一摻多回流程摻水參數優(yōu)化

賀鳳云，陳 斌

（東北石油大學， 黑龍江 大慶 163311）

一摻多回流程摻水參數優(yōu)化

賀鳳云，陳 斌

（東北石油大學， 黑龍江 大慶 163311）

大慶油田某區(qū)塊采用一摻多回的摻水集輸流程，但在系統(tǒng)運行過程中，能耗大，運行費用高等問題日益凸顯。為降低摻水系統(tǒng)能耗，針對一摻多回摻水集油流程，以摻水量、摻水溫度為設計變量，系統(tǒng)運行費用最低為目標函數，壓力、溫度為約束條件，建立能耗關聯模型。利用混合懲罰函數法和改進的共軛方向法對模型求解，得到摻水系統(tǒng)的最佳摻水溫度與最佳摻水量。與優(yōu)化前相比,一摻多回流程摻水系統(tǒng)年摻水量降低27 841 t，摻水溫度降低5.5 ℃，每年可節(jié)約能耗費用6.95×105元。

摻水輸油；參數優(yōu)化；數學模型；能耗

由于電加熱集輸系統(tǒng)運行過程中，電加熱帶容易損壞且不易于管理，大慶油田某區(qū)塊集油系統(tǒng)在2012將電加熱集油流程改為一摻多回的摻水流程，實現了轉油站集中控制摻水量、摻水溫度[1]。但一摻多回摻水系統(tǒng)仍存在集油環(huán)長，摻水調節(jié)困難、運行費用高等問題。因此，本文以一摻多回流程摻水系統(tǒng)的運行費用最低為目標函數建立優(yōu)化模型，對該系統(tǒng)的摻水溫度及摻水量進行優(yōu)化。在保證正常生產條件下，使系統(tǒng)能耗降到最低。

1 能耗關聯模型的建立

通過對一摻多回摻水系統(tǒng)進行分析，以系統(tǒng)的運行費用最低為目標函數，建立數學模型如下[2]：

式中：f—日總能耗費用，元；

fT—日熱力費用，元；

fP—日動力費用，元。

1.1 熱力費用

通過對摻水系統(tǒng)進行分析，系統(tǒng)的熱力損失主要是介質沿管線動的過程中向外界散失的熱量，將其折算成熱力費用如下：

式中：αT—天然氣價格，元/m3;

QT—管道總散熱損失，J/s;

t—管道的日運行時間，s;

ηT—設備的熱效率;

QDW—天然氣低位發(fā)熱值，J/ m3。

圖1 一摻多回流程示意圖Fig.1 The diagram of crude transportation progress of multi-return after blending water from one station

1.2 動力費用

集輸系統(tǒng)的動力損失主要是指流動介質在管道內的壓力損失。動力費用可按下式計算：

式中：αP—電價，元/（kW·h）；

QP—管道的壓力損失，J/s；

t—管道的日運行時間，s；

ηP—設備的效率；

R—電能折算系數（當量熱值），J/(kW·h)。

1.3 約束條件

為了保證油井的正常生產，必須控制端點井井口回壓在運行范圍內，一般不超過1.0 MPa；出轉油站的壓力一般不高于2.0 MPa；進站（轉油站）的壓力不高于0.2 MPa, 進站溫度要高于原油凝點3~5℃[3]。

2 模型求解

本文所建立的數學模型，屬于約束非線性規(guī)劃問題，即涉及變量比較多，筆者利用VB編程，用混合懲罰函數法將約束優(yōu)化轉換為無約束優(yōu)化，再用改進的共軛方向法進行求解[4,5]。求解步驟如下：

（2）以為初始點，利用黃金分割法求無約束優(yōu)化的極小值，即求：

（a）以x0為初始點，利用黃金分割法,沿s1=e1，s2=e2，…，sn=en（其中e1, e2,...,en為n階單位矩陣）求f(x)極小，x1,x2,...，xn，及fi=f(xi),幵求出m和Δm。

（b）求q=xn-x0。由xn沿q搜索得到xn+1。

（c）判斷k= n，若是，轉入(d),否則，轉入(e)。

（e）判別是否滿足

(f0-2fn+f*)(f0-fn-Δm)2＞(f0-f*)2Δm或f(2xn-x0)≥f0。若滿足，則搜索方向不變，令f0=f( xn)，x0=xn,返回步驟（b），否則另q代替其中的一個方向，另x0=xn+1，返回步驟（a）。

（3）若極優(yōu)解xn+1滿足(ε=0.000 1)，則xn+1即為最優(yōu)解，否則令x0=xn+1，rk+1=Crk，k=k+1；返回步驟（2）。

根據以上求解步驟，編制了一摻多回摻水系統(tǒng)的參數優(yōu)化軟件。該軟件由數據導入模塊、管段末端溫度，壓力計算模塊、參數優(yōu)化模塊、數據輸出模塊、及圖形顯示模塊組成，能夠實現計算系統(tǒng)各管段端點的溫度壓力計算、各管道能耗費用計算及參數優(yōu)化計算等功能。

