輸油管道生產運行參數優化

李文忠 王興旺 鄭立龍 魏立新，4

（1.大慶油田有限責任公司儲運銷售分公司；2.中國石化石油勘探開發研究院；3.東北石油大學石油工程學院；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濟輸送，管道最佳運行方案應與管道運行工況相匹配。

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

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備開啟方案下的系統運行參數優化優化模型，并給出高效求解策略。

1 優化數學模型

在給定輸油量、設備開啟方案、混油比等的條件下，影響管道總能耗費用的主要參數是輸送溫度和輸送壓力[9]。因此，以輸油溫度、輸油壓力為設計變量，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，建立生產運行參數優化的數學模型如下：

其中：

式中：Np為輸油管道泵站個數；Nh為輸油管道熱站個數；Nb,i為第i泵站輸油泵的總數；Nf,j為第j熱站加熱爐的總數；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燃油消耗量，t；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，0為關閉、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，0為關閉、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為總的調度時間，h；Qz為tz時間內管道的任務輸量，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速，r/min；為第i站第k臺輸油泵高效運行時的最高轉速，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，一定時間內多臺泵并聯時，并聯泵流量之和等于總輸量；約束條件式（5）~（6）為溫度約束，輸油溫度應在一定范圍之內；約束條件式（7）~（8）為壓力約束，輸油壓力應在符合設備要求，在一定范圍之內；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，應在合理范圍之內；約束條件式（10）為站場加熱能力約束，為使站場在高效區內；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、揚程和轉速應在合理范圍之內；約束條件式（14）為加熱爐工作性能約束，根據加熱爐的實際情況，加熱爐的熱負荷應在合理范圍之內。

2 求解算法研究

某輸油管道生產運行參數優化問題是包含多個約束條件的非線性優化問題。針對此問題，有許多學者提出群體優化策略，如粒子群算法、蟻群算法和鳥群算法等智能優化策略。但這類優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，比較復雜。因此，針對此模型的特點，采用序列二次規劃法進行求解。

又因為序列二次規劃法[10]，理論上只具有局部收斂性，為了能收斂到最優解，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，都一定會收斂到某個局部最優解。即使之具有整體收斂性。下面就介紹一種通過罰函數[11]進行一維搜索來保證序列二次規劃法具有整體收斂性的方法。

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

其中：

式中：r為懲罰因子。

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

圖1 序列二次規劃法程序

3 計算實例

采用序列二次規劃法對某一時間內某輸油管道生產運行參數進行了優化。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 優化前后各站輸油溫度對比

優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%；總燃油費降低了19187.06元，節省了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，節省了19.8%。優化效果顯著。

圖3 優化前后各站輸油壓力對比

圖4 優化前后各站耗電量對比

圖5 優化前后各站燃油消耗量對比

圖6 優化前后各項費用對比

4 結論

1）根據實際生產需要，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運行參數優化的數學模型，并給出序列二次規劃法的求解策略。

2）對某輸油管道生產運行參數進行優化計算。優化后總燃油費降低了46.7%，總電費增加了12.3%，總費用節省了19.8%，優化效果顯著。