（油气储运工程专业论文）海上集输系统运行参数优化研究.pdf

关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者躲群国擞 学位论文使用授权书 日期：砂f1 年歹月弓p 日 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 鲁嗣牦 日期：2 夕f1 年 日期：山t 1 年 f 月歹d 日 ，月；0 日 摘要 集输系统是海上油气生产的重要环节，随着我国海上油田开发逐渐进入中后期，油 田的实际生产情况与最初的设计工况已经大不相同，亟需对海上集输系统的运行参数进 行优化，以适应油田开发调整的需要。本文以海上集输系统为研究对象，在工艺流程一 定的情况下研究运行参数的优化问题。 首先建立海上集输系统整体优化的基本思想。利用节点分析的基本原理，将海上集 输系统分解为若干子系统，并通过能流和物流将各个子系统关联为一个整体。为了实现 上述分解与关联，提出建立海上集输系统优化决策平台的构想并给出平台设计的基本思 路，为后续的仿真模拟和参数优化奠定良好的基础。 然后，在分析海上集输管网及平台关键设备工作原理的基础上，建立海上集输系统 的仿真模型，并编制仿真程序以实现上述优化决策平台的各项功能。考虑到传统的油水 分离计算方法无法得到出口原油含水率，本文通过分析出口原油含水率和水滴最小分割 粒径的关系，建立了油水分离设备出口原油含水率的计算方法。同时，加热炉热效率作 为仿真过程中的重要参数，传统上都是通过实测获得，本文通过研究热效率与运行热负 荷之间的关系，建立了加热炉热效率的计算模型。最后，研究了关键节点的仿真模拟， 通过关键节点参数的设置，一方面建立了系统与外界的联系；另一方面实现了模拟过程 中多个物流的混合。 鉴于海上集输系统的复杂性，单一的评价指标无法对其进行全面的评价，本文研究 了现有集输系统的评价指标及总体运行水平，从能量利用和处理质量两个方面建立了海 上集输系统的评价指标体系，并利用模糊综合评价法建立了海上集输系统的评价方法。 在上述研究成果的基础上，建立了海上集输系统的优化方法，并选取典型的海上油 田，对其集输系统的运行参数进行优化。 关键词：海上集输系统，仿真模拟，模糊综合评价法，运行参数优化 a b s t r a c t g a t h e r i n ga n dt r a n s p o r t a t i o ns y s t e mi sa ni m p o r t a n tp a r ti nt h eo f f s h o r eo i la n dg a s p r o d u c t i o ni n d u s t r y a s m o s to f f s h o r eo i l f i e l d s g r a d u a l l ye n t e r i n gt h e i rl a t es t a g e s o f d e v e l o p m e n t ，t h ea c t u a lc o n d i t i o n sh a v eb e e nv e r yd i f f e r e n tf r o mt h e i ro r i g i n a ld e s i g n t h e r e f o r e ，t om e e tt h ed e v e l o p m e n to fo f f s h o r eo i l f i e l d s ，o p e r a t i n gp a r a m e t e r sa r ei nu r g e n t n e e dt ob eo p t i m i z e d i nt h ec a s eo fas p e c i f i cp r o c e s s ，t h i sp a p e rs t u d i e st h eo f f s h o r e g a t h e r i n ga n dt r a n s p o r t a t i o ns y s t e mt or e a l i z et h eo p t i m i z a t i o no fi t so p e r a t i n gp a r a m e t e r s f i r s t ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e dt h e b a s i c i d e af o rt h eo v e r a l lo p t i m i z a t i o no fm a r i n e g a t h e r i n gs y s t e m u s i n gt h eb a s i cp r i n c i p l eo fn o d a la n a l y s i s ，t h eo f