淺談?shì)斢凸艿肋\(yùn)行中的能耗與控制

淺談?shì)斢凸艿肋\(yùn)行中的能耗與控制

1管道最佳工作壓力與管道投資的關(guān)系工作壓力是設(shè)計(jì)輸油管道的重要參數(shù)。由于工作壓力的大小，直接決定了輸油泵站的數(shù)量和主要部件的數(shù)量。主儲(chǔ)液泵站的數(shù)量和管道的用量對(duì)天然氣管道的建設(shè)、投資和管道管理產(chǎn)生了重大影響。所以，在管道建設(shè)中，工作壓力一直是倍受關(guān)注的問(wèn)題。我國(guó)早期建設(shè)的輸油管道的工作壓力一般在4MPa，近年來(lái)新建設(shè)的管道的工作壓力達(dá)到6.2MPa。多年來(lái)，一直有種認(rèn)識(shí)，把高壓力、大站距作為輸油管道向高水平發(fā)展的一種重要指標(biāo)．多么大的工作壓力最為合理，這是個(gè)需要研究的問(wèn)題。提高工作壓力首先必須具有一定的技術(shù)條件，就是泵站輸油泵機(jī)組要具有輸送壓力高和功率大，泵站和管道的管件與管材能承受高的工作壓力。在具備提高工作壓力技術(shù)條件的前提下，提高工作壓力能減少泵站數(shù)量，同時(shí)卻增加了管材用量，在經(jīng)濟(jì)上有制約因素．可見(jiàn)其中存在一個(gè)使管道建設(shè)投資最低的工作壓力。工作壓力的大小對(duì)管道輸送的動(dòng)力消耗并無(wú)影響，因此，使管道建設(shè)總投資最低的工作壓力，就是在該條件下的最佳工作壓力。當(dāng)然，在管道通過(guò)自然條件比較惡劣的地帶．為了免除及泵站管理的困難．盡可能提高工作壓力，加大站距，減少泵站數(shù)量，這是一種特殊情況，不屬本文討論范圍。設(shè)計(jì)輸油管道時(shí)，以不同工作壓力．制訂幾套管道總體方案，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，從中優(yōu)選最經(jīng)濟(jì)的工作壓力。但這種做法工作量較大，理想的辦法是從數(shù)理上找出最經(jīng)濟(jì)，亦即最佳的管道工作壓力與各種有關(guān)因素的關(guān)系，比較簡(jiǎn)便地確定最佳工作壓力。管道建設(shè)總投資由許多項(xiàng)目構(gòu)成，其中隨工作壓力大小而變化的項(xiàng)目，主要為中間泵站與干線管道管材用量．其它各種配套項(xiàng)目，如道路、通信及生活設(shè)施等基本不受工作壓力大小的影響，可不作為有關(guān)因素考慮：式中:F——與工作壓力大小有關(guān)的總投資;A——中間泵站造價(jià);干線管道按變壁厚考慮，每個(gè)站間管道采用三種壁厚。從泵站開始的兩種變壁管段長(zhǎng)度取為l,站間其余長(zhǎng)度為第三種壁厚ld，管道的高程差為△Z，假定管道線路縱向具有均勻坡度。干線管道管材用量可按下式表示：式中：δ1、δ2、δ3——站間管道的三種變壁厚度；δ4——越點(diǎn)后管道壁厚；l——靠近泵站出口的兩種變壁厚管段長(zhǎng)度；l3——站間管道其余(第三種)壁厚管段長(zhǎng)度；L、PL——管道全長(zhǎng)及計(jì)算長(zhǎng)度D——管道直徑；n——泵站數(shù)；γ——管材密度。根據(jù)管道壓力狀況及壁厚計(jì)算公式，可知以下關(guān)系：式中ρ——所輸介質(zhì)密度;i——水力坡降；σ——鋼材許用應(yīng)力。將式(3)～(8)代入式(2)，得：式中C、E與G分別代表式中相應(yīng)的系數(shù)項(xiàng)。將上式代入式(1)得：當(dāng)工作壓力P變化時(shí)，有兩個(gè)互相制約的因素影響著總投資F．因此可以利用取導(dǎo)數(shù)求最小F值對(duì)應(yīng)的P值。