原油管道運行方案模擬與能耗核算

陳海宏

（中國石油大學（北京）， 北京 昌平 102249）

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原油管道運行方案模擬與能耗核算

陳海宏

（中國石油大學（北京）， 北京 昌平 102249）

摘 要：在分析原油管道的運行特性的基礎上，分別建立了站間管段流動和站內流動的穩態模擬計算模型，并將所建立的模型編寫成計算機程序。在完成管道建模的前提下，將實際運行方案輸入所編寫的計算機程序，進行水力、熱力模擬，檢驗并校準管道運行方案模擬與能耗計算的模型。

關 鍵 詞：原油管道；能耗核算；穩態模擬；模型校核

1 前 言

隨著國家對節能工作要求的日趨提高，節能管理更加深入與細化，節能管理體系建設已經成為油氣管道運營管理的重要內容。為了加強能耗管理，全面掌握油氣長輸管道高耗能設備的運行狀況，指導調度人員制定合理可行的運行方案，提高能源的利用率，促進節能降耗，提高經濟效益，管道公司提出了對原油長輸管道能耗測算的需求［1，2］。原油長輸管道的生產能耗主要由泵機組耗電與加熱爐耗油組成。進行生產能耗測算之前，需要分析長輸管道管內油流的水力、熱力特性及站場設備的運行特性，并建立油流水力、熱力仿真模型和能耗測算模型。仿真模型、管道模型參數、實際運行方案直接決定了能耗測算結果。

本文主要目的是在完成管道建模的前提下，檢驗管道穩態計算模型，校核模型參數從而提高管道運行能耗測算精度。

2 仿真模型

2.1 軟件設計

圖1為程序總體框圖。

圖1 程序總體框圖Fig.1 The Overall Framework of Program

程序主要功能是對實際運行方案進行水力、熱力模擬與運行能耗計算。一共可分為三個模塊：數據輸入模塊、模擬計算核心模塊、數據輸出模塊，其中模擬計算核心模塊包括站間水力、熱力模擬子模塊和站內設備模擬子模塊。

2.2 原油管道系統分析

按照系統工程的觀點，一條熱油管道就是一個具體的系統。如果僅從輸油過程考慮，則該系統可以分為三大子系統：輸油站、站間管段及管內流動的原油。加熱管道的運行實質上是系統中各子系統之間以及系統與環境之間相互作用的過程。而從能量角度看，它又是系統與環境之間的能量平衡過程。

按照輸油方式，輸油站可以分為開式和密閉輸送。按照組成方式，輸油站分為熱站、泵站、熱泵站三種類型。按輸量變化，輸油站可以分為注入站或分輸站。管道輸送原油過程中存在著兩方面的能量損失：摩阻損失和散熱損失。管內原油流動過程中的散熱損失，引起油溫的變化，油溫的改變引起原油物性參數的變化，而原油的物性又會引起原油流動狀態的改變，流動狀態的改變又會反過來影響管內原油的傳熱。一方面，原油的摩阻損失與流量、物性參數（粘度）有關；另一方面，原油的散熱損失與流量、摩阻有關。因此輸送過程中的散熱損失和摩阻損失是相互影響的［3］。

2.3 總體流程圖

用戶輸入數據后，軟件通過數據輸入模塊將數據傳到模擬計算模塊，再將模擬結果通過數據輸出模塊輸出（圖2）。

圖2 程序總體流程圖Fig.2 The Overall Flowchart of Program

2.4 站間管段水力、熱力穩態仿真模型［4-14］

原油在管內穩定流動是散熱損失與摩阻損失相結合的過程，建立的水力、熱力仿真模型應包含這兩個過程。考慮到在流動過程中，原油物性參數在沿線發生變化，故在管道沿線的溫降和壓降計算中采用以管段里程為步長有限分段的計算方法。而且在分段計算中的溫降和壓降計算是同時進行的。圖3為站間水力、熱力計算流程圖，圖中Tf［a］為油品反常點，LC［I］為輸油站I距管道起點的里程，l為計算步長。算法中高程、密度、粘度、稠度系數、流動行為指數均采用線性內插法求解，并聯泵組合方程采用Newton-Raphson迭代法求解。

