复杂管道顺序输送仿真软件的开发与应用

复杂管道顺序输送仿真软件的开发与应用

不同的尼油通过同一管道输送，这使得管道沿线的压力特性比单级管道更复杂。同时,沿线各分输站实施分输方案会对管道沿线的水力特性和泵站的工作特性产生影响,分输方案不合适可能导致管道实际运营中不能满足某些分输站的分输要求,有的分输方案组合甚至会导致管道系统无法正常运行。减压站的进站压力设置方案对整条管道安全和优化运营也很重要,设定值太高会造成能量浪费,设定值太低则可能导致减压站前端的某些高点处油品发生汽化和部分管段出现不满流。成品油管道优化运行软件成为管道操作运营的迫切需求。英国开发出的成品油管线顺序输送软件系统SCICLOPS,德国Pichler公司开发出的PACOS软件包和STONER公司开发的SPS都促进了管道的优化模拟。目前,国内还未开发出成型的、通用的成品油优化运行模拟软件。笔者在应用优化理论和对管道系统进行分析的基础上,建立管道的优化运行数学模型,用动态规划法进行求解,开发出通用性较强的管道顺序输送优化软件。1数学模型1.1第i水泵第1台泵对于成品油顺序输送过程,在给定沿线分输站的分输方案和减压站控制方案的管道系统中,满足泵站进、出站压力及管道特殊点压力约束,首站在一定时间段内尽量以平稳流量输送,保证在规定时间内完成输油计划等条件下,用能量平衡方程来描述管输系统,求解最佳的泵组合及尽可能小的节流量,使目标函数(全线总耗电费用)最小,从而达到成品油管道优化运行的目的。在全面考虑成品油管道系统特征的基础上,应用最优化理论建立了准稳态优化运行数学模型。研究对象是大落差、沿线多点进出,沿线各泵站内泵机组可串联和并联,泵站进出站压力的调节方式可采用调节阀节流或调速电机调节,泵站可能压力越站等多种复杂工艺过程的成品油管道。对设有m个加压泵站且第i泵站配置Ki台离心泵的成品油管道系统,其目标函数为minF=∫T0∑i=1m∑j=1KiLijSiρigQij(Aijn2n2r+BijQ7/4ij)×[3?600×103ηij(aijn2rn2Q2ij+bijnrnQij+cij)]−1dt,minF=∫0Τ∑i=1m∑j=1ΚiLijSiρigQij(Aijn2nr2+BijQij7/4)×[3?600×103ηij(aijnr2n2Qij2+bijnrnQij+cij)]-1dt,i=1,2,…,m;j=1,2,…,Ki.约束条件为pbp+ppp=pfp+pinl+pcut+php+pep,(1)p(cut−in)vv(cut-in)=p(CUT)vv(CUΤ),(2)p(spe)uu(spe)≤p(spe−max)uu(spe-max),(3)p(spe)uu(spe)≥p(spe−min)uu(spe-min),(4)p(out)ii(out)≤p(out−max)ii(out-max),(5)p(in)ii(in)≤p(in−max)ii(in-max),(6)p(in)ii(in)≥p(in−min)ii(in-min).(7)式中,F为所有泵站投入运行的泵机组总耗电费用,元;T为一个输送周期,s;ρi为通过第i泵站的油品密度,kg/m3;Qij为通过第i泵站第j台泵的油品流量,m3/s;aij,bij,cij均为第i泵站第j台泵的效率曲线的特性系数;Aij,Bij为第i泵站第j台泵的扬程曲线的特性系数;nr为泵机组的额定转速,r/min;n为调速泵机组调速后的转速,r/min;ηij为第i泵站第j台泵机组的综合效率(包括泵和电机的效率);g为重力加速度,m/s2;pbp,pep为管道起、终点压力,Pa;pfp为管道全线摩阻损失之和,Pa;pinl为各泵站、分输站和减压站等站内压力损失之和,Pa;pcut为泵站和减压站等节流损失之和,Pa;php为克服线路地形高差的压力损失,Pa;ppp为管道沿线各泵站提供的压能之和,Pa;Lij为第i泵站第j台泵的运行状态,1表示运行,0表示停运;Si为第i泵站的电价,元/(kW·h);下标u为特殊点序号;下标v为减压站序号;p(cut−in)vv(cut-in)为第v减压站的进站压力,Pa;p(CUT)vv(CUΤ)为第v减压站的进站设定压力,Pa;p(spe)uu(spe)为第u特殊点的压力,Pa;p(spe−min)uu(spe-min)为第u特殊点的设定最低压力,Pa;p(spe−max)uu(spe-max)为第u特殊点的设定最高压力,Pa;p(out)ii(out)为第i泵站的出站压力,Pa;p(out−max)ii(out-max)为第i泵站的设定最大出站压力,Pa;p(in)ii(in)为第i泵站进站压力,Pa;p(in−min)ii(in-min)为第i泵站的设定最小进站压力,Pa;p(in−max)ii(in-max)为第i泵站的设定最大进站压力,Pa。