要意义。 因此，在管道运行过程中，需要将油流加热到多高的温度? 当油温降低到什么范围 时需要重新加热油流? 这些问题都是原油输送过程中急待解决的问题。热油输送由加热 站向油流提供热能，由泵站提供压能。在运行过程中要正确地处理这两种能量的供求平 衡关系。只有这样才能将原油经济有效地输送到目的地。 输油管道的优化就是借助于最优化理论和最优化技术，构造优化运行数学模型，针 对某条管道研究如何在实际生产运行中合理的选择有关技术参数，从众多可行的运行方 案中寻找满足生产实际，又能降低运行成本的最优或者次优运行方案。 随着计算机技术的迅猛发展，为各个领域的最优化和自动化创造了条件，为输油管 道的优化研究提供里必要的理论基础和实现手段，必将成为衡量管道生产管理水平高低 的标准。因此，深入开展管道优化运行管理的研究，走在信息化和数字化时代的前列， 更新管道管理观念和模式，提高管道运行管理水平、提高经济效益和社会效益的目的具 有十分重要和深远的意义。 目前，针对输油管道的参数模拟和优化运行还没有成熟的相关软件，因此本课题的 任务就是要在构建有关数学模型的基础上，编制相应的软件，以便为长输管线的运行管 理提供有效的工具。 1 2 国内外现状及发展趋势 从2 0 世纪8 0 年代开始，我国对油气管道的优化问题开始重视。 1 9 8 3 年，吴长春、张国忠、严大凡【1 4 】建立了热含蜡原油管道经济运行数学模型，文 中提出在用黄金分割法求解经济进站温度的基础上，确定泵站的经济调速比及全线各站 的最佳压力分配。 1 9 8 7 年，严大凡【3 】等人研究了特重质原油管道的优化设计，其输送工艺采用轻馏份 油作稀释油，将特重质原油的粘度降低后，再加热输送。 2 第一章绪论 1 9 9 0 年，吴立峰【5 】建立了热含蜡原油管道系统优化设计的数学模型，该模型是一个 约束非线性混合离散变量的优化设计问题，采用混合离散变量复合形法求解数学模型。 1 9 9 2 年，蒲家宁f 。7 】应用动态规划原理对长距离输油管道密闭输送的泵站及其机组进 行了优化分析和计算。吴长春、严大凡口建立了热油管道稳态优化运行的两级递阶数学 模型，其中较高层次的管道输油温度优化中嵌入了较低层次的泵组合优化。全线各站最 佳泵组合采用动态规划法求解，输油温度的约束优化问题采用惩罚函数法将模型转化为 无约束优化问题，再用p o w e l l 方向加速法求解。 1 9 9 3 年，汪玉春【l l 】建立了输气管道优化设计的数学模型，并用广义几何规划法求解， 获得了理论上的优化方案。并以理论上的优化方案为基本工艺参数，构造多个符合实际 的预选方案，采用灰色关联分析法进行整体评价，从中优选出最佳方案。王勇勤i s j 等人 用线性规划法实现油田输油泵站和原油外输泵机组的优化运行，减少了原油外输泵机组 工况搭配和搭配机组运行时间的盲目性。刘科、李建波【9 】根据某管道实际运行参数和单 位成本变化情况，建立了输油成本与输油量的数学模型，用微积分求极小值方法和迭代 法求解最佳输量，实现了节能降耗的目的。 1 9 9 6 年，王清【lo 】等人把孤东两条管道作为一个输油系统来考虑，选择以两条管道的 最低进站油温和最低允许输油温度。孤岛首站的总的输油量合理分配给两条输油管道， 用黄金分割法实现了孤永东管道全年压力越站，减少了首站的节流损失，提高了孤罗东 管道的输量达到节能降耗的日的。曲慎扬【2 8 i 用微积分求解最小值的方法获得输油管道最 佳工作压力的表达式。从表达式可知，最佳工作压力与所用管材的许用应力成正比，与 管径大小成反比；随着输油管道自动化程度的提高，输油泵机组功率的增大，促使最佳 工作压力值进一步增大。董正远、韩成才【1 3 l 以单位能耗费最少为优化目标，建立了热油 管道优化运行的数学模型。 