多油庫(kù)生產(chǎn)調(diào)度工藝運(yùn)行方案優(yōu)化

顧強(qiáng) （大慶油田有限責(zé)任公司儲(chǔ)運(yùn)銷(xiāo)售分公司）

多油庫(kù)生產(chǎn)調(diào)度工藝運(yùn)行方案優(yōu)化

顧強(qiáng) （大慶油田有限責(zé)任公司儲(chǔ)運(yùn)銷(xiāo)售分公司）

將儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)的南一油庫(kù)、南三油庫(kù)和北油庫(kù)作為一個(gè)整體考慮，以系統(tǒng)總能耗費(fèi)用最低為目標(biāo)，建立了多站庫(kù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，根據(jù)模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用兩級(jí)遞階優(yōu)化方法將原優(yōu)化模型分解成最優(yōu)管道出站壓力模型和出站溫度優(yōu)化模型兩個(gè)子模型，兩者之間通過(guò)迭代進(jìn)行求解。應(yīng)用該模型對(duì)大慶油田多油庫(kù)生產(chǎn)調(diào)度工藝進(jìn)行了優(yōu)化，制定了不同油庫(kù)的優(yōu)化工藝參數(shù)，包括優(yōu)化的外輸溫度、壓力等。結(jié)果表明，優(yōu)化方案與原方案相比可節(jié)約能源10.38%，具有顯著的節(jié)能效果。

多油庫(kù)；生產(chǎn)工藝；優(yōu)化；外輸溫度；壓力

“北油庫(kù)—南一—南三—總外輸”是大慶油田原油儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)的重要組成部分，承擔(dān)著大慶油田原油的儲(chǔ)存及外輸任務(wù)，是連接油田開(kāi)采和下游石油煉化的中心環(huán)節(jié)。目前，大慶油田已處于開(kāi)發(fā)中后期，油田產(chǎn)能下降，導(dǎo)致原油儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)處于低庫(kù)存、低輸量運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)生產(chǎn)效率下降，輸轉(zhuǎn)油單耗上升。大慶油田計(jì)劃進(jìn)一步調(diào)低產(chǎn)量，2015計(jì)劃減產(chǎn)150×104t，到2020年將調(diào)減至年產(chǎn)3200× 104t，隨油田產(chǎn)量的進(jìn)一步降低，儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)生產(chǎn)調(diào)度經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行效率下降的問(wèn)題將更加嚴(yán)重。針對(duì)以上問(wèn)題，需要對(duì)油田原油儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)的生產(chǎn)調(diào)度工藝方案進(jìn)行優(yōu)化[1]。

1 多站庫(kù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

1.1目標(biāo)函數(shù)建立

根據(jù)輸油管道的水力、熱力特性，對(duì)于南一外輸管道來(lái)說(shuō)，提高管道起點(diǎn)溫度時(shí)，沿線油溫升高，油品黏度降低，管道摩阻損失減少，需要的出站壓力降低，泵耗電量相應(yīng)減少，但加熱爐燃料消耗量卻增加。相反，降低起點(diǎn)溫度，泵耗電量增加，加熱爐燃料消耗量減少。

對(duì)于北油庫(kù)外輸管道，當(dāng)起點(diǎn)溫度升高時(shí)，相應(yīng)的泵耗電量會(huì)減少，加熱爐燃料消耗量增加，但北油庫(kù)所輸送的原油進(jìn)入南三油罐的油溫也會(huì)隨之升高，需要的維溫?zé)崮軐?huì)減少。相反，降低起點(diǎn)溫度，泵耗電量增加，加熱爐燃料消耗量減少，維溫?zé)崮芟脑黾印?/p>

同時(shí)，南一、南三、北油庫(kù)所輸送的原油會(huì)在總外輸起點(diǎn)進(jìn)行摻混，三者各自的輸油溫度也將影響到總外輸起點(diǎn)溫度?？偼廨斊瘘c(diǎn)溫度較高時(shí)，動(dòng)能損耗相應(yīng)減少，但過(guò)高的油溫將會(huì)造成不必要的熱能浪費(fèi)。

因此，對(duì)多油庫(kù)系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行方案進(jìn)行優(yōu)化，其目的是在保證安全輸送的前提下，合理地確定各油庫(kù)最佳起點(diǎn)溫度和起點(diǎn)出站壓力，使得多油庫(kù)系統(tǒng)總能耗最小，從而使總能耗費(fèi)用最低[2]。

