熱油管道運行優(yōu)化技術研究綜述

熱油管道運行優(yōu)化技術研究綜述

1開發(fā)國內油氣資源,加快輸油管道建設熱油管道的運行優(yōu)化是在已知的管道系統(tǒng)結構配置、工藝配置和外部自然條件的基礎上，利用適當?shù)膬?yōu)化計算分析方法，合理確定系統(tǒng)中的可變參數(shù)，在許多輸油方案中找到最經濟的方案，以實現(xiàn)最小的能源消耗、最小的成本和安全運行的目標。進入新世紀以來,我國國民經濟持續(xù)快速發(fā)展,能源需求迅速增長,石油消費躍居世界第二位。在這種形勢下,應大力開發(fā)國內油氣田資源,同時加快輸油管道工程的建設步伐,以滿足國內的能源需求。到2007年底,我國原油管道的總長度達1.7×104km,約占國內已建油氣管道干線總長的30%。國產原油多為含蠟原油,凝點和粘度都很高,必須采用加熱輸送方式。鑒于大部分管道所處地形等自然條件復雜,節(jié)流損失和加熱能耗巨大,國內石油資源有限且日漸枯竭等情況,加強熱油管道優(yōu)化技術研究,從根本上改善加熱管輸工藝,降低能耗,保證使熱油管道在最優(yōu)化狀態(tài)下運行,具有重要的現(xiàn)實意義。2歷史研究2.1采用隱裝置來確定出站壓力和優(yōu)化運行成本早在20世紀60年代,發(fā)達國家就已經開始了油氣管道系統(tǒng)最優(yōu)化的理論研究和應用工作。GoslliGJ等人采用動態(tài)規(guī)劃和線性優(yōu)化技術的EMM模型及遺傳算法對油氣管道(網)進行了優(yōu)化運行研究。JeffersonJJ將動態(tài)規(guī)劃法用于等溫密閉輸油管道的站間壓力分配,提出了利用隱枚舉法確定站內最優(yōu)泵組合。1980年,GropalVN提出了使用動態(tài)規(guī)劃對出站壓力進行優(yōu)化的方法。SeiregA等人概括和總結了幾種熱油管道優(yōu)化方法。鑒于熱油管道尤其是復雜管網系統(tǒng)運行中一些隨機變量易導致優(yōu)化結果的不確定性,2002年加拿大學者TravisE.Stripling等人應用OD-POM優(yōu)化算法解決復雜管網系統(tǒng)中多目標優(yōu)化模糊變量的問題,具有一定的前瞻性。美國科學軟件公司研發(fā)的氣體管道仿真軟件TGNET和英國ESI公司開發(fā)的液體管道非穩(wěn)態(tài)工況模擬軟件TLNET,在實際熱油管道非穩(wěn)態(tài)分析及優(yōu)化運行降低運行成本方面取得了較好效果。2003年,美國學者JosephF.P等人提出內外兩層循環(huán)的算法,用以解決含有隨機信息的優(yōu)化問題。2004年,在加拿大國際管道會議上,BotrosKK等人發(fā)表了采用遺傳算法對輸氣管網的多目標優(yōu)化問題的研究成果,給出了目標函數(shù)和約束條件。2.2單泵耦合逐站計算方案的提出和應用研究我國對熱油管道優(yōu)化運行的研究雖然起步較晚,但發(fā)展很快,20世紀80年代初,中國石油大學油氣儲運學科率先在國內開展熱油管道優(yōu)化運行的研究,并于1985年首次提出熱油管道穩(wěn)態(tài)優(yōu)化運行,建立了單根熱油管道穩(wěn)態(tài)優(yōu)化運行的兩級遞階模型及其配套算法。2001年,姜海斌等人對比了主泵調速、恒速和間歇三種運行方式對庫鄯輸油管道節(jié)能效果的影響,考慮到管路摩阻隨季節(jié)的變化情況,論證了不同季節(jié)調整輸油計劃的合理性,確定了庫鄯輸油管道的最佳運行方式。從實際運行情況來看,首站主泵調速后,中間各站的開泵導致較大的節(jié)流損失,同時幾種運行方式的不斷切換還造成系統(tǒng)運行狀態(tài)的不穩(wěn)定。2002年,支激揚等人針對因東黃復線進口原油數(shù)量和原油抵岸日期輸油量變化大導致黃島首站輸油泵與管道運行計劃不匹配的問題,對黃島油庫外輸泵實施合理匹配,并對泵匹配前后的運行參數(shù)和經濟效益進行了對比分析。