热油管道运行优化技术研究综述

热油管道运行优化技术研究综述

1开发国内油气资源,加快输油管道建设热油管道的运行优化是在已知的管道系统结构配置、工艺配置和外部自然条件的基础上，利用适当的优化计算分析方法，合理确定系统中的可变参数，在许多输油方案中找到最经济的方案，以实现最小的能源消耗、最小的成本和安全运行的目标。进入新世纪以来,我国国民经济持续快速发展,能源需求迅速增长,石油消费跃居世界第二位。在这种形势下,应大力开发国内油气田资源,同时加快输油管道工程的建设步伐,以满足国内的能源需求。到2007年底,我国原油管道的总长度达1.7×104km,约占国内已建油气管道干线总长的30%。国产原油多为含蜡原油,凝点和粘度都很高,必须采用加热输送方式。鉴于大部分管道所处地形等自然条件复杂,节流损失和加热能耗巨大,国内石油资源有限且日渐枯竭等情况,加强热油管道优化技术研究,从根本上改善加热管输工艺,降低能耗,保证使热油管道在最优化状态下运行,具有重要的现实意义。2历史研究2.1采用隐装置来确定出站压力和优化运行成本早在20世纪60年代,发达国家就已经开始了油气管道系统最优化的理论研究和应用工作。GoslliGJ等人采用动态规划和线性优化技术的EMM模型及遗传算法对油气管道(网)进行了优化运行研究。JeffersonJJ将动态规划法用于等温密闭输油管道的站间压力分配,提出了利用隐枚举法确定站内最优泵组合。1980年,GropalVN提出了使用动态规划对出站压力进行优化的方法。SeiregA等人概括和总结了几种热油管道优化方法。鉴于热油管道尤其是复杂管网系统运行中一些随机变量易导致优化结果的不确定性,2002年加拿大学者TravisE.Stripling等人应用OD-POM优化算法解决复杂管网系统中多目标优化模糊变量的问题,具有一定的前瞻性。美国科学软件公司研发的气体管道仿真软件TGNET和英国ESI公司开发的液体管道非稳态工况模拟软件TLNET,在实际热油管道非稳态分析及优化运行降低运行成本方面取得了较好效果。2003年,美国学者JosephF.P等人提出内外两层循环的算法,用以解决含有随机信息的优化问题。2004年,在加拿大国际管道会议上,BotrosKK等人发表了采用遗传算法对输气管网的多目标优化问题的研究成果,给出了目标函数和约束条件。2.2单泵耦合逐站计算方案的提出和应用研究我国对热油管道优化运行的研究虽然起步较晚,但发展很快,20世纪80年代初,中国石油大学油气储运学科率先在国内开展热油管道优化运行的研究,并于1985年首次提出热油管道稳态优化运行,建立了单根热油管道稳态优化运行的两级递阶模型及其配套算法。2001年,姜海斌等人对比了主泵调速、恒速和间歇三种运行方式对库鄯输油管道节能效果的影响,考虑到管路摩阻随季节的变化情况,论证了不同季节调整输油计划的合理性,确定了库鄯输油管道的最佳运行方式。从实际运行情况来看,首站主泵调速后,中间各站的开泵导致较大的节流损失,同时几种运行方式的不断切换还造成系统运行状态的不稳定。2002年,支激扬等人针对因东黄复线进口原油数量和原油抵岸日期输油量变化大导致黄岛首站输油泵与管道运行计划不匹配的问题,对黄岛油库外输泵实施合理匹配,并对泵匹配前后的运行参数和经济效益进行了对比分析。结果发现,节流损失虽然有所减少,但仅从不同型号泵的搭配组合上优化管道运行,可能造成个别泵在低效率区工作,存在一定的安全隐患。徐严波等人针对多泵站热油管道优化运行数学模型中,既含有连续变量,又含有离散变量的情况,提出了用MDCP法(混合离散变量组合形法)求解输油管道优化运行的数学模型,弥补了单一算法存在的不足,从算法上改进了优化计算模型,计算效果较好。但在给定目标函数的约束条件时,没有引入单泵泵效约束条件,使得计算的优化泵组合方案中有些单泵在低效率区工作,造成泵的机械设备损耗过大。2003年,孟振虎等人[19,20,21,22,23,24]考虑了管壁结蜡与主要约束条件值变化对输油管道优化运行的影响,提出了结蜡危险区的概念,分析了管道承压能力与出站节流损失的关系。此后又根据实际输油工艺,以进站油温为变量,建立了泵管耦合逐站计算优化分析模型,以及给定输量和稳态条件下长距离密闭输送原油管道运行优化的目标函数、约束条件和越站条件,引入了进泵原油粘性对泵性能的影响,提出了泵性能粘液影响修正系数动态查取,以及粘液性能曲线自动换算求解方法,应用非线性规划方法,实施了全线运行方案优化分析,探讨了管壁结蜡与主要约束条件值变化对运行优化的影响,研究了热经济性动态评价方法。孙青峰等人建立了庆铁线双管系统稳态优化运行的两级递阶模型,并提出了配套算法。