3 應用實例與結果分析

本文以大慶油田某區(qū)塊集油系統(tǒng)中計量間2為例進行優(yōu)化計算。該間所轄集油環(huán)4個，油井78口。優(yōu)化前的熱水出站溫度 73 ℃，計量間日摻水量為299 t，日能耗費用為5 106元。通過優(yōu)化計算，在保證進站溫度38 ℃，進站壓力0.15 MPa的條件下，優(yōu)化后的日摻水溫度為67.5 ℃時，日摻水量為288 t，日能耗費用為4 720元，管網運行費用比優(yōu)化前降低了7.56%。優(yōu)化后的計算結果如表1所示。

4 結束語

a) 一摻多回流程實現了在轉油站集中優(yōu)化調節(jié)各個環(huán)的摻水溫度和摻水量，提高了摻水參數的

準確性，保證摻水系統(tǒng)平穩(wěn)運行。

b）建立了一摻多回流程能耗關聯模型，采用混合懲罰函數法和改進的共軛方向法對模型進行求解，利用Visual Basic語言編制摻水參數優(yōu)化軟件，該軟件的收斂性好，幵且收斂速度快，可用于摻水溫度、摻水量優(yōu)化計算及各管段壓降、溫降計算。

c）利用摻水參數優(yōu)化軟件對大慶油田某區(qū)塊集油系統(tǒng)計量間2進行實際運算，優(yōu)化后摻水溫度為67.5 ℃，優(yōu)化前73度,下降了7.5% ；年摻水量為1.05×105t，優(yōu)化前1.09×105t（按365 d計算），下降了3.7 %；優(yōu)化后運行費用降低7.56%。

d）該區(qū)塊共有計量間5座，集油環(huán)16個，所轄油井 401口，其中在用油井 391 口，根據優(yōu)化結果，年節(jié)約摻水27 841 t ,節(jié)約運行費用6.95×105元。

表1 大慶油田某區(qū)塊集油系統(tǒng)各計量間2優(yōu)化結果Table 1 Results of optimizing for metering plant 2 at some oil gathering and transporting system of Qi jiabei oil transfer station

［1］李心凱, 孫延明, 胡琪,等. 摻水集油參數優(yōu)化研究[J]. 石油化工應用, 2013, 32(5): 116-17.

［2］謝正芳. 摻水控制工藝分析[J]. 化學工程與裝備,2012,(8): 114-117.

［3］李青民.井口回壓對站外集油系統(tǒng)的影響[J].當代化工,2011,40(7):713-715.

［4］王云.改進的目標罰函數及性質[J].重慶理工大學學報,2011,25(9):11 4-117.

［5］史文譜,劉迎曦,鞏華榮,等. 黃金分割法在無約束多元優(yōu)化問題中的應用[J]. 曲阜師范大學學報, 2013,35(2):12-14.

表1 冷劑量與回流量的關系Table 1 The refrigerant-back flow data

圖3 回流量與冷劑量的相關性Fig.3 The correlation of refrigerant and back flow

繪成圖后如圖3所示。

如圖3所示，預脫甲烷塔的回流與冷劑的變化趨勢及量都基本相同。在生產中，操作人員可以通過調節(jié)再沸量，觀察冷劑量來確定大概的回流量，回流量的變化一般比冷劑用量滯后約6～8 min。

4 結束語

目前，該套裝置的三座自回流式精餾塔在輕組分分離過程中的應用十分成功，其中預脫甲烷塔塔頂丙烯的損失為 5×10-7%(vol)，塔釜甲烷損失為 1 ×10-8%(vol)，尾氣精餾塔塔頂乙烯損失為0，脫甲烷塔塔頂乙烯損失為 0，塔釜甲烷損失為 2× 10-8%(vol)。和傳統(tǒng)的精餾設備相比，自回流式精餾塔具有明顯的優(yōu)勢，其在輕組分之外的領域還會有更廣闊的發(fā)展。

Water-blended Parameters Optimization of Crude Transportation Process With Multi-return After Blending Water From One Station

HE Feng-yun, CHEN Bin
（Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163311，China）

At present, the water-blended crude transportation process with multi-return after blending water from one station was used in the oil gathering and transporting system in an oil transfer station. However, during the operation of the system，the problem of high energy consumption and large operation cost was increasingly prominent. In order to reduce the energy consumption of water-blended system, a model of related energy consumption was established with the water-blended amount and the water-blended temperature as the design variables, the minimal energy consumption cost as the objective function, the pressure and temperature as restrain conditions. The mathematical model was solved by using POWELL method and mixture SUMT method, the best water-blended temperature was obtained as well as the best water-blended amount. Compared with the situation before optimization, the annual water-blended amount was reduced by 27 841 tons, the water-blended temperature was reduced by 5.5 ℃, in addition, the annual operation cost was reduced by 6.95×105 Yuan.

Water-blended crude transportation; Parameters optimization; Mathematical model; Energy consumption

TE 832

A

1671-0460（2014）09-1739-03

2014-01-16

賀風云，女，黑龍江大慶人，教授，博士研究生，1988年畢業(yè)于大慶石油學院石油工程專業(yè)，1996年獲該學院油氣田開發(fā)工程碩士學位，2008年獲得博士學位，現從事油氣集輸及采出液處理方面的研究，1461322868@qq.com。

陳斌（1989-），女，油氣集輸及礦場加工。E-mail：373904324@qq.com。