峰谷電價體制下成品油管道優化運行

蔣洋 陳世一（中國民航大學）

峰谷電價體制下成品油管道優化運行

蔣洋 陳世一（中國民航大學）

建立了峰谷分時電價體制下泵站單機組變轉速優化運行的數學模型，考慮了流態變化對計算結果的影響；以一條成品油管道為例，考察電費的節約比例隨日輸量及輸送介質的變化規律。結果表明，峰谷電價體制下，成品油管道具有一定的優化運行降低耗電成本的潛力，但是，電費的節約比例在隨日輸量以及輸送介質的不同而變化，必須根據不同管道的具體情況來確定每天的最優流量和轉速匹配，使管道發揮最大的節能潛力。

成品油管道 峰谷電價 優化運行

引言

峰谷電價是指根據用戶的用電情況，將每天的時間分為峰時、平時、谷時三個時段，或者峰時、谷時兩個時段，分別對各個時段制定不同的用電價格，以此來促使用戶改變用電方式，主動地削峰填谷，減小用電高峰時段供電設施的負擔。我國從上世紀80年代開始實行分時電價制度，近幾年來逐漸普及推廣，取得了十分顯著的社會效益和經濟效益，緩解了用電緊張的狀況[1]。目前，研究人員在礦山給排水、水電站、自來水廠、南水北調等領域進行了大量優化運行的研究工作，眾多優化模型已經在工農業生產實際中得到了廣泛應用，峰谷電價體制所帶來的經濟效益和社會效益日趨明顯。

成品油管道運行過程中，泵機組消耗的動力費用在整條管道經營成本中占有很大比例，如果利用峰谷電價機制，適當調整管道的運行方案，合理確定一天中不同時段的輸油流量，加大低谷時段的流量，減小高峰時段的流量，使管道既能完成每天的輸油任務，又能使全天的耗電成本降到最低，一定程度上降低管道的輸油成本，達到管道優化運行的目的[2]。但是，從安全角度考慮，不能無限制地增加谷時流量，以防止超出管道的最大承壓，所以，對輸量的調整必須控制在一定的范圍內。

為了簡化問題，便于討論，做如下假定：

◇該管道是一條簡單管道，只有首站對油品進行增壓，沿途不再設中間加壓泵站，沿途沒有分輸和注入；

◇首站只有1臺工作泵，并且可以通過調節轉速來調整管道的流量。

1 數學模型

將每天分為三個時段。設第 j時段（ j=1，2，3，分別對應峰時、平時、谷時）電價為Cj元/ kWh，每天運行 tj小時；該時段泵機組轉速為njr/min，功率為NejkW；該時段管道流量為qjm3/h，每天的計劃輸量為Qm3，由此可得優化問題的數學模型：

qj≤Qmax（管道最大輸量要滿足管路最大承壓的約束） （3）

目標函數中，泵機組耗電功率Nej的計算可以通過以下公式進行計算：

（4）式中Hj為此流量下泵機組的揚程，即該時段管道所消耗的摩阻損失，它的計算要根據達西公式[3]進行。在不同的流態下，達西摩阻系數有不同的計算方法，具體計算及公式在文獻[3]中有詳細介紹。當流量發生變化時，需重新確定流態，根據文獻[3]介紹的方法，確定該時段摩阻系數的具體數值。ηj為此時段泵機組的效率，由于泵機組此時為變轉速運行，根據相似工況下泵的效率不變[4]原理，若想確定 ηj，必須先計算流量 qj在額定轉速n0下所對應的相似點 q0。泵機組額定工況下的特性方程H=A-BQ2-m已知。將通過達西公式求出的摩阻Hj和此時流量qj代入下式中可以求出此時段泵機組的轉速nj：

根據離心泵調速運行時流量與轉速的關系公式可以求出相似點q0，進而可以求出此時泵機組的效率。

當經過上述算法計算得到的最大流量，即低谷時段的流量q3超出管線承壓所限制的最大流量Qmax時，q3受管材承壓限制不能繼續增大，此時令q3=Qmax，為已知量，根據（2）式，用 q1表示q2，此時，每天的耗電成本 S是關于 q1的一元函數，可以通過最優化方法中的二分法來求解最優的流量和轉速匹配。

通過上述算法解得最優的流量匹配以及對應的泵機組轉速匹配，保證了管道安全穩定地運行，完成每天計劃輸量，同時，將泵機組耗電成本降到最低，達到優化運行的目的。

2 算例分析

某成品油管道全長135 km，首站高度3.5 m，末站高度33 m。該管道采用Φ323.9 mm×6.4 mm的管徑。管壁粗糙度為0.1 mm。年任務輸量250×104t。泵機組的額定轉速為2980 r/min。首站所在地區峰時電價為 1.32元/kWh，平時電價為 0.88元/ kWh，谷時電價為0.44元/kWh，各時段每天均運行8 h。該管道輸送介質有：0號柴油、航空煤油、90號汽油。各種油品在輸送溫度下的主要物理性質如表1所示。

