液化石油氣管道優化設計

畢 瀠，韓 鋼, 劉德俊，官學源，于德龍

（1. 遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順113001; 2. 舟山實華原油碼頭有限公司，浙江 舟山 330900 ; 3. 新疆油田公司工程技術研究院，新疆 克拉瑪依 834002）

液化石油氣管道優化設計

畢 瀠1，韓 鋼2, 劉德俊1，官學源3，于德龍1

（1. 遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順113001; 2. 舟山實華原油碼頭有限公司，浙江 舟山 330900 ; 3. 新疆油田公司工程技術研究院，新疆 克拉瑪依 834002）

液化石油氣管道建設周期長，投資大，且影響總費用的因素眾多，而管道的優化設計直接決定著管線的經濟性和可行性，因此，建立液化石油氣管道數學模型，對液化石油氣管道設計進行優化具有重要的研究意義。在綜合考慮了影響液化石油氣(LPG)管道總費用的各項因素，并以此基礎，建立液化石油氣管道的總費用為最小目標函數，以管道的管道強度、水力、穩定性為約束條件建立數學模型。并用VC++進行數值求解。通過算例計算得出，當管徑為?114× 3.2時，可使總費用達到最小值。該數學模型能夠全面反映出各因素對總費用的影響，對相關的液化石油氣管道優化設計具有一定的參考價值。

液化石油氣；目標函數；數學模型；約束條件

液化石油氣管道建設具有投資大，建設運行周期長，經營費用高的特點，能否確定較優的方案直接關系到管線的經濟性和可行性。液化石油氣管道總運行費用包括管道建設費用和泵所需的電費[1]。管道的壓力對管道的建設費用和動力費用有一定的影響，為防止液化石油氣在管內氣化，管內的每一點壓力必須大于輸送溫度下的飽和蒸汽壓，但是壓力越大，壁厚就越大，對所需費用有顯著的影響[2-8]。

本文在給定輸量的前提下，求解變量，使管道在其壽命期內總費用最低。并以總費用最低為目標函數，提出一個合理的液化石油氣管道設計經濟模型[9]。

1 數學模型

液化石油氣管道總運行費用主要由管道建設費用和泵的電費用組成。

1.1 液化石油氣管道壽命期內總費用為目標函數

1.1.1 管道的建設費用[10,11]

1.1.2 泵設備的電費

式中：F1m— 管道建設費用，元；

F2m—泵設備用電費用，元；

a0,a1,a2—管道投資因數；

P—貸款，元；

i—年利率；

n—年限；

ρ—液態LPG密度，t/m3；

Q—流量，m3/ s；

H—揚程，J/kg;

T—運行時間，h；

e0—電價，元/(kW·h-1)；

η—泵組效率。

根據雷諾數判斷液化石油氣的流態。牛頓流體雷諾數：

式中：γ—液化石油氣的運動粘度，m2/s。

e—管壁的絕對當量粗糙度，m。

根據各流態管段的摩阻選擇泵牛頓流體沿程摩阻損失：

1.2 約束條件

（1）管道強度約束[12,13]管道的壓力必須不大于管子的允許最大操作壓力。

式中：δ—管壁計算厚度，mm；

σ—管材最低屈服強度，MPa；

F—強度設計系數；

Φ—管道縱向焊縫系數。

（2）穩定性約束條件

管道設計時所選擇的壁厚，在任何情況下，不得小于根據剛性要求確定的最小壁厚。鋼管的外直徑與壁厚的比值不應大于140。

式中：C—管徑與壁厚比值限制。

（3）在運輸過程中，要求管道中任何一點的壓力都必須高于管道中液化石油氣所處溫度下的飽和蒸汽壓。

式中：P任—管道內任意一點的壓力，MPa；

P飽—液化石油氣所處溫度下的飽和蒸汽壓，MPa。

總數學模型為：

依據圖1程序求解該數學模型。

圖1 液化石油氣管道運行費用數學模型求解程序框圖Fig.1 Solving program model diagram of gas pipeline liquefied petroleum mathematical operation cost

2 算 例

某液化石油氣管道，已知管道長為31.4 km,由于地勢平緩，站間高差忽略不計，輸量為 1.7×105t/a。在恒定溫度為20 ℃下輸送，液化石油氣液態的密度為449 kg/m3，飽和蒸汽壓為0.82 MPa，管道投資因數a0，a1，a2分別為-2.604、40.35、371.2，當地電費1元/(kw·h)。根據上面的分析，對液化石油氣管道的總費用進行優化設計。優化結果見圖2和表1。

圖2 管道的壓降線Fig.2 Pipeline pressure drop line

表1 算例管道的最優運行方案Table 1 The optimal operation scheme for example 1 pipeline

3 結 語

目前，關于液化石油氣管道設計優化的研究較少，多為石油運輸管道的優化設計。液化石油氣管道建設具有運行周期長，投資大等特點，且液化石油氣容易氣化，對壓強和溫度的要求較高，因此，影響因素更加復雜。本文在綜合考慮各項因素的前提下，列舉三個約束條件：一是管道強度約束條件，管道的壓力必須不大于管子的允許最大操作壓力；二是穩定性約束條件，管道壁厚在任何情況下，不得小于剛性要求確定的最小壁厚；三是管道中任何一點的壓力都必須高于管道中液化石油氣所處溫度下的飽和蒸汽壓，最終以石油天然氣管道總費用的最小值為目標函數確定數學模型。經算例可知，在管徑為?114.3×3.2時，可使總費用達到最小值。研究證明，本文得出的數學模型和算法切實可行，以期為相關的設計研究提供參考。

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［3］嚴銘卿.液化石油氣露點的直接計算[J].煤氣與熱力, 1998,18(1):20-23.