f s h o r eg a t h e r i n gs y s t e m w a sd i v i d e di n t os e v e r a ls u b s y s t e m s a n dt h e nt h r o u g hl o g i s t i c sa n de n e r g yf l o w , t h ev a r i o u s s u b s y s t e m sw e r ec o n n e c t e da saw h o l es y s t e m t oa c h i e v et h ea b o v ed e c o m p o s i t i o na n d a s s o c i a t i o n ，t h i sp a p e rp u tf o r w a r dt h eb a s i cc o n c e p ta n dd e s i g ni d e a so ft h eo p t i m i z a t i o na n d d e c i s i o n - m a k i n gp l a t f o r m ，w h i c hc a nl a yag r e a tf o u n d a t i o nf o r t h es u b s e q u e n ts i m u l a t i o na n d p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n t h r o u g ht h es e t t i n go fk e yn o d e s ，c o n n e c t e dt h es y s t e mw i t ht h e o u t s i d ew o r l d ，a n do nt h eo t h e rh a n d ，r e a l i z e dt h es i m u l a t i o no fm i x i n gp r o c e s s t h e n ，t h ew o r k i n gp r i n c i p l e so fk e ye q u i p m e n t sa n dt h em a r i n et r a n s p o r t a t i o np i p e l i n e n e t w o r kw e r ea n a l y z e d t h es i m u l a t i o nm o d e lw a ss e tu p ，a n dt h ep r o g r a m sw e r ec o m p i l e dt o a c h i e v et h ev a r i o u sf u n c t i o n so ft h ep l a t f o r m c o n s i d e r i n gt h a tw a t e rc o n t e n tc a nn o tb e c a l c u l a t e db yt r a d i t i o n a lm e t h o d s ，t h em o d e lo fo i l - w a t e rs e p a r a t i o ne q u i p m e n t sh a sb e e n s t u d i e dp a r t i c u l a r l y b ya n a l y z i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nw a t e rc o n t e n ta n dt h es m a l l e s t d i v i s i o n ，t h i sp a p e rp r e s e n t sac a l c u l a t i o nm e t h o db yw h i c ht h ew a t e rc o n t e n tc a nb e c a l c u l a t e dd i r e c t l y m e a n w h i l e ，a sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e r , t h ef u r n a c et h e r m a le f f i c i e n c y t r a d i t i o n a l l yc a no n l yb eo b t a i n e db ym e a s u r i n g b ys t u d y i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h e r m a le f f i c i e n c ya n dr u n n i n gh