多油庫(kù)生產(chǎn)運(yùn)行總能耗費(fèi)用包括南一、南三、北油庫(kù)各自消耗的動(dòng)力費(fèi)用和熱力費(fèi)用。南一和北油庫(kù)的動(dòng)力費(fèi)用就是泵運(yùn)行所消耗的電能費(fèi)用，熱力費(fèi)用就是加熱爐運(yùn)行消耗的燃料油費(fèi)用；南三油庫(kù)的動(dòng)力費(fèi)用是泵運(yùn)行所消耗的電能費(fèi)用，熱力費(fèi)用是儲(chǔ)油罐維溫所消耗的費(fèi)用。以南一、南三、北油庫(kù)管道的出站壓力以及南一和北油庫(kù)的出站溫度為決策變量，以總能耗費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)（minS），建立數(shù)學(xué)模型如下式：

其中

式中：S——多站庫(kù)生產(chǎn)運(yùn)行的總能耗費(fèi)用，萬(wàn)元；

S北——北油庫(kù)的總能耗費(fèi)用，萬(wàn)元；

S南一——南一油庫(kù)的總能耗費(fèi)用，萬(wàn)元；

S南三——南三油庫(kù)的總能耗費(fèi)用，萬(wàn)元；

目標(biāo)函數(shù)為單位時(shí)間內(nèi)多油庫(kù)系統(tǒng)總能耗費(fèi)用，表達(dá)式中第一項(xiàng)為北油庫(kù)總能耗費(fèi)用，第二項(xiàng)為單位時(shí)間內(nèi)南一油庫(kù)總能耗費(fèi)用，第三項(xiàng)為單位時(shí)間內(nèi)南三油庫(kù)總能耗費(fèi)用。

1.2約束條件建立

隨著季節(jié)和輸量的變化，輸油管道的運(yùn)行工況發(fā)生變化，為了滿足管道輸送的生產(chǎn)要求，管道的運(yùn)行參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行參數(shù)必須在允許的范圍之內(nèi)，也即滿足一定的約束條件[3]。多油庫(kù)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行所需滿足的約束條件包括輸量約束、油庫(kù)庫(kù)容約束、設(shè)備運(yùn)行能力的約束以及進(jìn)出站溫度和壓力的約束。

1）輸量約束。根據(jù)管道輸量情況來(lái)確定各油庫(kù)的啟泵情況以及啟泵臺(tái)數(shù)。如果管道輸量較大，需要啟用多臺(tái)輸油泵并聯(lián)運(yùn)行才能滿足輸送要求，各臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行泵的流量之和等于各油庫(kù)外輸管道流量，各油庫(kù)外輸管道流量之和為總外輸管道流量即有以下約束條件：

式中：γpj——并聯(lián)運(yùn)行泵的個(gè)數(shù)；

Qpj——并聯(lián)運(yùn)行泵的流量，m3；

Qx——各油庫(kù)外輸管道流量，m3；

Qt——總外輸管道流量，m3;

np——油庫(kù)總泵數(shù);

n0——外輸泵總數(shù)。

2）油庫(kù)庫(kù)容約束。為了保證油庫(kù)能夠正常安全工作，其儲(chǔ)油量應(yīng)該在一定的范圍內(nèi)，即

3）泵工作能力約束。為了保證輸油泵能夠正常安全工作，其流量和揚(yáng)程應(yīng)該在一定的范圍內(nèi)，即

4）加熱爐加熱能力約束。各油庫(kù)內(nèi)每臺(tái)加熱爐的熱負(fù)荷要在其加熱能力范圍之內(nèi)，即

5）鍋爐熱負(fù)荷約束。鍋爐的熱負(fù)荷要在其加熱能力范圍之內(nèi)，即

6）管道壓力約束。為了保證管道內(nèi)管輸介質(zhì)順利輸送到終點(diǎn)，各管道進(jìn)入總外輸點(diǎn)的進(jìn)站壓力必須大于總外輸出站壓力要求，且進(jìn)站壓力不能大于終點(diǎn)站最高進(jìn)站壓力許用值，即

7）管輸介質(zhì)進(jìn)站溫度約束。為了防止輸送過(guò)程中不凝油，保證管輸介質(zhì)能夠從起點(diǎn)順利進(jìn)入到終點(diǎn)，進(jìn)站溫度不能低于管輸介質(zhì)最低進(jìn)站溫度許用值，即

8）管輸介質(zhì)出站溫度約束。為保證輸送油品的物性穩(wěn)定，同時(shí)受到加熱爐熱負(fù)荷以及管道熱變形的限制，出站溫度應(yīng)該低于管輸介質(zhì)出站最高溫度許用值，即滿足

