高寒地區(qū)原油庫(kù)收發(fā)油周期優(yōu)化技術(shù)研究

劉　超（東北石油大學(xué)）

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高寒地區(qū)原油庫(kù)收發(fā)油周期優(yōu)化技術(shù)研究

劉超（東北石油大學(xué)）

以原油庫(kù)內(nèi)收發(fā)油過(guò)程中儲(chǔ)油罐總散熱損失最小為目標(biāo)，儲(chǔ)罐收發(fā)油周期為決策變量，原油庫(kù)的輸油能力、罐區(qū)容量等為約束條件，建立了高寒地區(qū)原油庫(kù)的收發(fā)油周期優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。根據(jù)模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出基于分支限界法的優(yōu)化求解方法。應(yīng)用該模型對(duì)大慶油田某原油庫(kù)的收發(fā)油周期進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果表明，優(yōu)化方案與原方案相比可節(jié)約儲(chǔ)罐維溫能耗11.58%，具有顯著的節(jié)能效果。

高寒地區(qū)原油庫(kù)收發(fā)油周期分支限界法

引言

目前，對(duì)于高寒地區(qū)，易凝高黏原油的安全存儲(chǔ)、加熱仍是最主要的技術(shù)措施，但實(shí)際生產(chǎn)中一般僅能從滿足安全條件考慮，導(dǎo)致了能源的浪費(fèi)。實(shí)現(xiàn)對(duì)原油在安全存儲(chǔ)的前提下，優(yōu)化其運(yùn)行方案對(duì)降低原油儲(chǔ)存過(guò)程中的運(yùn)行能耗費(fèi)用具有重要意義，因此有學(xué)者從不同方面對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了研究。其中，趙健［1-2］建立了原油庫(kù)運(yùn)行方案優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，以原油庫(kù)的外輸溫度、壓力，儲(chǔ)罐維溫溫度等為約束條件對(duì)高寒地區(qū)原油庫(kù)的運(yùn)行方案進(jìn)行了優(yōu)化。此后，又對(duì)目前廣泛應(yīng)用的儲(chǔ)罐熱油循環(huán)工藝方案進(jìn)行了研究，得到了熱油循環(huán)加熱的優(yōu)化運(yùn)行方案。陸雅紅［3］、張麗偉［4］等從儲(chǔ)罐加熱方式優(yōu)選和加熱器改進(jìn)結(jié)構(gòu)等方面入手，提出了儲(chǔ)罐的優(yōu)化加熱方案。以上研究從不同方面對(duì)原油庫(kù)的優(yōu)化運(yùn)行方案進(jìn)行研究，取得了一定的研究成果，但對(duì)于大型原油儲(chǔ)庫(kù)，其核心問(wèn)題是儲(chǔ)罐多罐組的運(yùn)行模式選擇，罐組的收發(fā)油周期確定，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展儲(chǔ)罐加熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化和運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化才更有實(shí)際效果。因此，對(duì)原油庫(kù)收發(fā)油周期優(yōu)化問(wèn)題的研究，對(duì)于降低原油庫(kù)運(yùn)行能耗費(fèi)用，提高原油庫(kù)的調(diào)度管理水平都具有重要意義。

1　優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

1.1目標(biāo)函數(shù)

原油庫(kù)收發(fā)油周期優(yōu)化是以原油庫(kù)存量、生產(chǎn)能力和計(jì)劃收發(fā)量為依據(jù)，以原油庫(kù)輸油能力、罐區(qū)容量等為約束條件，通過(guò)優(yōu)化確定不同油罐接受和輸出的原油量及時(shí)間，使存儲(chǔ)在油罐內(nèi)的原油總散熱損失最小，進(jìn)而降低原油庫(kù)用于原油保溫的熱能消耗［5］，則該優(yōu)化問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)可以表示為：

式中：

b=1～B——代表油庫(kù)內(nèi)不同罐區(qū)的編號(hào)，B為罐區(qū)的總數(shù)量；

t=1～T——代表計(jì)劃安排的原油儲(chǔ)運(yùn)調(diào)度時(shí)間，天；

JOULEXb，t——表示時(shí)間t內(nèi)，b罐區(qū)是否對(duì)油品進(jìn)行加熱，取0代表不加熱，取1代表加熱；

JOULEb，t——表示時(shí)間t內(nèi)，為了保證b罐區(qū)的維溫要求，對(duì)b罐區(qū)的總加熱量，kJ。

1.2約束條件

1）變量取值范圍約束：Yb，t∈｛1，0｝，Yb，t表示b儲(chǔ)油罐區(qū)在時(shí)間t內(nèi)是否輸入原油，該值取1時(shí)，表示該罐區(qū)輸入原油，取0時(shí)表示不輸入原油。