2優(yōu)化計(jì)算熱量和能源成本2.1合型算法的基本原理MDCP(混合離散變量組合型優(yōu)化方法)是以復(fù)合型思想為主題，具有離散搜索策略，備有多種功能，是一種有效的求解非線性離散變量問(wèn)題的組合型算法?？梢愿鶕?jù)所求解問(wèn)題的規(guī)模、目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)的性態(tài)和復(fù)雜程度，在運(yùn)算過(guò)程中對(duì)所輸出的信息進(jìn)行人工干預(yù)、或改變計(jì)算策略，把程序的機(jī)械運(yùn)行和使用者的智慧融合在一起，更能有效靈活的解決離散變量約束非線性參數(shù)尋優(yōu)問(wèn)題。至于該方法的原理、輔助功能、計(jì)算流程圖等詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)，在此不在累述。應(yīng)用這種方法我們只需任意給出一組滿足約束條件的出站溫度的初始值，應(yīng)用程序便能自動(dòng)的搜索出最優(yōu)的進(jìn)出站的輸油溫度。3數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建3.1計(jì)算的熱量3.1.1變化區(qū)域的劃分密度計(jì)算：粘度計(jì)算：熱容計(jì)算：熱容隨溫度變化分為三個(gè)區(qū)。當(dāng)溫度高于析蠟溫度時(shí)：當(dāng)油品溫度低于析蠟溫度，高于達(dá)到熱容最大值的溫度時(shí)：當(dāng)油品溫度低于熱容最大值的溫度時(shí)：3.1.2通過(guò)迭代法求溫降實(shí)際上油流在沿管道向前流動(dòng)的過(guò)程中，隨著輸油溫度不斷變化時(shí)，原油物性參數(shù)是溫度t的函數(shù)，所以物性參數(shù)也不斷變化，反過(guò)來(lái)物性參數(shù)變化又影響了溫降，所以計(jì)算溫度時(shí)應(yīng)將物性參數(shù)看成變量，選用迭代法，直至滿足精度要求為止。設(shè)管道周圍的介質(zhì)溫度為t0,dl微元段上油溫為t，管道輸量為Q，水力坡降為I，流經(jīng)dl微元段后散熱油產(chǎn)生的溫降為dt。在穩(wěn)定工況下，dl微元管段上的能量平衡式如下：上式考慮了摩擦生熱的溫降公式。不考慮摩擦生熱的蘇霍夫溫降公式：在此討論它是很有必要的，因?yàn)橐婚_始我們還不具備按考慮摩擦生熱公式來(lái)求溫降的條件，只有先按蘇霍夫公式求出該小段的末端溫度后，再求出該小段的物性參數(shù)的平均值和水力坡降，再按考慮摩擦生熱公式來(lái)求溫降，進(jìn)行迭代計(jì)算。計(jì)算中凡是要用到平均溫度的地方均可按“長(zhǎng)輸管道設(shè)計(jì)規(guī)范”中建議取值：3.1.3計(jì)算熱量成本的成本主要根據(jù)能量守恒，加熱站提供的熱量等于管線向外散發(fā)的熱量，所以得出每公里輸每噸油的熱力費(fèi)用計(jì)算公式如下：3.2動(dòng)態(tài)計(jì)算3.2.1計(jì)算公式的確定在進(jìn)行計(jì)算之前對(duì)雷諾數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)算很重要，根據(jù)它我們可以判斷流體的流態(tài)，不同的流態(tài)采用不同的計(jì)算公式。在牛頓流體段內(nèi)，根據(jù)列宗賓的微元公式：在非牛頓流體段內(nèi)：(1）紊流時(shí)，根據(jù)達(dá)西公式：(2）層流量，微元段dl上的壓力平衡式為水力損失：微元段上的水力坡降為該段的水力摩阻與該段管長(zhǎng)的比值，水力摩阻已求出，繼而可以求出水力坡降。