輸油管道生產(chǎn)運行參數(shù)優(yōu)化

李文忠 王興旺 鄭立龍 魏立新，4

（1.大慶油田有限責(zé)任公司儲運銷售分公司；2.中國石化石油勘探開發(fā)研究院；3.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院；4.中國石油天然氣集團公司油氣儲運重點實驗室）

某輸油管道屬于熱油輸送管道，輸送介質(zhì)為慶油和俄油按一定比例的混合原油。為了保證安全輸送，輸送過程中需要對油品進行升溫加壓。不同的輸送溫度和壓力直接影響著運輸成本。為了保證管道安全經(jīng)濟輸送，管道最佳運行方案應(yīng)與管道運行工況相匹配。

針對輸油管道，戚廣彪等人[1]運用優(yōu)化出站溫度溫度的方法達到節(jié)能降耗的目的；易旸[2]也運用遺傳算法、粒子群算法和模擬退火算法優(yōu)化算法優(yōu)化了對慶鐵四線進行優(yōu)化，達到減小成本的目的；魏立新，陳明輝等人[3]采用遺傳算法和懲罰函數(shù)法對油田注水系統(tǒng)進行優(yōu)化，在實際應(yīng)用中取得了良好的效果；魏立新，劉揚等人[4]運用二級階梯優(yōu)化方法對輸油管道系統(tǒng)進行優(yōu)化，降低了能耗，效果明顯；孫勝戈，唐愚等人[5]運用線性規(guī)劃法對輸油管道進行優(yōu)化求解；倪玲英，李成華[6]根據(jù)分析影響成本的因素運用編制的軟件對輸油管道優(yōu)化方案進行優(yōu)化；張維志，王蘭花等人[7]利用組合優(yōu)化方法對長輸熱油密閉輸油管道進行優(yōu)化，優(yōu)化效果明顯；張維志，于清澄等人[8]運用動態(tài)規(guī)劃法對運行優(yōu)化方案機進行求解。

針對某輸油管道的特點，以總能耗費用最低為目標建立了給定輸量和設(shè)備開啟方案下的系統(tǒng)運行參數(shù)優(yōu)化優(yōu)化模型，并給出高效求解策略。

1 優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

在給定輸油量、設(shè)備開啟方案、混油比等的條件下，影響管道總能耗費用的主要參數(shù)是輸送溫度和輸送壓力[9]。因此，以輸油溫度、輸油壓力為設(shè)計變量，以總能耗費用最低為目標，以輸量約束、溫度約束、壓力約束、站場加熱能力約束、站場的加壓能力約束、輸油泵工作性能約束和加熱爐加熱能力約束為約束條件，建立生產(chǎn)運行參數(shù)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型如下：

其中：

式中：Np為輸油管道泵站個數(shù)；Nh為輸油管道熱站個數(shù)；Nb,i為第i泵站輸油泵的總數(shù)；Nf,j為第j熱站加熱爐的總數(shù)；Pout為各泵站出站壓力向量；Tout為各熱站出站溫度向量；B為輸油管道全線加熱爐總?cè)加拖牧浚瑃；W為輸油管道全線輸油泵總耗電量，kWh；eP為單位電費價格，元/kWh；eT為燃料單位價格，元/t；δbi,k為第i泵站第k臺泵的運行狀態(tài)，0為關(guān)閉、1為開啟；ρh為混合原油密度；qbi,k為第i泵站第k臺泵的輸量；Hbi,k為第i泵站第k臺泵的揚程，m；ηbi,k為第i泵站第k臺泵的泵效；γfj,l為第j熱站第1臺加熱爐的運行狀態(tài)，0為關(guān)閉、1為開啟；ch為混合原油比熱容，kJ/(kg·℃)；Tfoutj,l為第j熱站第1臺加熱爐的出口溫度，℃；Tfinj,l為第j熱站第1臺加熱爐的進口溫度，℃；Qr為燃料油燃燒產(chǎn)生的熱值，kJ/kg；ηfj,l為第j熱站第1臺加熱爐的效率；tz為總的調(diào)度時間，h；Qz為tz時間內(nèi)管道的任務(wù)輸量，t；為允許最低進站油溫，℃；為最高出站油溫，℃；為第i站的最高出站壓力，MPa；為第i站的最低進站壓力，MPa；Qi為第i站的加熱能力，kJ；Qmax

i為第i站的最大加熱能力，kJ；為第i站的最小加熱能力，kJ；Pi為第i站的加壓能力，MPa；Pmaxi為第i站的最大加壓能力，MPa；為第i站的最小加壓能力，MPa；為第i站第k臺輸油泵的最高排量，m3/s；為第i站第k臺輸油泵的最低排量，m3/s；為第i站第k臺輸油泵汽蝕余量，m；為第i站第k臺輸油泵最小汽蝕余量，m；為第i站第k臺輸油泵高效運行時的最低轉(zhuǎn)速，r/min；為第i站第k臺輸油泵高效運行時的最高轉(zhuǎn)速，r/min；為第j熱站第1臺加熱爐高效運行的最高熱負荷，kJ；為第j熱站第1臺加熱爐高效運行時的最低熱負荷，kJ。

