浅谈输油管道运行中的能耗与控制

浅谈输油管道运行中的能耗与控制

1管道最佳工作压力与管道投资的关系工作压力是设计输油管道的重要参数。由于工作压力的大小，直接决定了输油泵站的数量和主要部件的数量。主储液泵站的数量和管道的用量对天然气管道的建设、投资和管道管理产生了重大影响。所以，在管道建设中，工作压力一直是倍受关注的问题。我国早期建设的输油管道的工作压力一般在4MPa，近年来新建设的管道的工作压力达到6.2MPa。多年来，一直有种认识，把高压力、大站距作为输油管道向高水平发展的一种重要指标．多么大的工作压力最为合理，这是个需要研究的问题。提高工作压力首先必须具有一定的技术条件，就是泵站输油泵机组要具有输送压力高和功率大，泵站和管道的管件与管材能承受高的工作压力。在具备提高工作压力技术条件的前提下，提高工作压力能减少泵站数量，同时却增加了管材用量，在经济上有制约因素．可见其中存在一个使管道建设投资最低的工作压力。工作压力的大小对管道输送的动力消耗并无影响，因此，使管道建设总投资最低的工作压力，就是在该条件下的最佳工作压力。当然，在管道通过自然条件比较恶劣的地带．为了免除及泵站管理的困难．尽可能提高工作压力，加大站距，减少泵站数量，这是一种特殊情况，不属本文讨论范围。设计输油管道时，以不同工作压力．制订几套管道总体方案，进行经济比较，从中优选最经济的工作压力。但这种做法工作量较大，理想的办法是从数理上找出最经济，亦即最佳的管道工作压力与各种有关因素的关系，比较简便地确定最佳工作压力。管道建设总投资由许多项目构成，其中随工作压力大小而变化的项目，主要为中间泵站与干线管道管材用量．其它各种配套项目，如道路、通信及生活设施等基本不受工作压力大小的影响，可不作为有关因素考虑：式中:F——与工作压力大小有关的总投资;A——中间泵站造价;干线管道按变壁厚考虑，每个站间管道采用三种壁厚。从泵站开始的两种变壁管段长度取为l,站间其余长度为第三种壁厚ld，管道的高程差为△Z，假定管道线路纵向具有均匀坡度。干线管道管材用量可按下式表示：式中：δ1、δ2、δ3——站间管道的三种变壁厚度；δ4——越点后管道壁厚；l——靠近泵站出口的两种变壁厚管段长度；l3——站间管道其余(第三种)壁厚管段长度；L、PL——管道全长及计算长度D——管道直径；n——泵站数；γ——管材密度。根据管道压力状况及壁厚计算公式，可知以下关系：式中ρ——所输介质密度;i——水力坡降；σ——钢材许用应力。将式(3)～(8)代入式(2)，得：式中C、E与G分别代表式中相应的系数项。将上式代入式(1)得：当工作压力P变化时，有两个互相制约的因素影响着总投资F．因此可以利用取导数求最小F值对应的P值。2优化计算热量和能源成本2.1合型算法的基本原理MDCP(混合离散变量组合型优化方法)是以复合型思想为主题，具有离散搜索策略，备有多种功能，是一种有效的求解非线性离散变量问题的组合型算法。可以根据所求解问题的规模、目标函数和约束函数的性态和复杂程度，在运算过程中对所输出的信息进行人工干预、或改变计算策略，把程序的机械运行和使用者的智慧融合在一起，更能有效灵活的解决离散变量约束非线性参数寻优问题。至于该方法的原理、辅助功能、计算流程图等详见参考文献，在此不在累述。应用这种方法我们只需任意给出一组满足约束条件的出站温度的初始值，应用程序便能自动的搜索出最优的进出站的输油温度。3数学模型的构建3.1计算的热量3.1.1变化区域的划分密度计算：粘度计算：热容计算：热容随温度变化分为三个区。当温度高于析蜡温度时：当油品温度低于析蜡温度，高于达到热容最大值的温度时：当油品温度低于热容最大值的温度时：3.1.2通过迭代法求温降实际上油流在沿管道向前流动的过程中，随着输油温度不断变化时，原油物性参数是温度t的函数，所以物性参数也不断变化，反过来物性参数变化又影响了温降，所以计算温度时应将物性参数看成变量，选用迭代法，直至满足精度要求为止。