基于大數據的漠大原油管道優化運行及建議

孫法峰 鄧忠華 王顏全 郭 鵬 劉 楊 聞 峰

中國石油北京油氣調控中心, 北京 100007

0 前言

中俄原油管道國內段(以下簡稱“漠大原油管道”)是中國重要的能源戰略通道之一,填補了中國東北地區石油資源供應缺口,優化了國內油品供輸格局,對保證國家能源安全具有重要作用[1]。漠大原油管道為“雙線雙模式”運行,雙線為漠大原油管道一線(以下簡稱“漠大一線”)和漠大原油管道二線(以下簡稱“漠大二線”),雙模式為兩條管線可在兩種模式狀態下相互切換輸油泵機組運行,是目前唯一雙線同時運行并雙模式切換的輸油管道。全線采用常溫密閉輸送工藝,雙線有5座站場和34座RTU閥室合建,共28臺泵機組。漠大一線額定排量3 120 m3/h,最小連續排量1 600、1 200 m3/h；漠大二線額定排量2 130 m3/h,最小連續排量為950 m3/h[2-3]。受上下游庫存及吞吐量的影響,漠大原油管道的運行輸量隨境外輸量不斷調整,給管道的安全經濟運行帶來極大的挑戰,為解決輸量與運行能耗匹配問題,依托大數據研究平臺[4-6],對漠大一、二線運行參數和能耗等數據進行分析研究,給出運行輸量的合理化匹配[7-8],提供優化運行方案和建議[9],為漠大原油管道優化運行提供可靠的依據和技術支持。

1 階梯輸量優化

根據SCADA系統實時采集的相關壓力、流量、溫度、庫存等數據,站場輸油泵機組單體計量系統采集的小時耗電量等,結合實際運行工況,對相關數據進行統計分析,得出雙線配泵優化方案。

階梯輸量優化的影響因素較多,包括油品的物性、油溫、泵機組參數等。

1.1 沿程摩阻分析

沿線摩阻對配泵優化方案的影響較大,而影響沿線摩阻的則是管道輸量、油品物性和油溫等因素。

漠大原油管道外輸油源主要來自俄東西伯利亞—太平洋原油管道。近期以西西伯利亞原油為主,遠期以東西伯利亞原油為主,均為含蠟原油,含蠟率6.4%左右,膠瀝含量8.72%，析蠟點為13 ℃,在某一溫度范圍內存在析蠟高峰區[10-11]。俄油物性參數見表1。

表1 俄油物性參數表

自漠大二線投產后,境外來油輸量大幅上升,漠河來油溫度比同期增加7～10 ℃,平均升高56%,尤其是進入冬季油溫大幅增加,變化趨勢見圖1。漠大一線、漠大二線油溫變化趨勢基本一致,見圖2～3。

利用SCADA系統采集的進、出站壓力和輸量數據,繪制出漠大雙線各站間百公里摩阻變化趨勢圖見圖4～5。結合油溫變化及清管統計情況,分析得出:

1)漠大雙線摩阻隨輸量變化而變化,輸量越大,摩阻越大,其中漠河站—塔河站、塔河站—加格達奇站摩阻變化較其他站間較大,漠大一線為1.2～2.6 MPa/100 km,漠大二線為0.58～2.1 MPa/100 km。

圖1 2017-2018年漠河進站油溫變化趨勢圖Fig.1 Variation trend of oil inlet temperature inMohe station in 2017-2018

圖2 漠大一線2017-2018年油溫變化趨勢圖Fig.2 Variation trend of oil temperature inModa Line Ⅰ in 2017-2018

圖3 漠大二線2018年油溫變化趨勢圖Fig.3 Variation trend of oil temperature inModa Line Ⅱ in 2018

圖4 漠大一線各站間百公里摩阻變化趨勢圖Fig.4 Variation trend of friction per 100 kilometersbetween stations in the Moda line Ⅰ

圖5 漠大二線各站間百公里摩阻變化趨勢圖Fig.5 Variation trend of friction per 100 kilometersbetween stations in Moda line Ⅱ

2)結合油溫及俄油物性可發現,1～5月漠大一線漠河站—塔河站摩阻最高,且在相同輸量下不斷升高,對比油溫,此時該管段油溫6～18 ℃(漠河站油溫均高于13 ℃,該管段溫差較大),可判斷在此溫度區間存在蠟沉積高峰區,7～12月該管段摩阻大幅度下降,原因為該管段油溫大幅度上升,均維持在14 ℃以上,管線蠟沉積減弱或管壁蠟融狀態。

