成品油管道工藝設(shè)計(jì)方案研究

石美云

（國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)華南公司，貴州貴陽(yáng) 550005）

成品油是指市場(chǎng)工業(yè)生產(chǎn)與煤油行業(yè)運(yùn)營(yíng)中，具有可代替生物柴油、乙醇汽油的燃料物質(zhì)，具體包括汽油類燃料與煤油類燃料等。目前，我國(guó)針對(duì)此種燃料大多采用長(zhǎng)輸管道進(jìn)行運(yùn)輸，此種運(yùn)輸方式具有可輸送量大、運(yùn)輸距離長(zhǎng)、可輸送成品油種類多等優(yōu)勢(shì)，但此種輸送方式在實(shí)際應(yīng)用中也存在工藝復(fù)雜的問(wèn)題[1]。在建設(shè)成品油輸送管道時(shí)，建設(shè)工程受到社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、政治、市政、生態(tài)、環(huán)境、技術(shù)等多方面因素的影響，一旦在建設(shè)中其中一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，便會(huì)對(duì)運(yùn)輸效果與管道使用情況造成負(fù)面影響。通常情況下，設(shè)計(jì)一個(gè)完善的成品油運(yùn)輸管道，需要考慮管道的直徑、材質(zhì)、覆蓋范圍、中轉(zhuǎn)泵的數(shù)量與不同中轉(zhuǎn)泵在管道中的布設(shè)位置、輸油揚(yáng)程距離、不同輸送線路對(duì)成品油在輸送中的損耗量、輸送末端與前端油罐的容量等諸多因素。因此，有必要加大對(duì)此方面建設(shè)的投入，進(jìn)行管道工藝在設(shè)計(jì)與開發(fā)中的優(yōu)化，以此種方式，降低管道工藝在輸油中的損耗量[2]。但此項(xiàng)工作是一項(xiàng)復(fù)雜度較高的工作，工藝方案設(shè)計(jì)時(shí)涉及的因素較多，且不同影響因素之間存在某種制約性關(guān)系，這也為相關(guān)工作的實(shí)施產(chǎn)生了一定阻礙。目前，我國(guó)針對(duì)此方面的研究尚停留于理論與實(shí)踐嘗試階段，未有技術(shù)單位或有關(guān)部門進(jìn)行管道工藝深化設(shè)計(jì)的研究與投入，因此，本文將綜合成品油輸送的特點(diǎn)與需求，設(shè)計(jì)一個(gè)全新的管道工藝，以此種方式，為燃料運(yùn)輸行業(yè)創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)收益。

1 成品油管道工藝設(shè)計(jì)方案研究

1.1 管道運(yùn)輸目標(biāo)函數(shù)建立與約束條件描述

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)成品油管道工藝的全面優(yōu)化，需要在開展相關(guān)研究前，建立管道運(yùn)輸目標(biāo)函數(shù)，并根據(jù)函數(shù)的約束條件，對(duì)成品油的運(yùn)輸過(guò)程進(jìn)行描述[3]。在此過(guò)程中應(yīng)明確開展此項(xiàng)工作的主要目的，以降低管道工程與管道運(yùn)輸費(fèi)用。將其運(yùn)輸中的總費(fèi)用表示為F，可以認(rèn)為F是計(jì)算期內(nèi)管道建設(shè)、維護(hù)工作中所有支出項(xiàng)目與費(fèi)用的總和。為了簡(jiǎn)化函數(shù)的計(jì)算過(guò)程，可將所有的支出按照基準(zhǔn)現(xiàn)金率進(jìn)行折算，并只考慮與管道工藝相關(guān)的費(fèi)用項(xiàng)目，包括的具體費(fèi)用項(xiàng)目包括管道運(yùn)輸線路、中轉(zhuǎn)泵站、成品油儲(chǔ)油罐、混合油分裝處理等，對(duì)應(yīng)目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式如下：

式中：m表示為管道工藝輸送成品油的管段長(zhǎng)度；P′表示現(xiàn)金系數(shù)；A表示為基準(zhǔn)現(xiàn)金率；i′表示泵站數(shù)量；y表示維修與建設(shè)支出費(fèi)用；minF(x)表示目標(biāo)函數(shù)的最小值。在掌握目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式與優(yōu)化方向后，對(duì)管道工藝中的約束條件進(jìn)行描述[4]。其中管道強(qiáng)度可以作為此項(xiàng)工藝的首要約束條件，根據(jù)GB 10540—2008規(guī)定，管道中泵站的建設(shè)及其出口壓力應(yīng)當(dāng)符合管道運(yùn)輸時(shí)的強(qiáng)度要求，強(qiáng)度要求表達(dá)式如下：