在上述約束條件中，約束條件式（4）為輸量約束，一定時間內(nèi)多臺泵并聯(lián)時，并聯(lián)泵流量之和等于總輸量；約束條件式（5）~（6）為溫度約束，輸油溫度應(yīng)在一定范圍之內(nèi)；約束條件式（7）~（8）為壓力約束，輸油壓力應(yīng)在符合設(shè)備要求，在一定范圍之內(nèi)；約束條件式（9）為站場加熱能力約束，每個站場加熱能力不同，應(yīng)在合理范圍之內(nèi)；約束條件式（10）為站場加熱能力約束，為使站場在高效區(qū)內(nèi)；約束條件式（11）~（13）為輸油泵工作性能約束，為使輸油泵高效運行，其輸量、揚程和轉(zhuǎn)速應(yīng)在合理范圍之內(nèi)；約束條件式（14）為加熱爐工作性能約束，根據(jù)加熱爐的實際情況，加熱爐的熱負荷應(yīng)在合理范圍之內(nèi)。

2 求解算法研究

某輸油管道生產(chǎn)運行參數(shù)優(yōu)化問題是包含多個約束條件的非線性優(yōu)化問題。針對此問題，有許多學(xué)者提出群體優(yōu)化策略，如粒子群算法、蟻群算法和鳥群算法等智能優(yōu)化策略。但這類優(yōu)化策略都是處理無約束問題的方法，處理此問題還需要有約束問題處理成無約束問題，比較復(fù)雜。因此，針對此模型的特點，采用序列二次規(guī)劃法進行求解。

又因為序列二次規(guī)劃法[10]，理論上只具有局部收斂性，為了能收斂到最優(yōu)解，必須選擇與真解充分接近的初始點。但是事先是難以得到好的最優(yōu)解推測值的。所以對方法加以改良，使之不管從哪個初始解出發(fā)，都一定會收斂到某個局部最優(yōu)解。即使之具有整體收斂性。下面就介紹一種通過罰函數(shù)[11]進行一維搜索來保證序列二次規(guī)劃法具有整體收斂性的方法。

所謂罰函數(shù)是由目標函數(shù)和反映可行性程度的一個指標相結(jié)合的函數(shù)。這里，對于該問題，采用如下形式的罰函數(shù)：

其中：

式中：r為懲罰因子。

通過罰函數(shù)進行一維搜索來保證序列二次規(guī)劃法具有整體收斂性的方法，改進了序列二次規(guī)劃法的不足，提高了計算精度。序列二次規(guī)劃法程序見圖1。

圖1 序列二次規(guī)劃法程序

3 計算實例

采用序列二次規(guī)劃法對某一時間內(nèi)某輸油管道生產(chǎn)運行參數(shù)進行了優(yōu)化。管道輸量為9935t/d，慶油和俄油混合比例1∶1.63，電價為0.637元/kWh，燃油單價為2.102元/kg。首站、中一站和中二站均開啟1臺輸油泵和1臺加熱爐。優(yōu)化前后其各站輸油溫度、輸油壓力、耗電量、燃油消耗量及總能耗費用對比見圖2~圖5。

圖2 優(yōu)化前后各站輸油溫度對比

優(yōu)化后各站輸油溫度降低，輸油壓力升高，由于輸油溫度降低，使原油黏度升高，進而使輸油壓力升高；優(yōu)化后各站耗電量分別增加了6.8%、17.7%和17.6%；各站燃油消耗量分別降低了35.1%、66.3%和45.5%；總?cè)加唾M降低了19187.06元，節(jié)省了46.7%；總電費升高了4233.01元，增加了12.3%，總費用降低了14954.05元，節(jié)省了19.8%。優(yōu)化效果顯著。

圖3 優(yōu)化前后各站輸油壓力對比

圖4 優(yōu)化前后各站耗電量對比

圖5 優(yōu)化前后各站燃油消耗量對比

圖6 優(yōu)化前后各項費用對比

4 結(jié)論

1）根據(jù)實際生產(chǎn)需要，建立了以總能耗費用最低為目標，以輸量約束、溫度約束、壓力約束、站場加熱能力約束、站場的加壓能力約束、輸油泵工作性能約束和加熱爐加熱能力約束等為約束條件的某輸油管道生產(chǎn)運行參數(shù)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，并給出序列二次規(guī)劃法的求解策略。

2）對某輸油管道生產(chǎn)運行參數(shù)進行優(yōu)化計算。優(yōu)化后總?cè)加唾M降低了46.7%，總電費增加了12.3%，總費用節(jié)省了19.8%，優(yōu)化效果顯著。