3)隨著油溫的升高或外輸量增加,蠟沉積高峰區向下游偏移[10],尤其是塔河站—加格達奇站站間區,此管段摩阻大幅上升,而站間油溫維持在6～15 ℃(5～8月)和8～15 ℃(9～12月)兩個區間,尤其在8～10 ℃附近,蠟沉積較為嚴重。

4)其他管段摩阻未出現升高跡象,站間油品溫度均維持在12 ℃以下(以9 ℃以下為主),且站間油溫差在1 ℃內,可見不存在析蠟高峰。

5)漠大二線為新投產管線,運行前期各站間管段摩阻基本一致,隨著時間的推移和油溫的變化,也出現2)和3)的情況。

6)通過對漠大一線、漠大二線摩阻分析，結合管線油溫變化,兩條管線摩阻變化趨勢和誘因基本一樣,站間油溫在6～13 ℃附近為俄油析蠟高峰區,易造成管道結蠟,摩阻升高(黏度影響較小)。著重清理塔河—加格達奇段,根據油溫變化可對漠河站—塔河段和加格達奇—訥河段進行清管,見表2。

表2 漠大雙線2018年清管統計分析表

1.2 站場能耗分析

受地理位置影響,漠大原油管道全線無燃料消耗,均為電能消耗。主要能量消耗是克服沿線摩阻和地形高差所需要的動能(電能)，工藝管線保溫伴熱所需的電能、儲罐保溫消耗的電能、站場采暖所需電能、自動化儀表以及通信設備等終端用電設備所需電能等。

其中非泵機組耗電占比較低,其耗電量隨著環境溫度規律變化,冬季運行非泵機組耗電占比上升,均在20%～30%,各站的比例變化趨勢基本一致,見圖6。

泵機組是管道輸送的主要耗電設備,約占總耗能的80%以上,根據采集的相關數據,得出泵機組的綜合效率及壓能匹配,不同輸量下泵機組的綜合效率[12-13]。

不同輸量下泵機組綜合效率及壓能變化,見圖7和表3。

圖6 漠大原油管道站場非泵機組耗電比例趨勢圖Fig.6 Power consumption ratio trend of Non-pump unitsin stations of Moda crude oil pipeline

圖7 漠大一線各站泵機組(定速泵)綜合效率及壓能隨輸量的變化趨勢圖Fig.7 Variation trend of comprehensive efficiency and pressure energyof pump units(constant speed pumps) in stations of Moda line Ⅰ

表3 漠大一線不同輸量工況下各站變頻泵提供的綜合效率和壓能表

由圖7和表3可以看出：

1)泵機組(定速泵)的綜合效率隨輸量的增加而增加,壓能則反之。因漠大一線增輸改造,漠河站和加格達奇泵站部分輸油泵葉輪切割改造,泵機組(定速泵)的綜合效率遠低于其他站場。相同輸量下漠河站0307#泵提供的壓能最高、電耗最高、效率最低；0305#泵提供的壓能最小,但綜合效率接近塔河站和訥河站。塔河站和訥河站泵機組的綜合效率最高,均在80%以上。

2)相同轉速下,泵機組(變頻泵)的綜合效率隨輸量的增加而增加,壓能則反之,其變化規律遵循其流量特性曲線。漠河站和加格達奇泵站變頻泵葉輪切割改造,綜合效率遠低于其他站場。泵機組(變頻泵)提供的壓能(轉速>2 800 r/min時)≥泵機組(定速泵)時,其耗電大幅度增加,效率降低,反之則效率最高,耗電較小。

3)漠大二線泵機組提供的壓能和綜合效率基本一樣,到達額定排量時耗電最高、效率最高。

1.3 階梯輸量配泵方案

根據摩阻變化規律及遵循優選最優能效泵機組原則,通過SCADA系統自動采集的壓力、流量等數據和泵機組單體計量系統采集的24 h耗電篩選,與同等條件下離線仿真結果對比,總結出雙線不同情況下的階梯輸量優化配泵方案[14-18]，見表4。

表4 漠大原油管道雙線階梯輸量優化配泵方案(清管前后)表

根據表4配泵方案,統計出雙線階梯輸量能耗變化，見圖8～9(輸量后“-”表示清管前),可知:

1)隨著輸量的增加,泵機組耗電量和提供的總壓能持續增加,且耗電量與輸量及壓能變化呈正相關趨勢。

2)相同輸量下,清管前后全線總耗電和總壓能明顯下降,總耗電降低0.7×104～4.0×104kW·h,總壓能降低0.4～2.0 MPa。

3)相同輸量下,漠大二線總耗電量和總壓能均小于漠大一線,且每提量100 m3/h,漠大二線的變化幅度均低于漠大一線(漠大二線1 900～2 000 m3/h除外)見圖10。即:根據漠大雙線能耗增幅,合理安排漠大雙線增減量工作。

圖8 漠大一線清管前后不同階梯輸量配泵全線耗電和總壓能變化趨勢圖Fig.8 Variation trend of power consumption and total pressureenergy of the whole line of the pump with different step transmissioncapacity of Moda line Ⅰ (before and after pigging)

圖9 漠大二線清管前后不同階梯輸量配泵全線耗電和總壓能變化趨勢圖Fig.9 Variation trend of power consumption and total pressureenergy of the whole line of the pump with different step transmissioncapacity of Moda line Ⅱ(before and after pigging)

圖10 漠大原油管道雙線能耗增幅變化趨勢圖Fig.10 Variation trend of the growth of energy consumptionfor Moda crude oil pipeline

2 雙線輸量匹配

由于受上下游庫容情況(庫容均為60×104m3)、境外來油和末站轉油小時輸量等條件的限制,為順利完成輸油任務,漠大原油管道雙線采用連續輸送方式,根據其能耗增幅情況優化匹配輸量(其中輸量組合為漠大一線升漠大二線降)[19-20]，見圖11～12。

1)同一輸量下,雙線輸量差越大,總耗電和總壓能也越大。

2)境外輸量3 900 m3/h時,采用平均輸量相鄰的兩個階梯輸量組合(優先啟運變頻泵),漠大二線運行輸量較低,為1 900 m3/h。

3)境外輸量4 000 m3/h時,采用平均輸量相鄰的兩個階梯輸量組合(優先啟運變頻泵),清管前,漠大一線運行輸量較低,為1 950 m3/h;清管后,漠大二線運行輸量較低,為1 900 m3/h。

4)境外輸量4 100 m3/h及以上時，采用平均輸量相鄰的兩個階梯輸量組合(優先啟運變頻泵),漠大二線維持在2 150 m3/h。

5)結合2018年月度運行情況,運行能耗大幅度降低,單耗同比降低21%左右。

圖11 漠大原油管道雙線清管前不同輸量組合下24 h總耗電變化趨勢圖Fig.11 Variation trend of total power consumption in24 h under different transmission conditions forModa crude oil pipeline(before pigging)

圖12 漠大原油管道雙線清管后不同輸量組合下24 h總耗電變化趨勢圖Fig.12 Variation trend of total power consumption in24 h under different transmission conditions forModa crude oil pipeline(after pigging)

3 結論及建議

1)通過對漠大一線、漠大二線線摩阻分析，結合管線油溫變化和油品物性,兩條管線摩阻變化趨勢和誘因基本一樣,存在析蠟高峰區(隨著輸量增加,時間會前移),根據近兩年數據分析,初步判斷析蠟高峰區為6～13 ℃。建議著重清管塔河站—加格達奇站,隨著油溫的推移變化可對漠河站—塔河段和加格達奇站—訥河站清管。

2)通過SCADA系統采集的相關數據,反算出泵機組綜合效率,指出增輸改造對部分泵性能的影響,建議相同條件下優先啟運各站變頻泵和效率較高泵機組,避開輸油泵低效運行區;總結出不同輸量下泵機組的綜合效率,可根據泵機組的壓能,反算泵機組的耗電量,可粗略估計全線總耗能。

3)根據漠大一線、漠大二線的最優配泵組合,總結出在不同境外輸量下的雙線運行最佳輸量,有效降低了全年能耗,2018年單耗同比降低21%,按照此輸量優化匹配2019年年輸量增加6%時,單耗只增加3%。

4)鑒于不同階梯輸量(清管前后)的優化組合,根據清管前后計算總電耗和清管費用,核算具體清管周期或何時清管;在SCADA系統參數表上添加站間摩阻數據,進行實施監控,設定摩阻標準值,設定清管周期;從最優單耗角度,根據月計劃,匹配輸量和電耗;從階梯輸送角度,考慮管輸能耗(包括單耗)和輸量匹配。