e a t i n gl o a d ，t h i sp a p e rs e t su pac o m p u t a t i o n a lm o d e lf o rt h e c a l c u l a t i o no ff u r n a c et h e r m a le f f i c i e n c y t h es i m u l a t i o no f k e yn o d e sw a ss t u d i e d n e x t ，t h i sp a p e rs t u d i e st h ee v a l u a t i o ni n d e x e sa n do v e r a l ll e v e l so fs o m ee x i s t i n g s y s t e m s ，s e t su pas y s t e m a t i ce v a l u a t i o n b yu s i n gf u z z ye v a l u a t i o nm e t h o d ，t h i sp a p e rs e t su p t h ee v a l u a t i o nm e t h o do fo f f s h o r eg a t h e r i n gs y s t e m f i n a l l y ，b a s e do nt h ea b o v er e s e a r c hr e s u l t s ，t h i se s t a b l i s h e da no p t i m i z a t i o nm e t h o d ，a n d s e l e c t e dat y p i c a lo i l f i e l dt oo p t i m i z et h ep a r a m e t e r s k e y w o r d s ：o f f s h o r eg a t h e r i n g a n d t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，s i m u l a t i o n ，f u z z y c o m p r e h e n s i v em e t h o d ，o p t i m i z a t i o no fo p e r a t i n gp a r a m e t e r s 目录 第一章绪论1 1 1 研究目的及意义1 1 2 研究现状1 1 3 研究内容与方法4 第二章海上集输系统整体优化基本思想6 2 1 系统分解与关联一6 2 1 1 系统分解6 2 1 2 系统关联8 2 2 优化决策平台的构建1 3 2 2 1 优化决策平台的基本构想13 2 2 2 优化决策平台的设计16 2 3 本章小结1 8 第三章海上集输系统建模仿真19 3 1 分离类设备建模仿真1 9 3 1 1 建模机理分析19 3 1 2 模型建立2 5 3 1 3 模型验证2 7 3 1 4 三相分离器计算思路2 9 3 2 加热设备的建模仿真3 1 3 2 1 建模机理分析3 1 3 2 2 模型建立3 2 3 2 3 模型验证3 3 3 2 4 加热炉计算思路3 5 3 3 集输管网的建模仿真3 5 3 3 1 建模机理分析m 蝴1 3 6 3 3 2 模型建立3 7 3 3 3 模型数值解法3 8 3 4 关键节点的建模仿真一3 9 第四章海上集输系统的模糊综合评价4 2 4 1 模糊综合评价法4 2 4 2 评价指标的筛选4 3 4 2 1 指标的筛选原则4 3 4 2 2 评价指标的分析4 4 4 2 3 评价指标的确定4 9 4 3 评价指标的量化一5 0 4 4 指标权重的确立5 l 第五章海上集输系统优化决策平台及优化实例分析5 3 5 1 优化决策平台功能简介5 3 5 1 1 集输管网计算及能耗分析5 3 5 1 2 平台处理流程模拟及评价5 4 5 2 优化实例分析一5 6 5 2 1 优化方法简介5 6 5 2 2 系统仿真与评价5 8 5 2 3 关键参数影响规律分析6 2 5 2 4 方案对比及参数优化6 8 结论与建议7 1 l ；占论7 l 建议一7 2 参考文献7 3 致谢7 5 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 研究目的及意义 第一章绪论弟一早珀下匕 集输系统是海上油气生产的重要环节，此环节包含对海上油田采出物进行汇集、处 理，并输送上岸的全过程。海上集输系统运行参数配置的合理与否决定了整个海上油气 生产系统能否平稳高效的运行，因此海上集输系统运行参数的优化调整是目前广受关注 的研究课题，值得进行深入研究。 