1 9 9 8 年，吴长春【1 5 l 等人将输油胆管的两级递阶优化模型推广到庆铁线的双管系统， 张增强、畅忠民【惦】建立了秦京输油管道优化运行的动态规划数学模型。1 9 9 9 年，蒲家宁、 蒋明【1 7 】建立了描述油品“界面”处于管道个特殊点时全线能量平衡方程和校核点动压的通 用计算式。刘伟、梁江【1 2 】建立了无分油支线的成品油管道工艺方案优化设计数学模型， 但是没有说明采用何种方法求解其数学模型。 2 0 0 0 年，宫敬【1 8 】等人建立了以全线耗电费用最小为目标函数的两个成品油管道优化 运行数学模型，采用动态规划法求解全线各站泵机组与管路的最优匹配。 近十年来，管道科学技术突飞猛进，原油管道技术更是口新月异。在原油管道的设 计中，国外采用计算机辅助设计( c a d ) ，目前c a d 已体现在管道的设计中，设计成果表 西安石油火学硕士学位论文 格化、图形化。国外还注意研究原油管道的优化设计方法，但优化完全符合工程实际的 还不多，但习惯使用传统的方案比较法。 国内在原油管道的设计中，c a d 的应用刚起步，主要工作集中在加大计算机出图率 的力度上，在优化设计、工艺设计计算等方面仍以手工计算或编写一些零星的小程序为 主。近十年来，有关设计单位用昂贵的外汇从国外引进一些输油管、输气管的权威软件， 这些引进的软件为我国近十年来大规模开展输油管、输气管可行性研究和规划设计有一 定的帮助，减轻了工程技术人员大量烦琐计算的劳动强度。这些引进软件的共同弱点是： 只能用于已建管道的参数校核，若用于工艺设计、方案选择，方案选择，必须先假设一 系列参数，进行多次试算、校核，才能获得较满意的工艺参数，使用效率低。 原油管道优化设计的发展趋势将是：在优化过程中引入新技术、新工艺；利用计算 机实现原油管道优化设计、设计方案评价自动化，即只须输入少量原始数据，由计算机 输出优化结果( 一系列工艺参数、经济指标) 、优化方案。 1 3 本文研究的主要内容 靖惠输油管道是长庆油田陕北、宁夏油区的一条主力输油干线，承担着1 3 个油田的 原油输送任务，年输油能力可达4 0 0 万吨以上。该管道包括首、末站和两个中间站，两 条支线管道在马坊站插入靖惠线。靖惠输油管道全长约2 1 6 k m ，管径为m 3 3 7 x 6 m m ，设 计压力6 4 m p a ，设计输量3 5 0 万吨年，设靖安输油首站、油房庄输油站、马坊热泵站、 红井子插输站和惠安堡末站共计5 座场站，在管道首末站之间，油房庄输油站、马坊热 泵站和红井子插输站为进油( 插输) 点。靖惠输油管道在输量小于2 8 7 万吨年时，采用 一泵到底中间插输的密闭输油工艺；在输量大于2 8 7 万吨年时，首站至油房庄输油站管 段采用旁接罐输送工艺，油房庄输油站至末站管段采用中间插输的密闭输送工艺。 本文针对靖惠输油管道的布站情况和送工艺条件进行模拟优化计算，进行翻越点计 算，管道工作特性曲线、定流量优化计算、变流量优化计算、定压力优化计算五个层次 的计算。得出管道的工作特性和各个管段不同输送量下的最佳运行参数、能耗及经济指 标。 进行以下几个方面的研究： 1 输油管道模拟优化数学模型建立的研究 针对输油管道的模拟优化要求，建立管道的定压力、定流量、变流量模型，及与之 相关的经济计算模型。 2 输油管道模拟优化数学模型求解方法研究 针对模型特点，依据给定的边界条件和管道的相关参数进行模型优化求解。 4 第一章绪论 3 输油管道模拟优化软件设计及编制 采用模块化、机构化语言，利用v i s u a lb a s i c 语言编制模拟优化软件。 4 输油管道模拟优化软件简介 5 利用输油管道模拟优化软件对某一条管道进行拟合计算。 1 4 小结 靖惠输油管道运行参数模拟优化软件是利用输油管道计算与计算机技术的有机结合 而设计开发的管道运行模拟参数优化设计软件。