結果發(fā)現(xiàn),節(jié)流損失雖然有所減少,但僅從不同型號泵的搭配組合上優(yōu)化管道運行,可能造成個別泵在低效率區(qū)工作,存在一定的安全隱患。徐嚴波等人針對多泵站熱油管道優(yōu)化運行數(shù)學模型中,既含有連續(xù)變量,又含有離散變量的情況,提出了用MDCP法(混合離散變量組合形法)求解輸油管道優(yōu)化運行的數(shù)學模型,彌補了單一算法存在的不足,從算法上改進了優(yōu)化計算模型,計算效果較好。但在給定目標函數(shù)的約束條件時,沒有引入單泵泵效約束條件,使得計算的優(yōu)化泵組合方案中有些單泵在低效率區(qū)工作,造成泵的機械設備損耗過大。2003年,孟振虎等人[19,20,21,22,23,24]考慮了管壁結蠟與主要約束條件值變化對輸油管道優(yōu)化運行的影響,提出了結蠟危險區(qū)的概念,分析了管道承壓能力與出站節(jié)流損失的關系。此后又根據(jù)實際輸油工藝,以進站油溫為變量,建立了泵管耦合逐站計算優(yōu)化分析模型,以及給定輸量和穩(wěn)態(tài)條件下長距離密閉輸送原油管道運行優(yōu)化的目標函數(shù)、約束條件和越站條件,引入了進泵原油粘性對泵性能的影響,提出了泵性能粘液影響修正系數(shù)動態(tài)查取,以及粘液性能曲線自動換算求解方法,應用非線性規(guī)劃方法,實施了全線運行方案優(yōu)化分析,探討了管壁結蠟與主要約束條件值變化對運行優(yōu)化的影響,研究了熱經濟性動態(tài)評價方法。孫青峰等人建立了慶鐵線雙管系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)優(yōu)化運行的兩級遞階模型,并提出了配套算法。2000年,中國石油大學與中國石油管道分公司合作開發(fā)了HOPOPTA(適用于單根管道的通用軟件)與QTOPT(適用于慶鐵線雙管系統(tǒng)的專用軟件包),實際應用之后,管道能耗降低了6%~12%,但未見調速技術在泵站的應用報道,節(jié)流損失造成的能耗依然很大,管道仍有技術改造的余地。高松竹等人介紹了一種由模擬退火算法和遺傳算法結合而成的混合遺傳算法,并根據(jù)實例對其在輸油管道優(yōu)化運行中的應用進行研究,結果表明,混合遺傳算法具有快速搜索、易收斂和魯棒性強的特點,計算得到的動力費用比動態(tài)規(guī)劃法減少3.58%。該算法采用了智能算法,具有一定的先進性。2005年,代小華等人介紹了宏觀模型在管網優(yōu)化運行中的應用,分析了不同宏觀模型的特點與適用條件以及各種模型自身存在的缺陷,闡述了不同類型的宏觀模型在管網中的具體應用條件,提出了宏觀模型在管網運用中亟待解決的問題,并提出其具體應用仍需在實踐中檢驗。2006年,馬二龍等人對阿賽輸油管道來油不均衡性所造成輸油成本增加的問題進行了研究,考慮了輸送方式和設備規(guī)格,并對相關物性參數(shù)進行了理論計算,確定了最優(yōu)輸送方案,但未見泵調速技術的應用實例。2007年,郭景洲等人對東辛輸油管道進行了穩(wěn)態(tài)優(yōu)化運行分析,以室內模擬和現(xiàn)場運行參數(shù)為依據(jù),在不改變運行條件并保證原油外輸任務的前提下,選用PIPEPHASE軟件對工藝管道進行計算模擬分析,將試驗理論和數(shù)值模擬與實際運行工況相結合,通過對比分析確定經濟運行方案,具有一定的現(xiàn)實意義。為降低節(jié)流損失和管輸費用,達到節(jié)能降耗的目的,遼河油田油氣集輸公司在輸油泵機組先后推廣應用了高壓內反饋串級調速技術、高壓變頻調速技術和中低壓變頻調速技術,實現(xiàn)了不同輸量工況與輸油泵轉速的最佳匹配,取得了節(jié)電率超過30%的良好效果;吳長春等人對秦京線的穩(wěn)態(tài)運行優(yōu)化工況進行了分析,認為在不同流量下,由于中間站的泵配置不合理,該管道目前的泵組合及其與管路的匹配均未達到理想狀態(tài),因此提出了更換中間站泵配置的可行性建議,在遷安站和寶抵站各設一臺調速。