目前，我国大部分海上油田已经进入开发中后期，油田的实际生产情况与最初的设 计工况已经大不相同，对集输系统的要求也随之而变，如果集输系统的各项运行参数没 有随着油田开发参数的变化而进行相应的调整，将导致系统能耗逐渐增加，效率逐渐降 低。为了解决上述问题，需要对现有的海上集输系统运行状况进行分析评价，并在此基 础上采用适当的优化方法，对其进行调整优化，以建立合理、高效、适应油田开发调整 的海上油气集输系统。 海上集输系统运行参数优化，是实现集输系统最优化生产的一种有效方法，通过参 数的优化，可以降低系统的运行能耗，提高管网及设备的运行效率，改善已有设备的运 行状况。通过对海上集输系统进行整体的优化，不但可以使集输系统内部各部分之间的 关系更加协调，而且能够提高集输系统对海上油气生产的适应性，从而达到提高集输系 统运行效率降低海上油田经营管理风险的目的。因此，优化海上集输系统的运行参数使 海上油气集输系统能够更加合理、高效地运行有着非常重要的实际意义。 本文的研究成果可以为海上油田集输系统运行参数优化调整提供可靠的依据，也可 以为海上油田生产提供一种方便、直观、快速、灵活、节省成本的试验和管理手段，对 海上油田开发方案的制定也具有一定的指导意义。本文的研究成果既具有一定的创新意 义，也具有重要的应用价值。 1 2 国内外研究现状 对国内外的相关研究调研可知，集输系统优化运行所涉及的主要研究内容可以分为 集输管网优化、处理系统优化、仿真优化软件的编制以及理论优化方法研究等几个方面， 现针对上述几个方面就国内外的研究现状进行综述。 在集输管网的优化运行方面，海上油气集输系统的优化设计主要是确定集输管网的 第一章绪论 拓扑布局和参数优化。管网拓扑布局的优化相对成熟，大多是以费用最小为优化目标， 实现管网布局的优化，参数优化研究大多是以总费用最低为优化目标，针对特定集输流 程的特定参数进行优化。由于星式集输管网的拓扑优化问题己被证明为n p 难解问题， 因此以往的研究是将该问题分解为拓扑优化和参数优化两个子问题进行独立研究，即分 级优化，而未将这两个子问题很好的结合，导致最终得到的方案不一定是最优的【1 1 。 油气集输管网系统的整体优化问题相当复杂，因此不能采用单一的优化方法，只能 用组合优化方法1 2 j 。但是，不论何种管网系统参数优化，只能在确定的管网拓扑形式基 础上进行。集输系统优化设计的主要方法有：神经网络法、遗传算法、图论法、动态规 划法等，在此基础上又发展了混合遗传算法，即遗传算法与神经网络算法相结合的方法 1 3 】。不同的优化模型可以采取不同的优化方法。一种好的优化方法必须具有好的收敛性、 稳定性及较快的收敛速度。海上集输系统优化是一个高度非线性的优化问题，无论采用 何种方法对其进行优化，都必须以满足工艺要求为前提，在重视优化方法的选择和研究 的同时，必须以现有的陆上及海上油田集输管网优化为借鉴，对集输管网的工艺作深入 研究。 在处理系统优化方面，目前的优化研究多数是通过实验，针对具体区块油品及流程， 选择相匹配的破乳剂，提高原油脱水处理效果，其实验过程耗费了大量的人力、物力， 也存在一定的安全隐患；对工艺流程的设计和改进一直是根据经验进行人工计算和选 择；对生产运行参数优化的研究还处于初级阶段，操作温度、压力及各脱水点脱水率等 运行参数缺乏理论指导；对系统的生产运行优化规律的认识还比较浅，通过优化参数降 低生产成本的工作目前做得还不够。王娜【4 】在研究和分析以联合站为主体的原油集输系 统的用能状况中，根据能量守恒分析和( 火用) 分析，对其用能水平做出评价，同时为 参数优化提供依据。在对联合站进行水力、热力计算的基础上，结合已得到的评价计算 结论，以生产合格原油所需总费用最少作为目标函数，建立优化设计的数学模型，并采 用适当的求解方法，求解得到原油处理系统最佳运行参数。影响联合站处理工艺的因素 很多，比如：联合站内各种动力设备效率、加热设备效率、脱水设备的效率、原油的粘 温特性及物性等。作者在文中分析研究了这些影响联合站效能的诸多因素，并选出对整 个联合站处理系统有较大影响的因素，将其作为优化变量，进而优化整个联合站。优化 的结果对联合站的现场运行提供了参考，亦提供了合理利用各设备的依据，这些研究内 容皆对海上油气集输平台的运行参数优化提供了借鉴。 在集输系统优化软件的开发和研制方面，随着计算机技术的发展及数值计算方法的 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 不断完善，世界发达国家( 尤其是美国) 在油田集输处理系统的设计、管网优化等方面， 模拟仿真软件皆起到至关重要的作用，成为不可或缺的一个环节，为石油工业带来了巨 大社会效益和经济效益。软件产业在我国的发展和在国外的发展程度相比还存在较大的 差距，在石油行业领域的开发情况差距更大。开发石油软件在需要石油行业的专业知识 的同时，还需要有软件开发的专业知识及对汇编语言的掌握能力。