在该软件中建立了靖惠输油管道运行的 流动模型，利用相关的计算方法和编程手段对运行参数进行模拟优化设计，通过对靖惠 输油管道的模拟计算，在现有布站的情况下，在密闭输送和旁接罐输送工艺条件下，得 出管道的工作特性和各个管段不同输送量下的最佳运行参数和能耗及经济指标。在管道 输送量一定的情况下，计算出能耗最低、运行最平稳的工况；在管道输送压力一定的情 况下，计算出最大输送量。管道运行不同工况下的各种不同参数可以随时输入，软件可 以对输入的数据的可用性进行智能判断，并按照输入的数据即时进行模拟计算。 该软件的应用将会为优化运行方案和运行参数提供理论指导，通过对各类影响优化 运行方案参数实时分析，给出最佳运行方案和相应的参数，充分发挥设备效能，使能耗 降到最小，减少管输成本，提高管道输油的综合经济效益，最终提高管道的管理水平。 两安石油人学硕士学位论文 第二章管道优化软件设计数学模型的建立 靖惠输油管道运行参数模拟优化软件是利用输油管道计算与计算机技术的有机结合 而设计开发的管道运行模拟参数优化设计系统。日的在通过对靖惠输油管道的模拟计算， 对现有布站的情况下，在密闭输送和旁接罐输送工艺条件下，得出管道的工作特性和各个 管段不同输送量下的最佳运行参数、能耗及经济指标。该系统可以实现输油管道的实时分 析计算分析，将为输油管道的运行决策和工作效率的提高做出贡献。 优化设计必须从经济方面考虑。外输管道的总费用应包括初始投资和运行费用。初始 投资包括管材投资、保温结构的投资、防腐层等必要辅助材料投资和施工费用等；运行费 用主要包括动力损耗费用、热力损耗费用以及维修折旧费用等。从经济的角度出发，设计 时只能考虑初始投资，也不能只考虑运行费用，两者必须同时考虑。根据这一原则，以既 考虑管道的初始投资又包括了管道的运行费用的等额年费用作为优化设计的目标。 确定优化变量需要考察和确定各种因素对优化目标的影响。外输管道的管道参数包括 管径、壁厚和保温层厚度，主要工艺参数是出站压力和温度，这些参数对优化目标的影响 是不同的。管径越大，管介质流速就越低，压降就越小，动力费用也就越小，但需要的管 材费用就越多；而管径越小，当管内介质流速增加、压降增大，造成动力费用增加。对同 意管径，管壁越厚，耗材就越多，使得管材投资增加，同时内径会变小，流速和压降增加， 热损失减小，因而动力费用增加，燃料费减小；反之，会降低动力损耗费用和管材投资， 但增加了燃料费。如果保温层厚度越小，保温材料投资就越小，当热损失增大，所需的燃 料费增高；反之，保温层厚度越大，热损失和燃料费越小，但保温层的投资却增加了。 出站温度对长距离或输送稠油、高含蜡原油的管道，除了影响管道的热损失和燃料费 以外，还影响到原油的粘度、管道的压降和动力费。显然出站温度越高，所需的燃料费就 越高，但是由于温度的提高，原油粘度降低，动力损耗费用减少，这时还可以将管径和保 温层厚度设计得小一些，以降低初始投资。较低的出站温度虽然可以降低燃料费，但由于 原油粘度高，因而使得动力损耗费用增加，由于较高的出站压力对管壁的要求较高，会导 致较高的材料费和动力损耗费。但在高压力下可以降低材料费和热力损耗费用。出站压力 受管径、管长出站温度以及管内介质流速等因素的影响，不是一个独立参数，没有必要将 其作为独立的优化变量。这样这个问题的优化变量包括了管径、壁厚、保温层厚度和出站 温度。 节能降耗对长输热油管道运行成本降低具有重要意义。经多年努力，通过采用加剂降 凝降粘、热处理、泵调速及设备改造等措施，输油成本已有较大下降。通过运行优化以取 6 第三章管道运行动态模拟优化软件设计 得全线各站泵炉最佳组合，是迸一步降低输送成本的基础。 2 1 目标函数的建立1 2 们6 3 7 l 长输管道运行工艺十分复杂，建立多个目标函数进行分析。 