2000年,中国石油大学与中国石油管道分公司合作开发了HOPOPTA(适用于单根管道的通用软件)与QTOPT(适用于庆铁线双管系统的专用软件包),实际应用之后,管道能耗降低了6%~12%,但未见调速技术在泵站的应用报道,节流损失造成的能耗依然很大,管道仍有技术改造的余地。高松竹等人介绍了一种由模拟退火算法和遗传算法结合而成的混合遗传算法,并根据实例对其在输油管道优化运行中的应用进行研究,结果表明,混合遗传算法具有快速搜索、易收敛和鲁棒性强的特点,计算得到的动力费用比动态规划法减少3.58%。该算法采用了智能算法,具有一定的先进性。2005年,代小华等人介绍了宏观模型在管网优化运行中的应用,分析了不同宏观模型的特点与适用条件以及各种模型自身存在的缺陷,阐述了不同类型的宏观模型在管网中的具体应用条件,提出了宏观模型在管网运用中亟待解决的问题,并提出其具体应用仍需在实践中检验。2006年,马二龙等人对阿赛输油管道来油不均衡性所造成输油成本增加的问题进行了研究,考虑了输送方式和设备规格,并对相关物性参数进行了理论计算,确定了最优输送方案,但未见泵调速技术的应用实例。2007年,郭景洲等人对东辛输油管道进行了稳态优化运行分析,以室内模拟和现场运行参数为依据,在不改变运行条件并保证原油外输任务的前提下,选用PIPEPHASE软件对工艺管道进行计算模拟分析,将试验理论和数值模拟与实际运行工况相结合,通过对比分析确定经济运行方案,具有一定的现实意义。为降低节流损失和管输费用,达到节能降耗的目的,辽河油田油气集输公司在输油泵机组先后推广应用了高压内反馈串级调速技术、高压变频调速技术和中低压变频调速技术,实现了不同输量工况与输油泵转速的最佳匹配,取得了节电率超过30%的良好效果;吴长春等人对秦京线的稳态运行优化工况进行了分析,认为在不同流量下,由于中间站的泵配置不合理,该管道目前的泵组合及其与管路的匹配均未达到理想状态,因此提出了更换中间站泵配置的可行性建议,在迁安站和宝抵站各设一台调速。2006年,张文清针对鲁宁输油管道泵出口阀门前后压差较大的问题,提出应用高压变频调速系统,实际应用效果较好。秦京管道混输冀东原油后,秦皇岛—迁安管段输量下降了16%,造成输油泵与运行工况不匹配,节流损失大,能源浪费严重,李东风等人通过采取不同泵组合和叶轮切削等措施,制定了最优化运行方案。2008年,曹义忠等人阐述了泵和节流阀的匹配性关系,分析了节流阀的性能匹配对泵调速范围的影响,以减少节流损失。另外,关于泵站优化运行和优化算法的研究不断深入。崔艳雨等人提出的开泵方案二阶段优化方法,应用于兰成渝成品油管道运行管理系统软件,在管道的实际运行管理中发挥了重要作用。马峥等人利用改进的神经元网络构建了泵站流量和效率预测模型,并利用了改进的遗传算法构建了泵站优化模型,为实现泵站的经济运行提供了一种有效途径。何根木等人对泵站优化算法提出了新的看法。李苏泷等人对水泵变频调速方案做了辅助论证,认为应用调速技术可以实现热油管道运行优化,提高节能效率,研究结果为输油泵站串联调速计算研究提供了参考;该文献提出,随着管道输油技术的复杂化和变频调速设备性价比的提高,下一步将围绕应用变频调速设备减少节流损失,提高剩余压能利用率开展研究工作。2.3软件的应用分析热油管道运行优化的研究成果主要集中在以下几方面。(1)建立了单管和双管系统稳态优化运行的两级递阶模型,并提出了配套算法。(2)开发了热油管道稳态运行优化通用软件(HOPOPT)、庆铁线双管系统稳态优化运行专用软件QTOPT和单根管道通用软件(HOPOPTA),并利用软件分析了铁秦线、铁大线及庆铁线在典型条件下的运行优化方案,发现了热油管道优化运行的基本规律,优化运行方案费用同比降低了6%~12%。(3)以混合离散变量组合形法(MDCP)解决了热油管输系统中既有连续变量又有离散变量的问题。(4)在热油管道动力费用计算方面,研究认为,由模拟退火算法和遗传算法组合的混合遗传算法优于动态规划法。(5)讨论了宏观模型在管网中的具体应用条件,提出了在管网运用中亟待解决的问题。(6)在变频调速设备研制以及热油管道泵站调速与泵站组合节能方面取得了研究成果。3热油管道运行优化存在的问题目前,关于热油管道优化运行技术的研究方法及内容主要存在以下问题。(1)热油管道系统运行优化的相关关系式均基于稳态工况推导而来,一般情况下,稳态工况符合正常运行条件下的输送过程,但当管道出现各种非正常工况时,优化计算结果与实际情况相差较大。(2)在运行优化技术研究中,为计算简便,会不可避免地忽略次要影响因素,然而却增大了计算结果误差。(3)对优化算法的研究不够深入,有些算法是否存在热油管道运行优化的最优解,有待研究确认。(4)目前在役输油管道大多未配置泵调速设备,造成泵压与管压之差产生的剩余压头的浪费或以节流方式消耗在阀门上,为尽可能回收这部分能量,有待于对相关理论计算方法和实践进行研究。综上所述,热油管道优化运行技术应从