2.5 輸油站能耗測算模型

原油管道穩定、安全運行所需的能耗包括泵爐設備能耗和輔助生產能耗。本文主要研究泵爐設備能耗的計算。泵爐設備能耗包括燃料消耗和電力消耗。其中，燃料消耗主要是由加熱爐組合運行產生，電力消耗主要是由泵組合運行產生（圖4）。

圖3 站間水力、熱力計算流程圖Fig.3 The Flowchart of the Hydraulic and Thermodynamic Calculation

圖4 輸油站模擬計算流程圖Fig.4 The Flowchart of the Simulation of Station

表1 管線實際運行參數Table 1 The Real Operation Parameters of Pipeline

表2 管線模擬運行參數Table 2 The Simulated Operation Parameters of Pipeline

表3 模擬的運行參數與實際的運行參數偏差Table 3 The Operation Deviation Between the Simulated and the Real Operations

表4 模擬與實際的站間溫降、摩阻偏差Table 4 The Temperature and Friction Deviation Between the Simulated and the Real Operations

表5 模擬與實際的站內壓升、節流前總壓頭的偏差Table 5 The Pressure Deviation Between the Simulated and the Real Operations

表6 模擬與實際的中間熱站過爐溫升偏差Table 6 The Temperature Deviation Between the Simulated and the Real Operations

3 實例分析

以中國某熱油管道為例，管道全長454.25 km，干線管徑Ф720 mm×8（9） mm。全線設有9座輸油站（D1～D9），其中D1為首站，D9為末站。輸油泵機組與加熱爐配置情況：D2（1爐）、D3（3泵2爐）、D4（4泵2爐）、D5（4泵3爐）、D7（3泵3爐）、D8（3泵3爐）。以該管道歷史某月份的運行數據，對本文建立的仿真模型進行測試，測試結果見表1-6。

從表1-6可以看出：管道沿線各輸油站進溫、進壓、站間摩阻、站內壓升、站內節流前總壓頭、站間溫降、站內過爐溫升的模擬值均與實際較符合。

4 結 語

本文主要建立了原油管道的穩態水力、熱力模擬與能耗計算的仿真模型。該仿真模型由輸油站站間管內流動模擬計算模型和輸油站站內流動模擬計算模型兩部分組成。對于站間沿程摩阻計算，采用了等長度分段確定管內原油的溫度和壓力分布；對于站內設備能耗模擬，考慮了分輸/注入、泵組合、加熱爐組合、節流這四個方面。

從某管道的小時報表中提取了某月份有效的數據，輸入到所編寫的程序，對該月穩定工況進行模擬，得到了與實際很接近的穩態水力、熱力仿真結果。

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Operation Simulation and Energy Consumption Calculation of Crude Oil Pipeline

CHEN Hai-hong
（China University of Petroleum， Beijing 102249， China）

Abstract:On the basis of analyzing the operation performance of crude oil pipeline， the station section and the internal station steady-state flowing simulation models were respectively established. And computer programs of the established models were also programmed. At last， the models were verified and calibrated by selecting stable operation throughput and inputting the actual operations recorded in running reports into the programmed computer programs for hydraulic and thermal steady-state simulations.

Key words:Crude oil pipeline； Energy consumption calculation； Steady-state simulation； Verifying models

中圖分類號：TE 832

文獻標識碼：A

文章編號：1671-0460（2016）02-0311-03

收稿日期：2015-11-14

作者簡介：陳海宏（1991-），男，江蘇建湖人，在讀博士，研究方向：油氣長距離管道輸送。E-mail：chen1020155185@163.com。