2006年,張文清針對魯寧輸油管道泵出口閥門前后壓差較大的問題,提出應用高壓變頻調速系統(tǒng),實際應用效果較好。秦京管道混輸冀東原油后,秦皇島—遷安管段輸量下降了16%,造成輸油泵與運行工況不匹配,節(jié)流損失大,能源浪費嚴重,李東風等人通過采取不同泵組合和葉輪切削等措施,制定了最優(yōu)化運行方案。2008年,曹義忠等人闡述了泵和節(jié)流閥的匹配性關系,分析了節(jié)流閥的性能匹配對泵調速范圍的影響,以減少節(jié)流損失。另外,關于泵站優(yōu)化運行和優(yōu)化算法的研究不斷深入。崔艷雨等人提出的開泵方案二階段優(yōu)化方法,應用于蘭成渝成品油管道運行管理系統(tǒng)軟件,在管道的實際運行管理中發(fā)揮了重要作用。馬崢等人利用改進的神經元網絡構建了泵站流量和效率預測模型,并利用了改進的遺傳算法構建了泵站優(yōu)化模型,為實現(xiàn)泵站的經濟運行提供了一種有效途徑。何根木等人對泵站優(yōu)化算法提出了新的看法。李蘇瀧等人對水泵變頻調速方案做了輔助論證,認為應用調速技術可以實現(xiàn)熱油管道運行優(yōu)化,提高節(jié)能效率,研究結果為輸油泵站串聯(lián)調速計算研究提供了參考;該文獻提出,隨著管道輸油技術的復雜化和變頻調速設備性價比的提高,下一步將圍繞應用變頻調速設備減少節(jié)流損失,提高剩余壓能利用率開展研究工作。2.3軟件的應用分析熱油管道運行優(yōu)化的研究成果主要集中在以下幾方面。(1)建立了單管和雙管系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)優(yōu)化運行的兩級遞階模型,并提出了配套算法。(2)開發(fā)了熱油管道穩(wěn)態(tài)運行優(yōu)化通用軟件(HOPOPT)、慶鐵線雙管系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)優(yōu)化運行專用軟件QTOPT和單根管道通用軟件(HOPOPTA),并利用軟件分析了鐵秦線、鐵大線及慶鐵線在典型條件下的運行優(yōu)化方案,發(fā)現(xiàn)了熱油管道優(yōu)化運行的基本規(guī)律,優(yōu)化運行方案費用同比降低了6%~12%。(3)以混合離散變量組合形法(MDCP)解決了熱油管輸系統(tǒng)中既有連續(xù)變量又有離散變量的問題。(4)在熱油管道動力費用計算方面,研究認為,由模擬退火算法和遺傳算法組合的混合遺傳算法優(yōu)于動態(tài)規(guī)劃法。(5)討論了宏觀模型在管網中的具體應用條件,提出了在管網運用中亟待解決的問題。(6)在變頻調速設備研制以及熱油管道泵站調速與泵站組合節(jié)能方面取得了研究成果。3熱油管道運行優(yōu)化存在的問題目前,關于熱油管道優(yōu)化運行技術的研究方法及內容主要存在以下問題。(1)熱油管道系統(tǒng)運行優(yōu)化的相關關系式均基于穩(wěn)態(tài)工況推導而來,一般情況下,穩(wěn)態(tài)工況符合正常運行條件下的輸送過程,但當管道出現(xiàn)各種非正常工況時,優(yōu)化計算結果與實際情況相差較大。(2)在運行優(yōu)化技術研究中,為計算簡便,會不可避免地忽略次要影響因素,然而卻增大了計算結果誤差。(3)對優(yōu)化算法的研究不夠深入,有些算法是否存在熱油管道運行優(yōu)化的最優(yōu)解,有待研究確認。(4)目前在役輸油管道大多未配置泵調速設備,造成泵壓與管壓之差產生的剩余壓頭的浪費或以節(jié)流方式消耗在閥門上,為盡可能回收這部分能量,有待于對相關理論計算方法和實踐進行研究。綜上所述,熱油管道優(yōu)化運行技術應從