基于火用經(jīng)濟學的原油管道輸量優(yōu)化*

成慶林 孫巍 張萌 李賢麗

1東北石油大學提高油氣采收率教育部重點實驗室 2華北石油管理局儲氣庫管理處

基于火用經(jīng)濟學的原油管道輸量優(yōu)化*

成慶林1孫巍1張萌2李賢麗1

1東北石油大學提高油氣采收率教育部重點實驗室 2華北石油管理局儲氣庫管理處

以火用經(jīng)濟學的有關(guān)理論和方法為基礎(chǔ)，利用熱火用和壓火用不同的價格，將管輸原油過程的火用流值折合成費用，計算火用耗費用和剩余火用費用，火用耗費用與投資費用之和與剩余火用費用的比值定義為火用耗指標。以此為基礎(chǔ)分別計算并分析火用耗指標隨輸量的變化規(guī)律，從而確定最優(yōu)輸量。以大慶油田某輸油管道為研究對象的實驗表明：壓火用耗值隨著輸量的增大先減小后逐漸增大；熱火用耗值隨著輸量的增大逐漸減??；總火用耗費用隨著輸量的增大先減小，在輸量為50 m3/h時減小至最小值，之后又逐漸增大。通過計算可知，火用耗指標先減小而后有緩慢增大，在輸量為60 m3/h時為最小值，即最優(yōu)輸量為60 m3/h。

火用；管輸原油；輸量優(yōu)化；火用耗指標；火用經(jīng)濟學

以火用經(jīng)濟學為基礎(chǔ)的火用經(jīng)濟分析法，強調(diào)能的真正價值，在復雜工程系統(tǒng)的分析、優(yōu)化、診斷、改進以及設(shè)計中，扮演著很重要的角色。這種經(jīng)濟學分析法將熱力學分析與經(jīng)濟因素統(tǒng)一考慮，融合了工程經(jīng)濟學、系統(tǒng)工程、最優(yōu)化技術(shù)以及決策理論等基本思想[1]，能夠同時考慮能的“質(zhì)”和“量”，并將系統(tǒng)中的火用流價格化，追求經(jīng)濟效益的最佳效果，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。本文以火用經(jīng)濟學的有關(guān)理論和方法為基礎(chǔ)，利用熱火用和壓火用不同的價格，將管輸原油過程的火用流值折合成費用，計算火用耗費用和剩余火用費用?；鹩煤馁M用與投資費用之和與剩余火用費用的比值定義為火用耗指標。以此為基礎(chǔ)分別計算并分析火用耗指標隨輸量的變化規(guī)律，從而確定最優(yōu)輸量，為管道的經(jīng)濟運行提供一定的理論支持。

1 火用經(jīng)濟學基本概念

火用經(jīng)濟學的思想早在1932年基南的論文中就已經(jīng)出現(xiàn)，真正形成卻是在20世紀60年代。美國加州大學的特里巴斯和埃文斯在對海水淡化裝置的熱力學分析研究中，引入了火用經(jīng)濟的概念，創(chuàng)造了這個學科的新術(shù)語?；鹩媒?jīng)濟學是一門融技術(shù)與經(jīng)濟為一體的綜合學科，屬技術(shù)經(jīng)濟學范疇，火用經(jīng)濟學的基本概念包括投資、成本和折舊費。

1.1 投資

為保證工程項目投入生產(chǎn)并保證經(jīng)營活動正常進行，必須投入一定的資金。這種預先墊付的資金稱為投資。

投資的估算方法可利用類似工程的投資來估算類型相同、規(guī)模不同的工程投資。擬改建工程項目投資額和生產(chǎn)規(guī)模分別為z2和x2，同類已建工程的投資額和生產(chǎn)規(guī)模分別為z1和x1，則有

式中n為規(guī)模指數(shù)，當主要靠增大設(shè)備規(guī)模擴大生產(chǎn)規(guī)模時，取n=0.6～0.7，當以增加相同設(shè)備數(shù)量擴大生產(chǎn)規(guī)模時，取n=0.8～1.0；CF為物價換算校正系數(shù)，為由歷年的物價趨勢預測數(shù)據(jù)做出的合理估計。

1.2 成本

產(chǎn)品成本是指產(chǎn)品生產(chǎn)過程中消耗的生產(chǎn)資料價值和勞動者勞動所創(chuàng)造的價值。

當總成本與產(chǎn)量具有線性特征關(guān)系時，可以運用數(shù)理統(tǒng)計方法來估算成本

式中CT為總成本；CF為固定成本；cV為單位產(chǎn)品變動成本；D為生產(chǎn)量。

1.3 折舊費

固定資產(chǎn)投資由于長期使用產(chǎn)生損耗而逐漸轉(zhuǎn)移到產(chǎn)品成本中的那部分價值叫做折舊。折舊費是生產(chǎn)成本的重要組成部分，計算折舊費的主要方法如下

