淺談輸油管道運行中的能耗與控制

淺談輸油管道運行中的能耗與控制

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。主儲液泵站的數(shù)量和管道的用量對天然氣管道的建設(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)注的問題。我國早期建設(shè)的輸油管道的工作壓力一般在4MPa，近年來新建設(shè)的管道的工作壓力達到6.2MPa。多年來，一直有種認識，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．多么大的工作壓力最為合理，這是個需要研究的問題。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，同時卻增加了管材用量，在經(jīng)濟上有制約因素．可見其中存在一個使管道建設(shè)投資最低的工作壓力。工作壓力的大小對管道輸送的動力消耗并無影響，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。當然，在管道通過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)計輸油管道時，以不同工作壓力．制訂幾套管道總體方案，進行經(jīng)濟比較，從中優(yōu)選最經(jīng)濟的工作壓力。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，亦即最佳的管道工作壓力與各種有關(guān)因素的關(guān)系，比較簡便地確定最佳工作壓力。管道建設(shè)總投資由許多項目構(gòu)成，其中隨工作壓力大小而變化的項目，主要為中間泵站與干線管道管材用量．其它各種配套項目，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;干線管道按變壁厚考慮，每個站間管道采用三種壁厚。從泵站開始的兩種變壁管段長度取為l,站間其余長度為第三種壁厚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——越點后管道壁厚；l——靠近泵站出口的兩種變壁厚管段長度；l3——站間管道其余(第三種)壁厚管段長度；L、PL——管道全長及計算長度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。將上式代入式(1)得：當工作壓力P變化時，有兩個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值對應(yīng)的P值。2優(yōu)化計算熱量和能源成本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題的組合型算法?？梢愿鶕?jù)所求解問題的規(guī)模、目標函數(shù)和約束函數(shù)的性態(tài)和復(fù)雜程度，在運算過程中對所輸出的信息進行人工干預(yù)、或改變計算策略，把程序的機械運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)問題。至于該方法的原理、輔助功能、計算流程圖等詳見參考文獻，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)用程序便能自動的搜索出最優(yōu)的進出站的輸油溫度。3數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建3.1計算的熱量3.1.1變化區(qū)域的劃分密度計算：粘度計算：熱容計算：熱容隨溫度變化分為三個區(qū)。當溫度高于析蠟溫度時：當油品溫度低于析蠟溫度，高于達到熱容最大值的溫度時：當油品溫度低于熱容最大值的溫度時：3.1.2通過迭代法求溫降實際上油流在沿管道向前流動的過程中，隨著輸油溫度不斷變化時，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，反過來物性參數(shù)變化又影響了溫降，所以計算溫度時應(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，因為一開始我們還不具備按考慮摩擦生熱公式來求溫降的條件，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求溫降，進行迭代計算。計算中凡是要用到平均溫度的地方均可按“長輸管道設(shè)計規(guī)范”中建議取值：3.1.3計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用計算公式如下：3.2動態(tài)計算3.2.1計算公式的確定在進行計算之前對雷諾數(shù)的準確計算很重要，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，根據(jù)達西公式：(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用為：目標函數(shù)為：根據(jù)參考文獻和已推出的目標函數(shù)可以得出數(shù)學(xué)模型為：根據(jù)已建立的數(shù)學(xué)模型進行迭代,先保持一個變量不變，對另一個優(yōu)化（把二維問題轉(zhuǎn)化為一維問題），然后交替固定，一直至得到最優(yōu)解為止。4系統(tǒng)壓力和運行費用將增泵站的建設(shè)投資及管材價格的比值(A/B)與Pb有直接關(guān)系，而且它們的費用比值也有較大變化，隨著管道自動化程度的提高．輸油機組功率的增大，泵站建設(shè)投資將趨增大，這將促使最佳工作壓力值的進一步加大。同時，通過對運行費用的優(yōu)化，使管道得噸公里運行費用逼近最優(yōu)值。從而對長距離輸油管道的設(shè)計和生產(chǎn)運營起到指導(dǎo)作用。[1r火炬氣回用ρ20——原油在標準狀態(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——動力粘度(Pa·s)sr——熱力費用(元/(t·km));ey——電價(元/度);Q——管道散發(fā)的熱量(kJ/kg);Hexi——第i個泵站的出站壓力(m)；Hdmax——管線所承受的最大壓頭(m);txi——第i加熱站的進站油溫(℃);[Rmin]——加熱爐熱負荷的下限(kJ/kg);ρ——原油在T℃時的密度;(kg/m3);c——溫度T℃時的熱容(kJ/(kg/℃));i——水力坡降（m/m）;K——原油稠度(N·Sn/m2);tl——l長度的起點溫度(℃);γ——運動黏度(m2/s);sp——動力費用(元/(t·km));ηe電動機效率；Hr燃油的燃料值（KJ/Kg）;Htotal泵站所提供的總揚程(m);tri第i個加熱站的出站油溫(℃);[Rmax]加熱爐熱負荷上限(kJ/kg)；P、p——管道總壓力與工作壓力;W——干線管道管材用量;B——管材價格。得最佳工作壓力:ξ1——溫度修正系數(shù);ρ154——溫度為15℃時油品的相對密度;Q——管道輸量(m3/s);tz——l長度的終點溫度(℃);L——輸油管線的全長(km);λ——水力摩阻系數(shù);N泵——泵功率(W);N電——電功率(w);s一總費甩(元/(t·km));η泵——泵效率;H——泵提供的揚程(m);[trmax]——站油溫的上限(℃);Gmin允許的最小輸量量(kg/s)。Qri——第i個加熱站的實際加熱量(kJ/kg);Gmax——允許的最大輸量(k