式中：σs表示為管道屈服強(qiáng)度，單位為MPa；di表示不同管段強(qiáng)度；xpj表示管道運(yùn)輸時(shí)的強(qiáng)度要求；xi表示約束條件之一。在完成上述約束條件的描述后，對(duì)管道中鋼管穩(wěn)定性進(jìn)行分析，為了避免在運(yùn)輸成品油時(shí)，出現(xiàn)由于外部壓力造成的管道屈曲，對(duì)管道外徑與管道壁厚的比值進(jìn)行了規(guī)定，即兩者比值應(yīng)小于或等于140.0。同時(shí)，考慮到所有的輸油管道中的管路均為鋼材，因此，要求在建設(shè)管道工程時(shí)，所有的鋼管均是參照API標(biāo)準(zhǔn)制造的。為了避免在運(yùn)輸過(guò)程中涌出量的增加導(dǎo)致不同油品發(fā)生混合的情況，需要進(jìn)行雷諾數(shù)的約束，并確保不同油品不發(fā)生混淆方面的問(wèn)題。按照不同系數(shù)的有效約束條件，進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)的約束，以此種方式，確保構(gòu)建的目標(biāo)函數(shù)滿足需求。

1.2 管道最優(yōu)分輸流量與最佳管徑取值范圍計(jì)算

完成上述計(jì)算后，考慮到成品油輸送管道存在單次輸送所有油品、分輸點(diǎn)多、輸送計(jì)劃多元化等特點(diǎn)，因此，在進(jìn)行管道工藝設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮不同輸送方式對(duì)于油品同步輸送的要求，結(jié)合不同管道的輸送能力，進(jìn)行最優(yōu)分輸流量的計(jì)算。假設(shè)在管道中每個(gè)成品油分輸點(diǎn)均采用集中輸送的方式進(jìn)行運(yùn)輸，在計(jì)算輸送量時(shí)，需要明確所有分輸站的輸送流量衡量、不同管道之間的輸油量可以存在變化，但變化值一定是在規(guī)定范圍內(nèi)的，管路允許的最高分輸量應(yīng)當(dāng)小于最低工藝要求，每個(gè)相鄰管段之間的成品油輸送流速變化應(yīng)<30.0%。根據(jù)上述分析，可以計(jì)算不同管道的最大流量與最小流量，計(jì)算公式如下：

式中：Qmax,i表示在成品油輸送的第i個(gè)管道上，所有約束條件支持下的最高分輸流量；Qmax,i表示在成品油輸送的第i個(gè)管道上，所有約束條件支持下的最低分輸流量；ri表示為第i個(gè)管道上的成品油輸送流量。完成對(duì)管道最優(yōu)分輸流量的計(jì)算后，進(jìn)行管徑最佳取值范圍的劃分。計(jì)算公式如下：

式中：d表示管徑；V表示流速。按照上述計(jì)算公式，可以得出在最大管徑取值，參照GB 10540—2008，得到最小管徑。在管道工程建設(shè)時(shí)，參照上述條件與最優(yōu)范圍，進(jìn)行管道工藝的設(shè)計(jì)，以此種方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)成品油運(yùn)輸過(guò)程的優(yōu)化。

1.3 基于循環(huán)輸送的成品油管道運(yùn)輸最短路徑設(shè)計(jì)

完成對(duì)管道工藝基礎(chǔ)參數(shù)的設(shè)計(jì)后，將成品油的輸送順序按照最優(yōu)循環(huán)輸送周期進(jìn)行設(shè)定，在此過(guò)程中考慮到輸送順序與混油量是在整體工藝與設(shè)計(jì)方案基本完善的基礎(chǔ)上開發(fā)的。因此，需要結(jié)合已完成設(shè)計(jì)的輸送路線，進(jìn)行不同輸送路線中不同站點(diǎn)或中轉(zhuǎn)泵中新增儲(chǔ)罐容量的優(yōu)化。