2 1 1 定流量输送数学模型的建立 通过对影响优化运行方案的各类参数分析发现，在输量q 一定的条件下，若第一类 参数确定了，那么其它参数也就确定了，故可以选取各站的进站油温t i 和p i ( i = l n ) 变量。在q 一定的条件下，t i 、p i 一旦确定，则全线总压降、各站出站压力、动力费用及 燃料费用也就确定了。 目标函数是评价方案好坏的指标。对于一条运行中的热油管道，运行方案的好坏可以 用能耗费用来衡量。也就是说可以选取能耗费用作为目标函数。能耗费用越小，说明运行 方案越优。目标函数式为： m i n s = s p + s r 式中：s 一能耗费用，元t k m ； s 卜动力费用，元t k m ； s 卜燃料费用，元t k i n 。 2 1 - 2 定压力输送数学模型的建立 通过对影响管线安全运行的各类参数分析，可知，管线运行压力p 不得超过管线的设 计压力，管线进站压力要确保进站无翻越点的最小压力。在确定出站最大压力和进站最小 压力的条件下，可以选取各站的出站油温t i ( i = 1 n ) 作为决策变量。在p 一定的条件下， t i 一旦确定，则最大流量和动力费用及燃料费用也就确定了。 同定流量计算，选取能耗费用作为目标函数。能耗费用越小，说明运行方案越优。目 标函数式为： m i n s = s p + s r 式中：s 一能耗费用，元t l a n ； s p 一动力费用，f r d t k m ； s 卜燃料费用，元t k m 。 2 1 3 变流量、变压力输送数学模型的建立 对于有多个泵站的长输管道，根据每月的生产实际情况，存在几种可能的运行方案。 运行方案不同则输量不同，每种输量下的能耗费用亦不同。因此对于给定的月输油任务， 必定存在使全月输油总能耗费用最小的输油方案。 编制月输油计划的目的在于在完成输油任务的前提下，使总能耗费用最小。所以，本 7 两安石油大学硕l j 学位论文 问题的日标函数为全月总能耗费用s ，决策变量为每种运行方案( 输量) 运行的时间t i 。 设管道可在m 种输量下运行，运行输量及对应的能耗费用分别为q i ( t h ) 和s i ( 元 t ) ( i = 1 m ) 。已知某月输油任务为g 万吨，该月的总天数为d 天，根据生产工艺的要求， 每月的总停输时间不得超过d 天。 取每种输量的运行时数为决策变量，s 表示全月的总能耗费用，则该问题的数学模 型为： m i n s = q s 誓 ，= l 经济角度建模，从降低输油成本方面考虑，影响输油费用的运行参数主要是各站加热炉 的升温值和泵站的升压值，因此，确定合理的输油温度和开泵方案使输油费用最低作为优化 的最终日的。输油费用主要包括动力费用和燃料费用，输油费用最低也就是使动力费用和燃 料费用两部分总和最低。 ( 1 ) 热力费用的计算 输量一定时，热力费用仅和进站温度有关，由苏霍夫温降公式，知道了进站温度，出站温 度就可求，由进出站温度就可以计算出全线的热力费用。 上 品( 乏) = g c ( 一r z , ) 髟( 乃) t = l 其中，其中，i 为热站号；n 为热站数；sr ( t z ) 为管道全线热力费用；元d ；g 为日输 原油质量，k g d ；c 为原油热容，j ( 垤k ) ；t r i 为第i 站出站温度，k ；t z i 为第i 站进站温 度，k ；e f 为燃料油价格，元k g ；r l f 为加热炉效率；bh 为燃料油热值，j 蚝。 ( 2 ) 动力费用的计算 每站动力费用的计算泵所耗动力费用是泵扬程及泵效率这二者的函数，而泵扬程和泵 效率是流量q 的单值函数，所以泵的动力费用也是流量q 的单值函数，假设某一站开m 台泵，因不同的泵有不同的扬程曲线和效率曲线，所以该站的动力费用可用下式计算： c ，n 、一9 8 x 2 4 g e p 亡h k j ( q ) 蹦q ) 2 百蔷耢 其中，j 为泵的序号；k 为泵站序号；sm k ( q ) 为第k 站所耗的动力费用，元d ；e p 为 电力价格，元( k w h ) ；h k j ( q ) 为第k 站第j 台泵流量为q 时泵的扬程，mm k j ( q ) 为第k 站第j 台泵流量为q 时泵的效率。 全线总动力费用的确定在输油量为已知定值的情况下，各站的开泵方案决定了管道全 线总动力费用的大小。如果各站开泵数及开泵型号已知，则全线总动力费用即为各站动力费 g 第三章管道运行动态模拟优化软件设计 用的累加。sp ( q ) = sm l ( q ) + sm 2 ( q ) + + sm n ( q ) ( 3 ) 其中，sp ( q ) 为全线总动力费 用，元d ；sm n ( q ) ( n = l ，2 ，3 ，) 为各站的动力费用，元d 。 ( 3 ) 输油总能耗费用的计算 总能耗费用包括热力费用和动力费用，长输管道优化的目的就是使总能耗费用最低，也 就是所求的目标函数，如下式： m i ns = sr ( t z ) + sp ( q ) ( 4 ) s 为输油总能耗费用，元d 。 ( 4 ) 约束条件 进出站压力约束：p s i 卸_ t i nm i ni ( 6 ) 出站温度约束：t r i _ 0 管道上存在翻越点时，翻越点后的管内液流将有剩余能量。如果不采用措施利用和消 耗这部分能量，翻越点后管内将出现不满流。不满流的存在将使管道出现两相流动，而且 当流速突然变化时会增大水击压力。对于顺序输送的管道还会增大混油。 一般采用解析法计算翻越点，在线路上选若干个高点进行计算，一般选最高点及最高 点之后的高点进行计算。计算方法有两种： a 、计算从起点到高点j所需的总压头h j ，并与从起点到终点所需的总压头h 比较， 如果有若干个高点的h j 都大于h ，则h j 最大者为翻越点。若所有的h j 都小于h ，则不 存在翻越点。 h j = i l j + zj z q h = i l ，+ z j z q 式中：l j 、蜀分别为高点j 的里程和高程。 b 、计算 a h = ( z j z z ) 一f ( 三一三) 如果有若干个点的h j 均大于零，则其中最大者为翻越点。若所有点的h j 均小 于零，则不存在翻越点。 管线设计和运行时，无论是旁接油罐流程还是密闭流程，翻越点均只有一个，且确定 方法相同。但翻越点会随水力坡降的变化而变化。 l o 第三章管道运行动态模拟优化软件设计 2 3 参数计算 影响输油管道运行经济性分析结果的因素很多，大致可归结如下： a ) 已知因素如输量、管径、原油物性、管长及热泵站位置、各站泵炉配备及性能、沿 线地形等； b ) 条件已知因素，可通过多年运行记录及某些实测总结整理获得，如全年沿线地温变 化、不同输量不同埋设地域站间温降压降、结蜡情况及清管周期对管线运行的影响等，用 以反算传热系数，经数学处理以相应方式存人数据库以供调用。为使反算结果符合实际， 站内摩阻、过泵油流温升、管阀件摩阻等也应考虑； c ) 输送工艺条件，如允许管压、允许最高油温、设备最大负荷、结蜡情况、进站压力 和末站进站油温要求等，此类因素以约束条件出现，合理与否直接影响最优方案正确确定 及可实施性： d ) 管线铺设方式，如单管线还是双管线，分输及合输要求及位置，后者需通过相应模 型和方法解决流量分配，正确合理与否直接影响分析结果； e ) 热力、压力越站判据，其中热力越站尤为关键，但合适判据的确定并非易事，影响 因数极为复杂，因而针对管线具体情况通过现场经验数据反演以获得效果良好的判据十分 重要； 0 与人为决策有关且对经济性有直接影响、可通过运行优化获得的因素，如泵炉启用 位置及匹配方式，进出站油温油压控制参数，增压泵、调速泵启用位置及相应要求，某站 故障停泵炉而需的相应调整方式等等。 