將設(shè)備或廠房等在整個使用年限內(nèi)平均等值折舊。每年分攤的折舊費d為

式中P為設(shè)備的原始價值；Ff為設(shè)備壽命終了時的價值；N為設(shè)備的使用年限。

孫家寧[2]等將能級的概念引入火用經(jīng)濟學計價體系，把供入能流按能級拆分，依據(jù)能級相近最大化相供的原則，解決能量取出與供入間的對應問題，提出了基于能級相近最大化相供的火用流計價策略。基于能級概念對管輸火用能進行計價研究，得出物流火用價估算的結(jié)果，泵站提供的壓火用價格大概為加熱爐提供熱火用的7倍。

2 管輸原油過程火用經(jīng)濟學模型

熱油進出管道輸送體系時，根據(jù)其溫度及壓力值，可以求得油流帶入火用和帶出火用[3]，如下所示

管輸過程壓火用耗為

熱火用耗為

QL為管段理論散熱量，可通過下式計算[4]

剩余壓火用耗為

剩余熱火用耗為

式中G為管輸過程質(zhì)量輸量(kg/s)；pq為管段起點壓力(Pa)；p0為環(huán)境壓力(Pa)；c為輸送油品的比熱容(J/(kg·K))；Tq為管段起點油品溫度(K)；T0為環(huán)境溫度(K)；TL為輸送溫度(K)；V為體積流量(m3/h)；ρ為油品密度(kg/m3)。

根據(jù)上述火用流損失值及壓火用、熱火用價格，可計算出火用耗費用Sy及剩余火用費用Ss。折合出的壓火用耗費用和熱火用耗費用之和定義為火用耗費用，剩余壓火用費用和剩余熱火用費用之和為剩余火用費用，即

以上兩式，JR為熱火用價格，取值為6×10-8元/J；Jy為壓火用價格，取值為42×10-8元/J。

保證管道經(jīng)濟節(jié)能運行的最優(yōu)原則是火用耗費用與前期投資費用較少，且剩余火用費用較多。因此，可定義火用耗指標為火用耗費用與前期投資費用之和與剩余火用費用的比值，即

式中σd為火用耗指標；Sy為火用耗費用(元)；Sq為前期投資費用(元)；Ss為剩余火用費用(元)。

3 應用實例分析

本文以大慶油田某輸油管道為研究對象，計算并分析其管道運行火用耗，從而確定最佳運行參數(shù)。管道運行基本參數(shù)及油品物性參數(shù)見表1[5]。

表1 管道運行基本參數(shù)及油品物性參數(shù)

建立PIPEPHASE模型，改變輸量為30、35、40、45、50、55、60、65和70 m3/h，保持其他參數(shù)不變，保證終點壓力為300 kPa，其分別對應的起點壓力為795.3、766.1、768.6、796.7、846.7、922.5、1 022.0、1 152.3和1 310.2 kPa，終點溫度為306.1、309.3、311.7、313.7、315.4、316.8、318.1、319.1和319.9 K。

根據(jù)上述火用經(jīng)濟學數(shù)學模型，可繪制出火用耗指標隨輸量的變化規(guī)律曲線，如圖1所示。

圖1 火用耗指標隨輸量變化曲線

根據(jù)圖1可知，管輸原油過程中，壓火用耗值隨著輸量的增大先減小后逐漸增大；熱火用耗值隨著輸量的增大逐漸減小；總火用耗費用隨著輸量的增大先減小，在輸量為50 m3/h時減小至最小值，之后又逐漸增大。通過計算可知，火用耗指標先減小而后有緩慢增大，在輸量為60 m3/h時為最小值，即最優(yōu)輸量為60 m3/h。

4 結(jié)語

管輸原油過程的火用耗，主要包括發(fā)生于溫度場的熱火用耗和發(fā)生于壓力場的壓火用耗，根據(jù)熱火用和壓火用不用的火用價格，可計算出火用耗費用和剩余火用費用。管輸過程中，應使得火用耗費用與前期投資費用之和盡可能小，剩余火用費用盡可能多，才最有利于管輸過程的經(jīng)濟運行。以大慶某輸油管道為研究對象，通過計算，繪制出火用耗指標隨管道輸量的變化規(guī)律曲線，從而確定最優(yōu)輸量為60 m3/h。

[1]傅秦生．能量系統(tǒng)的熱力學分析方法[M]．西安：西安交通大學出版社，2005.

[2]孫家寧，陳清林，尹清華，等．基于能級概念的火用經(jīng)濟學計價策略[J]．熱能動力工程，2003，18（6）：552-555.

[3]成慶林．多勢場火用傳遞過程的理論研究及其工程應用[D]．東北石油大學，2004.

[4]沈維道，童鈞耕．工程熱力學[M]．北京：高等教育出版社，2007.

[5]張萌．管輸原油過程熱力學火用流評價與分析[D]．大慶：東北石油大學，2013.

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.1.005

基金論文：國家自然科學基金項目(51174042，51106020)；中國石油科技創(chuàng)新基金(2012D—5006—0610)及黑龍江省普通高等學校青年學術(shù)骨干計劃支持項目(1252G005)。