在此基礎(chǔ)上，計(jì)算從輸油起點(diǎn)到輸油終點(diǎn)之間權(quán)值最小的工藝方案，得到N條成品油輸送方案，對(duì)不同方案在輸送過(guò)程中需要經(jīng)過(guò)的中轉(zhuǎn)點(diǎn)、中轉(zhuǎn)泵數(shù)量進(jìn)行計(jì)算，得到最短路徑。根據(jù)不同中轉(zhuǎn)泵揚(yáng)程損失量，計(jì)算每個(gè)輸油管段中的最大損耗量與最小損耗量，確定不同管道可選的有效管徑。制定一個(gè)循環(huán)輸送的順序與周期，計(jì)算兩個(gè)不同泵站之間的候選點(diǎn)，引進(jìn)一維檢索法，對(duì)最優(yōu)運(yùn)輸線路進(jìn)行迭代預(yù)循環(huán)，得到一個(gè)在最優(yōu)輸油管徑、外壁、設(shè)計(jì)壓力下的輸送線路，并利用循環(huán)算法，求解N中的最優(yōu)值。完成對(duì)最優(yōu)路徑的設(shè)計(jì)后，對(duì)接本文設(shè)計(jì)的成品油管道工藝，進(jìn)行方案的校正與核對(duì)，完成核對(duì)后，輸出最終的設(shè)計(jì)方案，以此種方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)成品油管道運(yùn)輸最短路徑的設(shè)計(jì)，完成對(duì)管道工藝設(shè)計(jì)方案的研究。

2 實(shí)例應(yīng)用分析

從三個(gè)方面完成了成品油管道工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為了檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的工藝在實(shí)際應(yīng)用中是否可以達(dá)到對(duì)傳統(tǒng)工藝的優(yōu)化效果，下述將通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式，對(duì)設(shè)計(jì)成果進(jìn)行檢驗(yàn)。

此次實(shí)驗(yàn)以國(guó)家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司華南分公司為例，該公司運(yùn)營(yíng)管理的成品油管道總計(jì)6 103km，是亞洲最大的成品油管道企業(yè)。該公司在廣東、廣西、貴州、云南、四川、重慶等六省都擁有分支機(jī)構(gòu)，實(shí)行“公司-輸油部（分公司）-輸油站”三級(jí)管理模式。本次實(shí)驗(yàn)選擇該公司的廣東分支機(jī)構(gòu)中，用于輸油次數(shù)與頻率最高的管道作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，此管道的有效運(yùn)輸長(zhǎng)度為1 587.0km，主要用于輸送0#柴油、95#汽油與92#汽油。為了保證運(yùn)輸需求，在使用此管道進(jìn)行成品油輸送時(shí)，均使用連續(xù)化分輸?shù)姆绞竭M(jìn)行運(yùn)輸作業(yè)。此管道輸送油品的參數(shù)與運(yùn)輸站點(diǎn)的基礎(chǔ)參數(shù)如表1、表2所示。

表1 管道輸送油品的參數(shù)

表2 運(yùn)輸站點(diǎn)基礎(chǔ)參數(shù)

完成對(duì)實(shí)驗(yàn)相關(guān)信息的獲取后，按照本文設(shè)計(jì)的成品油管道輸送約束條件，設(shè)計(jì)運(yùn)輸目標(biāo)函數(shù)，完成對(duì)函數(shù)的建立后，將其與實(shí)驗(yàn)對(duì)象、運(yùn)輸站點(diǎn)基礎(chǔ)參數(shù)、管道輸送油品的參數(shù)進(jìn)行對(duì)接，得到使用此管道進(jìn)行成品油運(yùn)輸需要的最大與最小流量、最大與最小管徑。計(jì)算后數(shù)值如表3所示。

表3 設(shè)計(jì)成品油管道運(yùn)輸最優(yōu)參數(shù)

完成上述設(shè)計(jì)后，對(duì)成品油管道運(yùn)輸時(shí)中轉(zhuǎn)泵的候選點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)此管道的運(yùn)輸需求，共設(shè)置9個(gè)中轉(zhuǎn)點(diǎn)與7個(gè)中轉(zhuǎn)泵。將本文設(shè)計(jì)的工藝方案與企業(yè)現(xiàn)用的工藝方案進(jìn)行比對(duì)，其中本文管道運(yùn)輸方案與企業(yè)現(xiàn)用的管道運(yùn)輸方案示意圖對(duì)比，如圖1所示。