表1 輸送介質的物理性質

現分別考察當管道輸送上述3種介質時每天耗電費用的節約比例隨日輸量的變化規律，計算結果如圖1所示。以0號柴油為例，隨著日輸量的增大，耗電成本的節約比例先是緩慢上升，并且，上升的趨勢在逐漸趨于平緩，在日輸量為7000 m3附近，達到最大值；此后節約比例隨流量的增加開始緩慢下降，下降的趨勢逐漸增加；當谷時流量發生超壓時，由于受管材承壓限制，該時段流量無法進一步增大，此后，節約百分比隨日輸量的增加而急劇下降。

圖1 不同輸送介質的電費節約比例隨日輸量的變化

產生上述結果的原因主要有兩個方面：首先，由達西公式可知，管道的摩阻損失與流量的平方成正比，用電低谷時段，管道中的流量達到全天的最大值，在日輸量較小的情況下，低谷時段分配到的流量也較小，該時段的摩阻損失保持在較低的水平，低谷時段的流量進一步增大時，該時段的摩阻損失顯著增加，泵機組的耗電功率隨之劇增，使得全天用電成本的節約百分比開始下降；其次，當谷時流量達到管材承壓限制的最大輸量Qmax時，為保證管道安全運行，該時段的流量必須保持在Qmax以內，通過增加谷時流量來減小耗電成本受到了限制，加劇了用電成本節約比例的下降趨勢。

從圖1還可以得出，在保證各時段輸量不超壓的前提下，組分越重，同一日輸量所對應的電費節約比例越大。隨著油品密度和黏度的減小，電費節約比例的最大值也在減小，并且該最值所對應的流量在增大。在輸送輕質油品時，由于密度和黏度較小，增加谷時輸量對節約比例的影響不大，所以，此時節約比例隨日輸量的增加而緩慢上升直至谷時輸量達到管材承壓限制的最大流量為止，此后開始急劇下降。

通過以上的分析可知，對于一條確定的管道，應該合理安排每天的輸量，將用電低谷時段的流量控制在合適的范圍內，盡量避免該時段流量超壓情形的出現，最大程度地節約用電成本。

3 結論

計算分析表明：在峰谷電價體制下，建議將管道日輸量保持在適中的范圍內，這樣才能最大程度地發揮其節能降耗的潛力，當日輸量太小或太大時，分時輸送的作用效果受到了管道本身特性的制約，此時建議采用平均流量進行輸送；對于一條具體的管道而言，分時輸送的流量和泵機組的轉速匹配取決于管道的特性、輸送油品的物理性質以及當地峰谷電價的定價規則。

[1]趙娟,譚忠富,李強.我國峰谷分時電價的狀況分析[J].現代電力,2005,22(2):82-85.

[2]康正凌,宮敬,梁永圖.成品油管道運行電費優化研究[J].天然氣與石油,2011,29(2):1-24.

[3]楊筱蘅.輸油管道設計與管理[M].山東：中國石油大學出版社,2006:36-38.

[4]姬忠禮,鄧志安,趙會軍.泵和壓縮機[M].北京:石油工業出版社,2008:32-33.

[5]薛家慶.最優化原理與方法[M].北京：冶金工業出版社, 2008:67-77.

鉆井巖屑巧變環保磚塊

2013年10月21日，中國石化華北分公司鉆井隊在鄂爾多斯盆地鉆井生產。當日，中國石化華北分公司部署在大牛地氣田第四口環保井DPS-65井鉆至2000多米。該井首次采用國內“鉆井泥漿不落地裝置”，鉆井泥漿由400 m3的軟體罐盛放，節省了1200 m3的鉆井泥漿池子。鉆井泥漿經多級過濾和電化學處理后，可實現循環利用，將井底返出的巖屑制作成建筑、鋪路用的環保磚塊和碎石塊，徹底解決了鉆井巖屑和廢液處理的難題。單井產生的巖屑可制成15萬塊磚，在國內鉆井生產中攻克鉆井廢棄物處理的難關，為鉆井清潔生產和綠色開發提供了有力保障。

胡慶明攝影報道

鉆井生產

壘放環保磚塊

巖屑處理

10.3969/j.issn.2095-1493.2014.002.001

2013-12-10）

蔣洋，在讀碩士研究生，現就讀于中國民航大學（油氣儲運工程專業），E-mail：xuezaifei.happy@163.com，地址：天津市東麗區津北公路2898號中國民航大學北校區北二公寓104室，300300。