然而，国内同时具备 这些知识和能力的专业人士还很缺乏，我国研制开发应用的软件较少，谈到软件对我国 生产运行实际情况的普遍适应能力，这方面的软件就更加匮乏。目前，国内各油田都认 识到开发规划设计优化软件和生产运行优化软件的重要性，及其给社会带来的巨大经济 及社会效益，很多学者都在研发设计优化软件，无论是原油开采或者输送的软件都已经 处于启动和实施阶段。而由于处理系统工艺流程的复杂性，操作影响因素的多样性，对 于这方面的优化软件开发较少。从我国油田整体运行情况来看，大庆油田在油田的开采 及运作中的优化软件方面的工作已积累了一定经验【5 j 。但是这些研究开发工作整体看并 没有全面系统化，仅是在有限的一、两个专业子系统进行优化，覆盖面还很小，仅对大 庆油田范围内的特定的油田区块适应【6 j 。魏立新和刘扬的在集输系统生产运行方面的思 路是为了达到降低生产运行成本的目的，目标函数是系统的最小运行费用，约束条件是 井口掺水压力、回压及原油进联合站的温度，在此基础上建立油田集输系统的优化数学 模型，并通过数学方法求解，最后研制开发了软件【7 】。油田地面工程非常复杂，原油处 理设备多、参数多、工艺流程变化大，生产运行优化软件的研制具有许多现实困难，如 油田生产自动化程不高，参数控制不准确等。李岩芳、刘志华【8 9 】等人已经对集输系统软 件进行研究，优化联合站工艺运行参数软件。这些软件针对性强，不具有广泛适应性， 并且未能做到站内与站外参数优化的相结合。虽然国外已经开发了很多成熟的优化软 件，然而专门针对于海上油气集输系统开发的能够普遍应用的仿真优化模块几乎没有。 目前，在海上集输系统的日常设计、方案选择、生产管理、操作和控制中，所采用的方 法和技术还有待提高，为了满足海上油气集输系统生产管理、操作和控制等方面的要求， 迫切需要研发海上油气集输优化模块。 在优化方法上，由于计算机的普及及各种优化方法的发展，已有很多智能优化方法 在实际中得到了较好的应用。这些方法基本上是以遗传算法、粒子群算法等智能启发式 算法为理论依据，借助计算机的帮助通过编写优化程序，实现目标的最优化。不过将海 上油气集输系统作为一个整体进行参数优化的研究还很少。目前，油气集输管网规划工 作正朝着多目标化、灰色化和模糊化的方向发展。对集输系统利用多目标、模糊化的方 第一章绪论 法进行优化有诸多优点，比如可以使得评价更加全面，评价结果更加具有可信度，增加 可进行选择的方案，为最终决策提供依据。优化工作中涉及因素很多，都具有不确定性 和模糊性，有很多问题并不是属于经典数学中的“非此即彼 的问题。引入灰色和模糊 化方法，可以使优化结果更加合理【l o l 。灰色系统理论，模糊综合评判法等的不断发展和 完善皆对具有模糊因素的集输系统优化起到关键作用。采用模糊综合评判法对仿真结果 进行优化，是将仿真结果的逻辑性、循序性等特点与人的模糊性思维相结合，同时进行 综合的、整体的思考。 综上所述，目前对集输系统优化的研究主要集中在陆上油田集输系统，专门针对海 上集输系统进行的优化研究还很少。仅有的对海上集输系统的研究中，主要研究方向为 管网优化，集输管网与处理系统的整体优化还有待进一步研究。同时，随着工作人员对 海上油田集输系统运行规律认识的不断深入，在运行过程将工程技术人员的经验转化为 定量分析，人的感性认识与计算机的智能化相结合，通过多种工具实现海上集输系统整 体优化运行具有可行性。 1 3 研究内容与方法 本文的研究对象是海上集输系统，主要的研究内容以及用到的研究方法如下： ( 1 ) 研究海上集输系统的运行机理，建立海上集输系统运行参数整体优化的基本思 想。 充分利用节点分析法的优点，将海上集输系统分解为若干子系统，通过对各子 系统的研究，科学地分析整个系统； 根据质量守恒及能量守恒，以物流及能流为基本工具实现各子系统的关联，建 立海上集输系统的整体架构； 为了实现上述分解与关联，需要建立海上集输系统的优化决策平台，首先给出 平台的基本构想和设计思路。 ( 2 ) 研究海上集输系统的运行机理，建立海上集输管网和平台关键设备的仿真模型 并编制相应的仿真程序，实现决策平台的各项功能。 集输管网的仿真模拟：研究两相流水力计算模型在管网中的应用，建立集输管 网的计算模型，并给出模型的求解方法； 分离设备的仿真模拟：研究分离设备的运行机理，重点研究油水分离的计算方 法，以三相分离器为例，建立分离设备的仿真模型。在建立模型的过程中，从分析出口 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 原油含水率与最小水滴分割粒径的关系入手，利用现场数据标定油水分离设备的工作特 性，建立出口原油含水率的计算方法； 加热设备的仿真模拟：研究加热设备的运行机理，重点研究加热炉热效率的计 算方法，建立加热设备的仿真模型； 混合设备的仿真模拟：研究海上集输系统中常见的混合流程，分析混合流程的 运行机理，建立混合流程的仿真模型和求解方法。 ( 3 ) 结合海上集输系统的特点，研究现有集输系统的评价指标及运行水平，在此基 础上，建立海上集输系统的评价体系，并通过模糊综合评价法建立海上集输系统的评价 方法。 ( 4 ) 建立海上集输系统的参数优化方法，并选取典型的海上油田作为示范区，应用 上述研究成果对具体的海上集输系统运行参数进行优化。 第二章海上集输系统整体优化基奉思想 第二章海上集输系统整体优化基本思想 海上油气的开采、管输及处理是一个整体的系统，任一环节的参数发生变化，其它 环节皆应做出相应的调整，否则将导致系统能耗增加，效率降低，为了能够全面考虑各 参数对集输系统的影响，提出了海上集输系统运行参数整体优化的基本思想。 1 1 , 1 2 1 海上 油气集输系统是个异常复杂的开口系统，对系统的运行参数进行整体优化具有很大的难 度。提出利用节点分析法对整个系统进行分解，通过构建优化决策平台，并与第三方决 策即人为干预相结合，进行运行参数的整体优化。 2 1 系统分解与关联 海上油气生产系统是由采油、集油、平台处理构成的一个统一的水力和热力系统， 采油系统的任何变化，都会对集输系统( 包括集油系统与平台处理系统) 产生直接的影 响，从而改变整个集输系统的运行状况，因此本文将采油系统、集油系统和处理系统三 部分作为一个整体，在优化过程中，首先对系统整体进行分解，然后进行关联，最后进 行协调优化。 2 1 1 系统分解 利用节点分析法，对整个海上油气生产系统进行分解，将其划分为若干个子系统。 所谓的节点分析法，就是将整个海上油气生产系统视为一个整体，通过在其中设置若干 节点，将系统分成几个部分，然后对各个部分的运行状况进行分析，从而相对科学地分 析整个系统的运行情况。【1 3 j 利用节点分析法分析海上集输系统，首先需要进行节点的设置。按照生产流程，选 择井口作为系统分析的起点，平台处理系统出口作为系统分析的终点，管网与处理系统 的入口连接处作为中间节点。由此得到节点分析示意图如图2 1 所示。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图2 - 1 系统分解示意图 f i 9 2 - 1 t h ed i a g r a mo fs y s t e m d e c o m p o s i t i o n 如图2 1 所示，通过2 个节点将整个系统划分为3 个子系统：采油系统、集油系统、 处理系统，其中处理系统即某些具有油气处理功能的单元。这样将复杂的系统模型分解 为若干个功能相对独立的“子系统 。子系统的划分需要遵从一定的原则，划分方法应 符合生产习惯。比如，将油气集输系统划分为管网系统和平台处理系统等。 为了实现对系统的多层次分析、模拟与综合，对处理系统进一步简化分析，同样利 用节点分析的方法，以设备为基本单元按照流程将处理系统分解为若干部分，如图2 2 所示。 图2 - 2 处理系统分解示意图 f i 9 2 - 2 t h ed i a g r a mo fp r o c e s s i n gs y s t e md e c o m p o s i t i o n 其中，“子系统”和“设备 都是相对的概念。“子系统 是相对于整个系统而言 的，它由若干“设备”构成，具有相对单一的功能。处理系统的“设备 是为了达到处 理过程中某一效果的基本单元，例如，三相分离器作为一个单元是为了实现油、气、水 的三相分离，加热炉作为一个单元其作用是提高待加热介质的温度。这里需要指出的是， 在对设备进行定义时，通常将一台设备连同其附属结构视为一个单元。在对具体流程进 7 第二章海上集输系统整体优化基奉思想 行分析时，经常会遇到设备串、并联的情况，这时可将多台功能相同的设备视作一台设 备。比如，多台并联使用的分离器、加热炉等。处理流程节点的划分应以设备为基本单 元，以便于对单体设备进行仿真模拟。 本文采用的节点划分方法，能够保留原系统的所有能量及物流特征，从而保证对系 统运行状况的分析真实可靠。 2 1 2 系统关联 上一节利用节点分析法对系统进行了分解，而分解后的各部分需要进行关联才能对 整体运行参数进行优化。 2 1 2 1 系统关联基本思想 系统关联的基本思想是：在每个节点处，皆按照物流、能流关系实现各系统、子系 统及设备间的串接，并按照流速、压力、温度等参数变化的连续性实现整体优化。 下面主要对实现串接的具体机理进行分析。以子系统为例分析，介绍通过质量守恒 和能量守恒实现串接，使子系统集成为系统的方法。需要指出的是，不仅子系统与子系 统之间存在着能量与物流上的联系，系统与外界、子系统与外界之间也存在能量与物质 的交换，为了准确地模拟海上集输系统真实的运行情况，有必要建立系统与外界的联系， 只有这样才能反映外界对系统运行状况的影响，同时使所建立的系统具有灵活的可加减 性。 2 1 2 2 质量守恒分析 ( 1 ) 子系统质量守恒模型 建立油气集输系统中任一子系统f 的质量守恒模型。如图2 3 所示。 