Zb，t∈｛1，0｝，Zb，t表示b儲(chǔ)油罐區(qū)在時(shí)間t內(nèi)是否輸出原油，該值取1時(shí)，表示該罐區(qū)輸出原油，取0時(shí)表示不輸出原油。

2）儲(chǔ)油罐區(qū)的收發(fā)油能力約束：儲(chǔ)油罐區(qū)有特定的輸油能力，因此，ETVb，t必須滿足一定的范圍：

式中：

ETVb，t——b罐區(qū)在時(shí)間t內(nèi)輸出原油量，t；

ATCb、ITCb——罐區(qū)b的最大、最小輸油能力，m3。

油庫(kù)的上一級(jí)單位存在一定的輸油能力，因此，ITVb，t存在一定的范圍：

式中：

ATICb、ITICb——由上級(jí)輸油單位決定的罐區(qū)b的最大、最小輸入原油量限制，m3；

ITVb，t——罐區(qū)b在時(shí)間t內(nèi)輸入原油量，t。

3）儲(chǔ)油罐區(qū)總外輸量限制：總時(shí)間T內(nèi)任一罐區(qū)實(shí)際輸出原油的總量等于計(jì)劃要求的輸量：

式中：

ETVb——總時(shí)間T內(nèi)b罐區(qū)計(jì)劃要求的輸量，m3；

ETVb，t——時(shí)間t內(nèi)b罐區(qū)的輸出原油量，m3。

4）儲(chǔ)油罐區(qū)總輸入量限制：任意時(shí)間t內(nèi)任一罐區(qū)實(shí)際輸入的原油量ITVb，t等于計(jì)劃輸入的量：

式中：

VDb，t——時(shí)間t內(nèi)b罐區(qū)計(jì)劃輸入的原油量，m3。

5）罐區(qū)容量約束：任意時(shí)刻t，罐區(qū)的儲(chǔ)油量必須在一定的范圍內(nèi)，即滿足一定的約束：

Hb——t-1時(shí)刻，儲(chǔ)罐內(nèi)的原油液位，m；Sb——儲(chǔ)油罐的浮頂面積，m2；

ASCb、ISCb——由儲(chǔ)罐類型、容量和實(shí)際工藝要求決定的罐區(qū)的最大、最小存儲(chǔ)能力，m3；

Vb，t——t時(shí)刻，b罐區(qū)存儲(chǔ)的原油總量（由罐內(nèi)原油量和收發(fā)油量決定），m3。

2　求解方法

上述優(yōu)化模型中的罐區(qū)輸入、輸出油量為連續(xù)變量，判斷油罐是否輸入或輸出原油的變量為0/1變量，在目標(biāo)函數(shù)與約束條件中均含有非線性函數(shù)，因此該數(shù)學(xué)模型是一個(gè)混合變量非線性規(guī)劃問(wèn)題（MINLP），可以基于分支限界法按下述步驟對(duì)該問(wèn)題求解。

1）假定時(shí)間t內(nèi)，n個(gè)油罐的剩余可儲(chǔ)容量分別為v0，v1，……，vn-1，散熱量為q0，q1，……，qn-1，最大輸入或輸出量為w0，w1，……，wn-1，計(jì)劃輸入或輸出油量為M m3。

2）計(jì)算不同儲(chǔ)罐的剩余儲(chǔ)存油量與散熱量的比值m0，m1，……，mn-1，并按遞減的順序，對(duì)n個(gè)油罐進(jìn)行排序。

4）假設(shè)m值最大的油罐序號(hào)為S，且S∈S3。

5）用S進(jìn)行分支，一個(gè)分支結(jié)點(diǎn)表示讓油罐S接收原油，另一個(gè)分支結(jié)點(diǎn)表示不讓油罐S接收原油。

6）當(dāng)油罐按m值遞減順序排序后，S就是集合S3（k）中的第一個(gè)元素。

則油罐S接收輸入原油的分支結(jié)點(diǎn)表示如下：

油罐S不接收輸入原油的分支結(jié)點(diǎn)表示如下：

假定b（k）表示搜索深度為k時(shí)某個(gè)分支結(jié)點(diǎn)接收原油的油罐散熱量下界。S3（k）=｛k，k+1，……，n-1｝。兩種分支結(jié)點(diǎn)接收原油油罐的散熱量的下界可按下述方法計(jì)算，