［4］尹正中.液化石油氣淺埋管道輸送再液化的分析與計算[J].煤氣與熱力, 1998(3):27-29;37.

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［6］孫 偉.氣態液化石油氣管道供氣再液化分析[J].煤氣與熱力, 2001 (1):78-81

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［9］楊廷覺.輸氣管道的簡單經濟模型[J].油田地面工程,1986,5 (6):1-7.

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環保趨嚴推高印染上游的染料價格

2014年 9月左右，國內還原物主要生產廠家—寧夏明盛染化有限公司(下稱“明盛染化”)老廠區因非法排污而被勒令永久性關閉，而公司新廠在短期內又無法投產，導致還原物價格暴漲。還原物為生產分散染料的重要中間體，因此分散染料由此進入持續上漲行情。

2015年10月底，染料龍頭企業浙江龍盛及閏土股份等皆率先上調了分散深藍產品價格2000元/噸。相對于其他分散染料，還原物在分散深藍生產成本中所占比重最大。

去年年底，分散深藍系列染料價格再次上漲5000-10000元/噸,漲幅高達12%～23%。占分散染料約50%的黑系列也隨著跟漲。今年1月19日，分散染料藍系列主要規格再度漲價5000元/噸，分散紅系列同步漲價2000元/噸。至此，分散染料已基本完成全面提價的目標，其中分散深藍系列染料累計漲價逾10000元/噸，目前均價已在5.5萬元/噸以上;分散黑系列已普漲5000元/噸左右。

除了分散染料，紡織印染另一必需的活性染料也進入上漲行情。2014年上半年，受江蘇地區環保核查趨嚴影響，位于該區域的國內兩家主要h酸生產企業江蘇明盛、江蘇吉華均被停產，導致h酸市場供應緊張，價格大幅上漲。

h酸為生產活性染料的主要原料，占比總成本的30%-50%。受成本推動，活性染料價格去年底開始進入上漲行情。今年1月11日，國內另一主要活性染料及中間體企業湖北省楚源化工集團旗下染料公司發生鍋爐管道泄漏事故，引發大火，使原本供求緊張的染料生產鏈雪上加霜。楚源化工集團年產h酸4萬噸、對位酯4萬噸和活性染料5萬噸，是全球最大的染料中間體及活性染料生產企業之一。

近期，浙江龍盛和閏土股份也上調活性染料價格，漲幅高達5000-8000元/噸，目前，活性染料價格已經達到3萬元/噸以上，相比去年底漲幅高達16%。

據安信證券研究報告分析，染料產品價格上漲主要是受到環保壓力的影響，中小企業將在此期間被逐步淘汰。染料身處高污染行業減排壓力將持續存在，在此嚴峻形勢下，未來行業整合速度有望加快，染料價格有望進一步上漲。

染料漲價給印染企業帶來了新考驗。據中國紡織工業聯合會統計，去年前 11個月受染料暴漲等因素影響，印染企業利潤下降了大約 6.5%。去年底到今年，染料產品價格更是暴漲，印染企業利潤或將被吞噬殆盡。

不過分析人士指出，長期以來，印染行業上游染料企業產能集中，而下游印染企業產能分散，導致下游企業對染料價格上漲沒有議價能力。隨著《排放標準》即將出臺，印染企業的行業集中度有望提升，有利于印染上下游議價平衡。

Optimization Design of Liquefied Petroleum Gas Pipeline

BI Ying1，HANG Gang2，LIU De-jun1，GUAN Xue-yuan3，YU De-long1

（1. College of Petroleum Engineering，Liaoning Shihua University，Liaoning Fushun 113001，China；2. Zhoushan Shihua Crude Oil Dock Co.,Ltd., Zhejiang Zhoushan 330900, China; 3. Technology Research Institute of Xinjiang Oilfield Company, Xinjiang Karamay 834002，China)

The construction of liquefied petroleum gas pipeline has long period and large investment, and it is affected by many factors. Economy and feasibility of pipelines are directly determined by the optimization of design. Thus, it is significant that establishing liquefied petroleum gas pipeline mathematical models for optimizing the design of liquefied petroleum gas pipeline. In this paper, various factors to affect the cost of LPG pipelines were considered during the analysis of total operation cost of LPG pipeline. The mathematical model was established with the total cost of LPG pipeline as the minimum objective function, and the strength, hydraulic and stability of pipeline as the constraint conditions. The minimum value of total cost was obtained by example calculation with VC++. When the diameter of pipeline is Φ114× 3.2, the total cost is the minimum value. This mathematical model can reflect the influence of various factors on the total cost, and it has certain reference value to the related optimization of liquefied petroleum gas pipeline.

Liquefied petroleum gas；Objective function；Mathematical model; Constraint conditions

TE 624

： A

： 1671-0460（2015）03-0612-03

2014-10-13

畢瀠（1989-），女，遼寧撫順人，碩士，畢業于遼寧石油化工大學，研究方向：液化石油氣管輸研究。E-mail：358481056@qq.com。

劉德俊（1967-），男，副教授，碩士，研究方向：原油及成品油管道輸送技術研究。E-mail：ldj8448@163.com。