为简化分析作如下基本假设： a ) 输送过程为稳态过程； b ) 管壁结蜡段各处凝蜡厚度相等，取平均当量厚度。据此全线运行费用可认为仅与热 炉启用站进站油温有关，由其可计算沿线温降压降，再按输送工艺要求及越站判据可确 定全线泵炉启用站位置数目及所需出站加热温度和管压，从而可得相应的热力动力消耗。 2 3 1 参数调查 通过对靖惠输油管线的分析，影响输油管道运行经济性及分析结果的因素大致可归纳 如下： 1 ) e 知因素：管线的任务输量、管道直径、输送油品物性、管道及站间长度、各站泵炉 配备及性能、沿线起伏高差、燃料油价格、电费价格等。该类因素在优化计算过程中不可 以改变，作为常数输入。 2 ) 条件已知因素：全年沿线地温变化、不同输量、不同埋设地域的沿线温降压降、结蜡 西安石油大学硕士学位论文 及对管道运行的影响、站内摩阻、油流经过泵的温升、管道附件摩阻等。该类因素对正确 分析经济运行有较大的影响。 3 ) 输送工艺条件：管道承压、最大允许出站油温和出站压力、泵的最大量程，加热炉的 最大加热负荷、最低允许进站压力和进站油温等。该类因素在优化运行计算中以约束条件 出现。 4 ) 直接与运行方案有关的因素：油品运行过程中各热站加热炉的启停及匹配方式，各泵 站的开泵方案。该类因素对经济运行具有决定性影响，是优化运行计算中要优化的参数。 2 3 2 基础参数的选取 热油管道稳态优化运行方案的计算涉及大量基础参数，这些参数选取对优化计算结果 将有不同程度影响，应尽可能取得准确可靠，力求反映客观实际情况。影响优化计算的主 要参数有： ( 1 ) 原油比热容。对含蜡原油一般近似取2 1l ( j k g 。c ( 0 5k c a l k g ”c ) ，这一比热容 值没有计及原油中析蜡潜热的影响，因为原油通过加热炉的时间根短，蜡结晶尚来不及溶 解。在沿管线流动过程中也就不存在析蜡潜热了。 ( 2 ) 原油流动特性参数，包括粘度和流变参数。因为粘度和流变参数对压降影响较小， 在优化计算中并不要求这些参数有很高精度但由于含蜡原油的温度和剪切历史对其流动 特性参数有相当大影响，故在优化计算中所取的这些参数应在模拟管流状态条件下测试。 ( 3 ) 摩阻修正系数f o 其定义为管段的实际摩阻与计算摩阻之比，该系数的修正作用有 两个，即对摩阻公式本身的修正和对管径的修正实质上反映了管内壁的结蜡状况在引入 摩阻系数后，计算管径应取不结蜡时的管内径对于运行中的热油管道，其各管段的摩阻 修正系数可利用最小二乘法从管线的实际运行参数反算得到。 ( 4 ) 地温与传热系数k 。对于运行中的热油管道，各管段的k 值可利用最小二乘法从管 线的实际运行参数中反算得到。在反算k 值时应考虑管内生成的瘴擦热。此外，在利用反 算的k 值进行温降时，所取地温一定要与反算k 值时取的地温一致。 ( 5 ) 设备特性参数。设备特性对优化运行方案有直接影响，因此在进行优化计算时应尽 可能取现场实测的特性相对来说，在优化计算中输油泵特性比加热炉特性( 效率) 更重要， 而泵特性中h q 特性比t - q 特性重要，因为h q 特性将直接影响最优泵组合。 ( 6 ) 计算温度t 0 。以管道埋深处土壤自然温度做为计算温度，随着地区、季节的变化 而变化，应当从气象资料上取多年的实测平均值，按照此温度计算油品的物性参数，如粘 度、密度等。 ( 7 ) 油品相对密度。原油的相对密度与温度近似为线性关系，其温度系数与密度有关， 1 2 第三章管道运行动态模拟优化软件设计 可用下式求得温度t 时的原油的相对密度。 