图2 - 3 子系统质量守恒模型 f i 9 2 3 m a s sc o n s e r v a t i o nm o d e lo fs u b s y s t e m 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 子系统f 应该满足的质量守恒关系式： m f 。柚+ m f ，加一m ，删一陟0 j 一彬一a g ，一a o , 一墨= m ，叫+ g 。埘，f ( 2 一1 ) 式中，各参数含义如下： 必加进入子系统f 的物流，k g h ； m 洲广流出子系统i 的物流，k g h ； 赢厂一流出子系统f 的污水，k g h ； g o 。r 从子系统i 中分离的天然气，k g h ； & 一子系统f 的固体排出物，k g h ； 4 0 f _ 子系统f 的原油损失，k g h ； 么暇一子系统f 的泄漏水，k g h ； 4 g 厂子系统f 的泄漏气，k g h ； m t 广进入子系统f 的物流，k g h ； m t 洲广离开子系统f 的物流，k g h ； 子系统f - 研究对象。 这一质量守恒关系给出了物料之间的平衡关系，可通过这一关系来确认设备质量守 恒的正确性。但若要在模拟中建立系统的模型，还需要列出原油、天然气和污水的守恒 方程： 原油守恒方程： x o i l ，帆f m ，f n + x o d , i n m ，加一x o t l , o u t m ，俐= x o d , o m , s m ，0 l | ，+ a o , ( 2 2 ) 式中，x o i l , 加厂由上一子系统进入子系统f 物流的含油率； 瑚眦广离开子系统f 进入下一子系统物流的含油率； ) 【口肋广一由除扣1 其它任一子系统进入子系统f 物流的含油率； ) ( d f f d 厂离开子系统f 进入除i + l 子系统其它任一子系统物流的含油率。 天然气守恒方程： x g a s ，虹，j 彳f ，j ”一x 鲫。鲫r j m 汀+ x g a s ，加m j ，m = g 删+ x g a s ，鲫，m j 。d l i f + a g l ( 2 3 ) 式中，k 玩f _ 由f 上一子系统进入子系统f 的物流的含气率； k 鲫广离开子系统i 进入下一子系统的物流的含气率； f r 由除乒l 其它任一子系统进入子系统i 的物流的含气率； x g a s , 鲫r 离开子系统f 进入除i + 1 子系统其它任一子系统的物流的含气率。 9 第二章海h 集输系统整体优化基本思想 按照上面的守恒关系，假定了在排出子系统f 的固体物中不含天然气。 水守恒方程： x w 肌，m ，拥+ ( 1 一x “，加一x 鲫，晰) 所，加一( 1 - x o l t , 洲一x 鲫，删) 脚，倒 ( 2 _ 4 ) = ( 1 一x o f ，。| i r ，f x g 。，。埘，) m ，加+ ，+ 彬 式中，x 嗍魂，是由子系统f 1 进入子系统f 物流的含水率。 ( 2 ) 质量守恒关系建立 子系统之间通过质量守恒关系关联起来，使子系统集成为系统： a 0 = x o i ，m 。肘 + l 吒= g 伽，。 j = j f a o = q a g = g f f s = s a w ：ya 肜 j i - 一 f 其中各参数的含义如下： d 0 。厂_ 离开系统的原油，k g h ； ，厂离开系统的污水，k g h ； g d 球广系统分离出来的天然气，k g h ； s 系统排出的固体，k g h ； 么仔一系统损失的原油量，k g h ； 么肜一系统漏出水量，k g h ； 4 g 一系统漏出气量，碚伪。 2 1 2 3 能量守恒分析 ( 1 ) 子系统能量守恒平衡模型 q + e + h m 。= h m 。+ h g 。+ h w 。七h s + a q 式中，竹物料的焓，l ( j m ，应该根据混合物质焓的热力学方法确定。 9 一进入子系统的热量，由燃料消耗量算得，k w h ( h ； l o ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 e _ 子系统消耗电量，后聊砌。 在式( 2 1 2 ) 所建立的子系统能量守恒模型中，天然气的损耗、原油损耗及水损耗 这些物流所带走的能量并没有直接算入，而将这些损失的焓值算在了能量损失a q 中。 对于式( 2 1 2 ) 组元列出能量守恒，并不能给出新的信息，所以没有必要再列出组 元的能量守恒方程。 ( 2 ) 能量守恒关系建立 利用能量守恒将子系统与系统进一步关联起来，使子系统集成为系统： 9 = q ( 2 1 3 ) i e = y e ( 2 1 4 ) _ _ a q = a q , ( 2 1 5 ) i 式中，旷流入系统热量，由燃料消耗量算得，k w h ( h ； 卜系统消耗电量，k w h h ： 9 一系统能量损失，k w h h 。 