约束条件中的式(1)为能量瞬时平衡方程式,考虑在dt时间内管道系统的供能和耗能平衡;式(2)表示减压站采取进站压力控制,减压站上游站场通过节流、启停泵或调节电机转速来满足减压站的进站压力约束,此压力可以人工设定也可以由模型优化计算得到;式(3)为管线低点压力约束条件,通过该约束条件保证管线低点处的压力在管道的最大可操作压力范围内;式(4)为管线高点压力约束条件,以保证高点处的油品处于油品饱和蒸汽压力之上,使油品不发生汽化;式(5)为泵站最大出站压力约束,以确保站场下游管线和站场处在允许操作压力下;式(6),(7)分别为泵站最大、最小进站压力约束,以保证泵站进站端压力在允许操作压力之内。1.2系统模型及确定成品油顺序输送过程中,随着油品批次在管道中不断地运移,管道运行工况会不断变化,但考虑到一般管输的流速为1~2m/s,管道内各种油品比例的变化也是缓慢的,而管道的长度多为几百公里甚至更长,所以可以把整个输送过程考虑成由若干个准稳态过程构成。笔者将整个运行过程分成若干个时步,每个时步内按稳态过程处理,为了尽量保证管道和各泵站平稳运行,模型中设置了启、停泵的时间间隔阈值,即不会在一个小于阈值的时间间隔内为追求优化目的而进行启、停泵操作。求解管道沿线各泵站的优化配泵方案是一个多阶段决策的最优化问题,本文中采用动态规划理论求解。假设共有m个泵站,将整个配泵过程划分为m个阶段,第i-1站到第i站为第i阶段,该阶段的状态变量为第1泵站到第i-1泵站提供的有效扬程之和,决策变量为第i泵站提供的有效扬程,阶段效应为第i泵站的电力费用,指标函数为第1泵站到第i泵站的电力总费用,最优指标函数为指标函数取最小值。数学模型求解过程如图1所示。2输入和输出模块特点应用VisualC++6.0研制开发了STROBER软件。该软件涉及数学模型中的所有因素,由输入、输出、核心计算三大模块组成,计算模块包括控制流量和控制压力这两种控制方式下的优化运行过程,其算法比较成熟。输入和输出模块采用用户所熟悉的Excel表格、图形、对话框等多种形式进行交互,数据信息量大,直观明了,易于接受,可满足用户多种需求,便于用户输入、修改模拟过程所需的各种参数以及输出和分析运行结果。STROBER软件显示了油品输送的全线动态优化模拟过程,用户可以看到管道沿线的瞬时压力与流量曲线、地形曲线、分输显示、混油界面分布、各混油段的长度和体积等大量运行工况信息,反映了顺序输送过程的全貌,用户界面友好,操作简便。3系统运行难点兰—成—渝成品油管道沿线经过甘肃、陕西、四川、重庆,管道全长1251.0km,共有4个泵站,2个减压站和13个分输站,最大落差达2200多米,多处变径,兰州首站各泵机组并联运行并通过节流阀控制出站压力,其余泵站(临洮、成都和内江)泵机组串联运行,通过配备的调速电机来控制进出站压力,系统结构较为复杂。本文中对该管道2003年4月4日至2003年5月25日期间交替输送90#汽油和0#柴油的过程进行了优化运行研究,为调度控制人员提供了减压站进站压力设置方案和沿线各分输站的分输方案。3.1重新配泵方案模拟的时间为2003-04-04/19:30至2003-05-25/15:15,管线运行1200多小时,共重新配泵38次,最短时间间隔为121min,各泵站部分配泵方案如表1所示。3.2压力越站控制图2为成都分输泵站的压力、流量曲线。从图中可以看出,成都分输泵站进站为阶段定值控制压力,出站为阶段定值控制流量。图中还显示了该泵站可实现压力越站操作(如a-b段)和下游段停输操作(如c-d段)。该图也表明,在保证管道安全平稳运行的前提下,优化运行方案能够为管道提供更为经济合理的运行方案(如越站、调速电机调速等)。3.3方案制定和执行成品油管道在实施分输计划之前,必须制定出沿线各分输站合适的分输方案。STROBER软件可以对用户提供的分输站分输方案和减压站进站压力设置方案进行离线模拟,检验方案的合理性和可行性,对不合理的方案提出警告;同时用户可以根据优化运行结果和软件提供的模拟结果对方案进行修改,以保证实际分输方案切实可行。现场按照软件模拟给出的分输方案进行了分输操作,结果表明该软件提供的分输方案是可行的。表2为人机交互制定出的简阳分输站分输方案,图3为人机交互制定出的成县减压站的进站压力设置方案。从图中可以看出,减压站采取阶梯状进站压力控制,这样既可以保证管线和站场运行平稳及系统以最小的能量翻越高点,又可以确保其前方高点处油品处于饱和蒸汽压之上,从而使管道安全优化运行。3.4分输方案连续时间函数管道运行中的分输过程、不同时刻和不同位置的流量以及输送油品的种类都可在油品运移图(图4)上集中反映,该图的优点是直观明了,便于指导生产。图中的斜线描述各混油界面的移动轨迹,其斜率为界面移动速率,图中的短线段示意了与短线段平行的分输站分输油品的过程。从图中可以看出,各分输站进行分输操作时都避开了混油段,分输计划基本满足设计时提出的“沿线分输总量变化幅度要小,各分输站要顺序启、停操作”的原则。该图是管道优化运行和油品分输过程的体现。它充分说明了顺序输送管道的特殊性,也说明了顺序输送管道优化运行方案是一个连续的时间函数。这与原油管道的优化运行有很大差别。4优化运行模拟(1)