d 4 = o 一( 丁一2 0 ) 口：原油的相对密度 口4 ：原油在2 0 c 时的相对密度 亏为温度系数，乒o 0 0 1 8 2 5 0 0 0 1 3 1 5 d ；。，k y ( m 3 ) ( 8 ) 雷诺数 雷诺数标志着油流中惯性力与粘滞力之比，雷诺数小时，粘滞力起主要作用；雷诺数 大时，惯性损失起主要作用。 r e ：堕：竺 v了【d 1 ， ：油品的运动粘度，m 2 s q ：油品在管路中的体积流量，m 3 s d ：管道的内径 层流区 r c 2 0 0 0旯：竺 紊流光滑区 3 0 。 r e r e 。= 万5 9 5 万1 = l 砘r e 1 5 3 当r e c ( p 2 ) ，则e ( p 1 ) e ( p 2 ) ( 2 ) c ( pl + p 2 ) c ( p1 ) + c ( p 2 ) 不等式( 1 ) 说明对于比较复杂的问题，解决它所需要的工作量也相对比较大，不等式 ( 2 ) 则说明，如果一个问题由两个小问题组成，它的复杂度要大于分别考虑每个问题的发 杂程度之和。 由不等式( 1 ) 和( 2 ) 可以得到不等式 ( 3 ) e ( pl + p 2 ) e ( p1 ) + e ( p 2 ) 从上面的不等式可以得出结论，一般来说，分解会降低问题的复杂度，减少工作量。 但是实际上，这个减少不会持续下去，因为软件开发系统所需要的工作量还与软件系统 的内容、各个组成模块相互关联及模块划分输量有关。如果划分的输量越多，模块之间 的联系越多，虽然模块本身的工作量减少，但是模块接口工作量却增大，因此总工作量 也会增大。 因此划分模块数应控制在一个合理的范围内，这个合理的范围称为最小成本区，也 就是使开发系统的总成本最小的区间，如果将模块数控制在最小成本区的范围内，就可 以使开发工作量保持最小。 2 、信息屏蔽和局部化 信息屏蔽原理是指：应该这样设计和确定模块，使得一个模块内包含的信息对于不 需要这些信息的模块来说是不能访问的。 局部化原理是指把一些关系密切的软件元素物理地放得比较近些，严格控制数据对 象可以访问的范围。 显然局部化与信息屏蔽密切相关，有助于实现信息屏蔽。 3 、模块独立性 两安石油大学硕i ：学位论文 模块独立性是把软件划分为模块是要遵循的准则，衡量模块独立性的标准是模块本 身的内聚性模块之间的耦合性。 模块的内聚性是指模块内各个成分间的联系的紧密程度。模块的耦合性i z h i 模块之 间的互相关联程度。模块的独立性越高，内聚性越强，耦合性越弱。 内聚性分类 内聚强 序号内聚性描述 弱程度 l偶然内聚性模块之间的组成成分是互不相关的，组合纯属偶然性 弱 2 逻辑内聚性由若干个逻辑功能相似的成分组成 3时间内聚性 模块包含的成分由相同的执行时间将他们连结在一起 4 过程内聚性一个模块包含的+ 一组任务必须按照特定的时间执行 5 通信内聚性模块内部各个成分使用同一个输入数据或产生同一组输出数据 6 顺序内聚性 模块组成成分顺序执行，一个处理框的输出是另一个处理框的输 强 入 7 功能内聚性所有的成分组合在起完成一个单一的功能 耦合性分类 耦合强 序号 耦合性描述 弱程度 l非直接耦合 同级模块之问没有信息传递，它们之间的间接联系是通过上级模 弱 块调用和控制实现的 2 数据耦合上级模块通过参数表与下级模块交换简单的变量 3 特征耦合上级模块通过参数表与下级模块交换数据结构 4控制耦合 模块间传递的用作控制信号的开关值或标志量 5 外部耦合一组模块访问同一个全局变量 6 公共耦合一组模块访问同一个全局数据结构 强 一个模块可直接调用另一个模块中的数据或可以直接转到另一 7 内容耦合 个模块中去 3 2 软件设计优化原则 在软件设计过程中，有一些由经验获得的启发性规则，可