1.3完整數(shù)學(xué)模型

生產(chǎn)運(yùn)行方案優(yōu)化數(shù)學(xué)模型可由下式表示：

2 數(shù)學(xué)模型求解算法

數(shù)學(xué)模型中決策變量為出站溫度和出站壓力，目標(biāo)函數(shù)及約束條件都帶有非線性項(xiàng)，該問(wèn)題屬于非線性最優(yōu)化問(wèn)題。根據(jù)模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用兩級(jí)遞階優(yōu)化方法將原優(yōu)化模型分解成最優(yōu)管道出站壓力模型和出站溫度優(yōu)化模型兩個(gè)子模型，兩者之間通過(guò)迭代進(jìn)行求解。由于該優(yōu)化問(wèn)題求解過(guò)程的復(fù)雜性，為了高效求解該問(wèn)題，在本項(xiàng)目中采用C#語(yǔ)言進(jìn)行編程求解。

2.1管道出站壓力優(yōu)化子模型

該模型是在管線各站出站溫度給定的前提下,確定最優(yōu)出站壓力模型pout*。該模型可由下式表示：

該優(yōu)化問(wèn)題屬于非線性最優(yōu)化問(wèn)題，采用隱枚舉法和動(dòng)態(tài)規(guī)劃法來(lái)求解。

2.2出站溫度優(yōu)化子模型

該模型是在出站壓力方案一定的基礎(chǔ)上確定各站管輸介質(zhì)的最優(yōu)出站溫度Tout*。該模型可由下式表示：

該優(yōu)化問(wèn)題屬于非線性規(guī)劃問(wèn)題,采用罰函數(shù)法將模型轉(zhuǎn)化為無(wú)約束優(yōu)化問(wèn)題,再用由Powell提出經(jīng)Zangwill改進(jìn)的方向加速法來(lái)求解。算法框圖如圖1所示。

圖1 多油庫(kù)系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行方案算法框圖

3 多站庫(kù)優(yōu)化運(yùn)行方案

按照本項(xiàng)目建立的優(yōu)化方法，對(duì)多油庫(kù)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，在最高、最低、平均3種流量情況下，分別對(duì)多站庫(kù)系統(tǒng)的工藝運(yùn)行方案進(jìn)行了優(yōu)化，其中，北油庫(kù)和南一油庫(kù)全年不同月份、不同環(huán)境溫度及輸量工況下的優(yōu)化外輸起點(diǎn)溫度和外輸壓力如表1和表2所示。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，對(duì)于南三油庫(kù)，由于采用熱油循環(huán)加熱方法對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)原油進(jìn)行加熱，而儲(chǔ)罐的加熱維溫能耗較高，其優(yōu)化運(yùn)行方案為充分利用來(lái)油溫度，儲(chǔ)罐的熱油循環(huán)主要以維持罐內(nèi)油溫為主，不建議對(duì)罐內(nèi)原油進(jìn)行加熱升溫。

表1 北油庫(kù)外輸管道輸油方案優(yōu)化

表2 南一油庫(kù)外輸管道輸油方案優(yōu)化

[1]張勁軍,何利民,宮敬,等.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)，2013（5）:151-162.

[2]隗英博.基于油氣儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)分析及優(yōu)化措施分析與研究[J].化工管理，2014，30:26.

[3]韓廷凱.油氣儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)分析及優(yōu)化措施分析[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量,2014（3）:162.

（編輯 李發(fā)榮）

表彰會(huì)上多么榮耀

1月30日，在中國(guó)石化天然氣分公司總結(jié)表彰會(huì)上，一批先進(jìn)生產(chǎn)單位、勞動(dòng)模范得到表彰。在過(guò)去的1年中，該公司市場(chǎng)空間不斷擴(kuò)大，市場(chǎng)經(jīng)營(yíng)區(qū)域由國(guó)內(nèi)12個(gè)省份擴(kuò)展至20個(gè)省份，基本覆蓋了國(guó)內(nèi)天然氣需求旺盛的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，主干管網(wǎng)年經(jīng)營(yíng)氣量近150×108m3，安全生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)各項(xiàng)指標(biāo)全面完成。

胡慶明 攝影報(bào)道

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.04.003

2015-10-31

顧強(qiáng)，工程師，2005年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）（計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)），從事自動(dòng)化儀表管理工作，E-mail：guqiang@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶市薩爾圖區(qū)奔二村儲(chǔ)運(yùn)銷(xiāo)售分公司儲(chǔ)運(yùn)保障大隊(duì)，163453。