3.2.2數(shù)學(xué)模型的建立根據(jù)：N泵=ρgQH每輸1噸油每公里消耗的電量為：每輸1噸油每公里消耗的電力費(fèi)用為：目標(biāo)函數(shù)為：根據(jù)參考文獻(xiàn)和已推出的目標(biāo)函數(shù)可以得出數(shù)學(xué)模型為：根據(jù)已建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行迭代,先保持一個(gè)變量不變，對(duì)另一個(gè)優(yōu)化（把二維問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一維問(wèn)題），然后交替固定，一直至得到最優(yōu)解為止。4系統(tǒng)壓力和運(yùn)行費(fèi)用將增泵站的建設(shè)投資及管材價(jià)格的比值(A/B)與Pb有直接關(guān)系，而且它們的費(fèi)用比值也有較大變化，隨著管道自動(dòng)化程度的提高．輸油機(jī)組功率的增大，泵站建設(shè)投資將趨增大，這將促使最佳工作壓力值的進(jìn)一步加大。同時(shí)，通過(guò)對(duì)運(yùn)行費(fèi)用的優(yōu)化，使管道得噸公里運(yùn)行費(fèi)用逼近最優(yōu)值。從而對(duì)長(zhǎng)距離輸油管道的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)起到指導(dǎo)作用。[1r火炬氣回用ρ20——原油在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度(3/mkg);m、n——取決于油品化學(xué)組成的常數(shù)(1/℃);A、B——取決于油品化學(xué)組成的常數(shù)(kJ/(kg°?C));D——流通直徑(m)；t0——管道周圍的介質(zhì)溫度(℃);μ——?jiǎng)恿φ扯?Pa·s)sr——熱力費(fèi)用(元/(t·km));ey——電價(jià)(元/度);Q——管道散發(fā)的熱量(kJ/kg);Hexi——第i個(gè)泵站的出站壓力(m)；Hdmax——管線所承受的最大壓頭(m);txi——第i加熱站的進(jìn)站油溫(℃);[Rmin]——加熱爐熱負(fù)荷的下限(kJ/kg);ρ——原油在T℃時(shí)的密度;(kg/m3);c——溫度T℃時(shí)的熱容(kJ/(kg/℃));i——水力坡降（m/m）;K——原油稠度(N·Sn/m2);tl——l長(zhǎng)度的起點(diǎn)溫度(℃);γ——運(yùn)動(dòng)黏度(m2/s);sp——?jiǎng)恿M(fèi)用(元/(t·km));ηe電動(dòng)機(jī)效率；Hr燃油的燃料值（KJ/Kg）;Htotal泵站所提供的總揚(yáng)程(m);tri第i個(gè)加熱站的出站油溫(℃);[Rmax]加熱爐熱負(fù)荷上限(kJ/kg)；P、p——管道總壓力與工作壓力;W——干線管道管材用量;B——管材價(jià)格。得最佳工作壓力:ξ1——溫度修正系數(shù);ρ154——溫度為15℃時(shí)油品的相對(duì)密度;Q——管道輸量(m3/s);tz——l長(zhǎng)度的終點(diǎn)溫度(℃);L——輸油管線的全長(zhǎng)(km);λ——水力摩阻系數(shù);N泵——泵功率(W);N電——電功率(w);s一總費(fèi)甩(元/(t·km));η泵——泵效率;H——泵提供的揚(yáng)程(m);[trmax]——站油溫的上限(℃);Gmin允許的最小輸量量(kg/s)。Qri——第i個(gè)加熱站的實(shí)際加熱量(kJ/kg);Gmax——允許的最大輸量(k