式( 2 1 3 ) 所建立的能量守恒模型中，油、气、水的损耗物流所带走的能量也算在 了能量损失a q 中。 通过以上的质量守恒与能量守恒关系，实现各子系统与子系统的串接，集成系统。 2 1 2 4 物流计算模型 利用节点分析法实现海上集输系统整体优化，各节点通过物流、能流串接，也就是 通过各节点的参数串接。为便于动态了解集输系统各环节节点参数，也便于各环节的串 接，可实现如图2 4 所示的节点物流计算功能，计算完毕，每个物流都可得到如表2 - 1 所示的参数，便于后续的各类模拟及分析计算。 第二章海上集输系统整体优化基奉思想 图2 - 4 物流计算流程 f i 9 2 - 4 t h ep r o c e s so fl o g i s t i c sc a l c u l a t i o n 表2 - 1 物流计算结果 t a b l e 2 - 1t h er e s u l t so f l o g i s t i c sc a l c u l a t i o n 标态油流量n 水质量流量 油焓值：i ：流量水表面张 物流名称 油密度k g m 3 n m 3 h r k g h rk j h力n m 标态水流量n水焓值，i c 流量溶解气油 流体类型 气油比 水密度k g m 3 n m 3 h r k j h 比 气体比热溶解气水 单元气体流量m 3 h r含水率 气体粘度c p k j k g c 比 标态气体密度油比热 压力k p a油流量m 3 h r油粘度c p k g n m 3 k j k g c 标态油密度水比热 温度水流量m 3 h r 水粘度c p k g n m 3 k j k g c 气体质量流量标态水密度 粘温特性 油水粘度c p 压缩因子 k g h rk g n m 3 标态气体流量油质量流量气体密度k g 气体焓值木流量油表面张力 n m 3 h rk g h r n m 3 k j hn m 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 2 优化决策平台的构建 对海上集输系统进行整体优化的前提是较为准确地仿真模拟海上集输系统的生产 运行情况，通过建立海上集输系统优化决策平台实现对海上集输系统生产运行情况的仿 真模拟，对整个海上集输系统优化起着至关重要的作用。整体架构和功能的划分是建立 优化决策平台的基础，必须能够全面、准确地反映研究对象的本质，因此，建立优化决 策平台的前提条件是准确地划分平台模块。 2 2 1 优化决策平台的基本构想 2 2 1 1 优化决策平台整体功能 为了适应海上油气集输系统运行参数优化决策工作的需要，整个优化决策平台分为 两大模块，即“海上油气集输系统分析评价模块 和“海上油气集输系统运行仿真模块”。 两个模块既相互独立，又互为补充，数据共享。其整体构建思想见图2 5 。 图2 - 5 海上油气集输系统优化决策平台 f i 9 2 - 5o p t i m i z a t i o na n dd e c i s i o n - m a l i n gp l a t f o r mo fo f f s h o r eg a t h e r i n gs y s t e m ( 1 ) 海上油气集输系统分析评价模块：属于油气集输系统的静态分析评价，重点 对已有系统的用能状况进行分析评价。需要录入系统、子系统、设备运行的状态变量。 该模块可以分层次对海上油气集输系统进行能量分析和用能评价，给出设备、子系统和 系统的能量消耗、能量损失等参数及用能流向，同时给出系统的能量分布和能耗分布， 第二章海上集输系统整体优化基本思想 画出系统、子系统和设备的能流图，为系统的节能降耗分析提供依据； ( 2 ) 海上油气集输系统运行仿真模块：属于油气集输系统的预测评价，重点对系 统进行能量分析及运行状况进行预测，其工艺和参数都具有“可加减性 ，因此，该模 块主要用于集输系统的设计与工艺优化。在该模块中，需要输入的数据主要是系统的入 口参数，如入口物料流量、压力、温度、基本组成，电力及燃料消耗量等，得到的是系 统稳定运行条件下的各种出口参数，包括系统、子系统和设备的出口参数。当然，利用 这些出口参数( 和已知的入口参数) 就可以借助“油气集输系统用能分析评价模块 进 行系统用能状况分析，从而为系统工艺与参数优化提供依据。 2 2 1 2 集输管网参数优化思路 通过优化决策平台实现采油系统与管网系统的关联，可辅助完成海上现有油气集输 管网的运行参数调优。 根据现有管网系统建立优化决策管网模型。以管网系统评价指标最优为目标函数， 以井口回压及终点温度等为约束条件，选定管网关键点参数，并进行关键点参数敏感性 分析，根据分析结果，给出多种敏感性最强的关键点参数方案，根据模拟计算及管网分 析指标数据，确定最优的管网运行参数。管网运行参数调优思路如图2