设管道周围的介质温度为t0,dl微元段上油温为t，管道输量为Q，水力坡降为I，流经dl微元段后散热油产生的温降为dt。在稳定工况下，dl微元管段上的能量平衡式如下：上式考虑了摩擦生热的温降公式。不考虑摩擦生热的苏霍夫温降公式：在此讨论它是很有必要的，因为一开始我们还不具备按考虑摩擦生热公式来求温降的条件，只有先按苏霍夫公式求出该小段的末端温度后，再求出该小段的物性参数的平均值和水力坡降，再按考虑摩擦生热公式来求温降，进行迭代计算。计算中凡是要用到平均温度的地方均可按“长输管道设计规范”中建议取值：3.1.3计算热量成本的成本主要根据能量守恒，加热站提供的热量等于管线向外散发的热量，所以得出每公里输每吨油的热力费用计算公式如下：3.2动态计算3.2.1计算公式的确定在进行计算之前对雷诺数的准确计算很重要，根据它我们可以判断流体的流态，不同的流态采用不同的计算公式。在牛顿流体段内，根据列宗宾的微元公式：在非牛顿流体段内：(1）紊流时，根据达西公式：(2）层流量，微元段dl上的压力平衡式为水力损失：微元段上的水力坡降为该段的水力摩阻与该段管长的比值，水力摩阻已求出，继而可以求出水力坡降。3.2.2数学模型的建立根据：N泵=ρgQH每输1吨油每公里消耗的电量为：每输1吨油每公里消耗的电力费用为：目标函数为：根据参考文献和已推出的目标函数可以得出数学模型为：根据已建立的数学模型进行迭代,先保持一个变量不变，对另一个优化（把二维问题转化为一维问题），然后交替固定，一直至得到最优解为止。4系统压力和运行费用将增泵站的建设投资及管材价格的比值(A/B)与Pb有直接关系，而且它们的费用比值也有较大变化，随着管道自动化程度的提高．输油机组功率的增大，泵站建设投资将趋增大，这将促使最佳工作压力值的进一步加大。同时，通过对运行费用的优化，使管道得吨公里运行费用逼近最优值。从而对长距离输油管道的设计和生产运营起到指导作用。[1r火炬气回用ρ20——原油在标准状态下的密度(3/mkg);m、n——取决于油品化学组成的常数(1/℃);A、B——取决于油品化学组成的常数(kJ/(kg°⋅C));D——流通直径(m)；t0——管道周围的介质温度(℃);µ——动力粘度(Pa·s)sr——热力费用(元/(t·km));ey——电价(元/度);Q——管道散发的热量(kJ/kg);Hexi——第i个泵站的出站压力(m)；Hdmax——管线所承受的最大压头(m);txi——第i加热站的进站油温(℃);[Rmin]——加热炉热负荷的下限(kJ/kg);ρ——原油在T℃时的密度;(kg/m3);c——温度T℃时的热容(kJ/(kg/℃));i——水力坡降（m/m）;K——原油稠度(N·Sn/m2);tl——l长度的起点温度(℃);γ——运动黏度(m2/s);sp——动力费用(元/(t·km));ηe电动机效率；Hr燃油的燃料值（KJ/Kg）;Htotal泵站所提供的总扬程(m);tri第i个加热站的出站油温(℃);[Rmax]加热炉热负荷上限(kJ/kg)；P、p——管道总压力与工作压力;W——干线管道管材用量;B——管材价格。得最佳工作压力:ξ1——温度修正系数;ρ154——温度为15℃时油品的相对密度;Q——管道输量(m3/s);tz——l长度的终点温度(℃);L——输油管线的全长(km);λ——水力摩阻系数;N泵——泵功率(W);N电——电功率(w);s一总费甩(元/(t·km));η泵——泵效率;H——泵提供的扬程(m);[trmax]——站油温的上限(℃);Gmin允许的最小输量量(kg/s)。Qri——第i个加热站的实际加热量(kJ/kg);Gmax——允许的最大输量(k