則b（k）=N（N為任意大正數(shù)）（6）

則令

令每一個(gè)結(jié)點(diǎn)都包含集合當(dāng)前S1、S2、S3中的油罐，以及搜索深度k和下界b等數(shù)據(jù)。

3　計(jì)算實(shí)例

大慶油田某原油庫(kù)共有儲(chǔ)罐14座，分兩組。一組由1#～4#、13#、14#油罐構(gòu)成，另一組由5#～12#罐構(gòu)成。原油儲(chǔ)運(yùn)收發(fā)油周期計(jì)劃安排時(shí)間T設(shè)定為1天，對(duì)4日內(nèi)不同油罐的運(yùn)行模式及輸入、輸出原油量進(jìn)行優(yōu)化，指導(dǎo)油庫(kù)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)工作的高效進(jìn)行。

油庫(kù)在2014年11月19日—2014年11月22日期間油庫(kù)計(jì)劃輸油總量為107 803 m3，各油罐初始液位高度如表1所示。計(jì)算環(huán)境溫度為白天16 h溫度為-10℃、夜晚8 h溫度為-15℃。輸入數(shù)據(jù)，計(jì)算用時(shí)106s，得到優(yōu)化收發(fā)油方案如表2所示，油庫(kù)原計(jì)劃收發(fā)油方案如表3所示。優(yōu)化收發(fā)油方案滿足油庫(kù)輸量計(jì)劃且符合安全生產(chǎn)要求，其中4日內(nèi)以優(yōu)化收發(fā)油方案計(jì)算所損失的總熱量為3.813 5×109kJ，而以原計(jì)劃收發(fā)油方案計(jì)算所損失的總熱量為4.312 9×109kJ，2種調(diào)度方案的總熱量之差為4.994×108kJ，取原油高位發(fā)熱值45 220 kJ/kg，即4日內(nèi)燃料油損耗至少節(jié)省11.044 t（平均每日2.761 t）。優(yōu)化收發(fā)油方案較實(shí)際方案相比可節(jié)約能耗費(fèi)用11.58%。由此可見(jiàn)，通過(guò)優(yōu)化原油庫(kù)的收發(fā)油周期可以顯著降低原油庫(kù)的維溫能耗費(fèi)用。

表1　儲(chǔ)油罐初始液位高度

表2　油罐輸入、輸出原油優(yōu)化方案

表3　油罐輸入、輸出原油實(shí)際方案

4　結(jié)論

以原油庫(kù)內(nèi)收發(fā)油過(guò)程中儲(chǔ)油罐總散熱損失最小為目標(biāo)，儲(chǔ)罐收發(fā)油周期為決策變量，原油庫(kù)的輸油能力、罐區(qū)容量等為約束條件，建立了高寒地區(qū)原油庫(kù)的收發(fā)油周期優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。

油庫(kù)收發(fā)油周期優(yōu)化數(shù)學(xué)模型是一個(gè)混合變量非線性規(guī)劃問(wèn)題，根據(jù)模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了基于分支限界法的優(yōu)化求解方法。

應(yīng)用優(yōu)化模型對(duì)大慶油田某原油庫(kù)的收發(fā)油周期進(jìn)行了優(yōu)化，確定了計(jì)劃輸油時(shí)間內(nèi)不同油罐的運(yùn)行模式和具體輸入、輸出原油量，從而降低了計(jì)劃輸油時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)罐的總散熱損失，優(yōu)化方案與原方案相比可節(jié)約能耗11.58%。

［1］趙健，楊林，馬明利，等.原油儲(chǔ)罐的熱油循環(huán)工藝方案優(yōu)化研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10（35）：67-68.

［2］劉揚(yáng)，趙健，馬明利，等.油庫(kù)生產(chǎn)運(yùn)行方案優(yōu)化技術(shù)研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10（35）：8783-8786.

［3］陸雅紅，吳江濤.原油儲(chǔ)罐盤(pán)管式蒸汽加熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.化學(xué)工程，2010，38（10）：69-72.

［4］張麗偉，張偉.原油儲(chǔ)罐加熱方式選擇［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2010（13）：71-73.

［5］張勁軍.油氣儲(chǔ)運(yùn)理論與技術(shù)進(jìn)展［J］.中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，11（12）：34-36.

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.11.001

2015-07-21）

劉超，在讀研究生，從事油田地面工程與節(jié)能降耗技術(shù)，E-mail：tinger0104@126.com，地址：黑龍江省大慶市薩爾圖區(qū)東北石油大學(xué)，163318。