圖1 本文管道運(yùn)輸方案與企業(yè)現(xiàn)用的管道運(yùn)輸方案

忽略管道運(yùn)輸過(guò)程中外界因素對(duì)運(yùn)輸過(guò)程中成品油損耗造成的影響，從經(jīng)濟(jì)層面考慮，采用兩種運(yùn)輸方案，分別計(jì)算運(yùn)行三種不同類型成品油運(yùn)輸時(shí)需要的成本，將計(jì)算后得到的結(jié)果作為評(píng)價(jià)本文方案可行性的關(guān)鍵指標(biāo)。在計(jì)算過(guò)程中，將參數(shù)值與市場(chǎng)現(xiàn)行價(jià)格進(jìn)行對(duì)接，其中本文管道設(shè)計(jì)材料優(yōu)選X60，傳統(tǒng)管道設(shè)計(jì)材料優(yōu)選Y80，假設(shè)管道最大設(shè)計(jì)壓力為12.0MPa，首站運(yùn)輸電費(fèi)為0.58元/（kW·h），其余中轉(zhuǎn)站的電費(fèi)為0.50元/（kW·h），管路安裝費(fèi)用為1 850.0元/t，管路材質(zhì)價(jià)格分別為5 450.0元與6 250.0元，工程建設(shè)中土石方支出費(fèi)用為85.0元/m3，管道外層防腐涂料的費(fèi)用為105.0元/m3，安裝過(guò)程中的其他投資費(fèi)用為1.0×103萬(wàn)元，管路維修費(fèi)用為2 000.0元/次。將多種管路建設(shè)費(fèi)用進(jìn)行累加計(jì)算，得到管道輸送成品油的單次費(fèi)用，假設(shè)輸送時(shí)每次經(jīng)過(guò)中轉(zhuǎn)泵都會(huì)進(jìn)行成品油的揚(yáng)程射出，對(duì)應(yīng)每次揚(yáng)程損耗量相同。結(jié)合市場(chǎng)成品油單價(jià)，進(jìn)行不同類型成品油管道輸送過(guò)程中企業(yè)需要支出成本的統(tǒng)計(jì)。為了確保統(tǒng)計(jì)結(jié)果的直觀性，將統(tǒng)計(jì)結(jié)果繪制成曲線圖，對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖如圖2所示。

圖2 不同類型成品油管道輸送成本統(tǒng)計(jì)

從圖2可以看出，由于本文設(shè)計(jì)的管道輸油工程在建設(shè)中進(jìn)行了運(yùn)輸參數(shù)、管道選材等參數(shù)優(yōu)化，因此，在進(jìn)行成品油輸送時(shí)，起步成本相對(duì)于傳統(tǒng)輸油工藝而言更低。并且由于本文設(shè)計(jì)的管道工藝在實(shí)施中進(jìn)行了運(yùn)輸最短路徑的計(jì)算，減少了成品油運(yùn)輸?shù)拈L(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)了中轉(zhuǎn)泵對(duì)成品油的揚(yáng)程次數(shù)，因此可以認(rèn)為輸送中成品油揚(yáng)程損耗量相對(duì)較低，對(duì)于企業(yè)而言運(yùn)輸過(guò)程中所需要支出的成本項(xiàng)目更少，從而在完成對(duì)不同類型油品從起點(diǎn)到油罐終點(diǎn)的輸送后，本文工藝所需要支出的經(jīng)濟(jì)成本更低。

綜上所述，得出此次對(duì)比實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)論：相比該公司現(xiàn)用的管道運(yùn)輸工藝，本文設(shè)計(jì)的成品油管道工藝在實(shí)際應(yīng)用中，可以起到降低油品中轉(zhuǎn)次數(shù)、減少輸油揚(yáng)程損耗量、節(jié)約管道運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)成本的作用，以此種方式，為社會(huì)管道運(yùn)輸工程的建設(shè)與成品油的管道運(yùn)輸工作實(shí)施，創(chuàng)造了更高的收益。

3 結(jié)束語(yǔ)

從管道約束目標(biāo)函數(shù)建立與約束條件描述、管道最優(yōu)分輸流量與最佳管徑取值范圍設(shè)計(jì)，基于循環(huán)輸送的成品油管道運(yùn)輸最短路徑設(shè)計(jì)三個(gè)方面，對(duì)成品油管道工藝設(shè)計(jì)方案展開了設(shè)計(jì)研究。在完成對(duì)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)后，以國(guó)家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司華南分公司為例，選擇該公司廣東分支中用于輸油次數(shù)與頻率最高的管道作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，本文設(shè)計(jì)的成品油管道工藝在實(shí)際應(yīng)用中，可以起到降低油品中轉(zhuǎn)次數(shù)、減少輸油揚(yáng)程損耗量、節(jié)約管道運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)成本的作用。

但此次設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)也存在一些不足之處，例如，沒有詳細(xì)計(jì)算不同中轉(zhuǎn)站油品揚(yáng)程的損耗量，沒有具體計(jì)算不同站點(diǎn)建設(shè)節(jié)約的費(fèi)用等。因此，可在后續(xù)的研究中，增設(shè)更加詳細(xì)的對(duì)比指標(biāo)，分析多種油品在運(yùn)輸中的需求成本。并嘗試在后續(xù)的推廣中，使用本文設(shè)計(jì)成果代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法，以此種方式，為市場(chǎng)內(nèi)相關(guān)企業(yè)與有關(guān)單位的建設(shè)及其在市場(chǎng)內(nèi)的可持續(xù)發(fā)展，創(chuàng)造更高收益與市場(chǎng)價(jià)值。