【正文】 ............. 24 4 計(jì)算實(shí)例 ......................................................................................................................... 25 管道溫度及壓力分布 ........................................................................................... 25 停輸時(shí)間的計(jì)算 ................................................................................................... 27 推薦運(yùn)行參數(shù) ....................................................................................................... 29 5 結(jié)論及建議 ..................................................................................................................... 31 畢業(yè)設(shè)計(jì)小結(jié) ..................................................................................................................... 32 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................. 33 致謝 ..................................................................................................................................... 34 附錄 1 軟件源代碼 .......................................................................................................... 35 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論 文 ) 1 1 前言 問題的提出 石油管道運(yùn)輸是近三四十年發(fā)展起來的一種運(yùn)輸方式，特別是近二十年來發(fā)展尤為迅速。目前的管道運(yùn)輸已不僅僅運(yùn)送石油，它已向多品種管道運(yùn)輸發(fā)展，已經(jīng)使用和正在研究使用管道運(yùn)輸?shù)奈锲酚衅w、成品油、水、糧食、煤槳、礦漿及 LPG 等不僅陸地廣泛使用管道運(yùn)輸，海底油氣管道也得到大量運(yùn)用，可以說管道運(yùn)輸已在國民經(jīng) 濟(jì)發(fā)展中起著越來越重要的作用。優(yōu)化技術(shù)是在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，是根據(jù)現(xiàn)代數(shù)學(xué)最優(yōu)化原理和方法，綜合各方面因素，在現(xiàn)有的工程條件下，從問題的眾多可行方案中選出最經(jīng)濟(jì)的方案 [1]。 輸油局是輸油企業(yè)，也是能源消耗大戶，在原油輸 送中每年就要消耗 萬噸燃料油， 億度動(dòng)力電。輸油管道優(yōu)化運(yùn)行解決的也是這一問題，在確保完成輸油任務(wù)的前提下盡可能降低輸油能耗，尋求最經(jīng)濟(jì)的輸送條件。對正在運(yùn)行中的輸油管道，通過降低熱能損失來降低總能耗對降低輸油成本、提 高經(jīng)濟(jì)效益影響重大，輸油管道優(yōu)化運(yùn)行在現(xiàn)實(shí)生活中具有重大的意義。目前，國內(nèi)尚無成熟的輸油管線優(yōu)化軟件可供使用，所以該軟件的編制具有降低輸油成本、提高經(jīng)濟(jì)效益 等重大意義。隨著近代科技與生產(chǎn)的發(fā)展，工程與技術(shù)的復(fù)雜化，使得一個(gè)決策的好壞，對經(jīng)濟(jì)效益有著重大的影響，這就要求人們必須尋求最優(yōu)化決策，以獲得最好的經(jīng)濟(jì)效益，但由于最優(yōu)化的任務(wù)是要在一切可能的方案中尋求最佳方案，常常需要大量的計(jì)算，若僅依靠手西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論 文 ) 2 工計(jì)算，則不僅工作量大，計(jì)算時(shí)間長，而且往往難于實(shí)現(xiàn)，令人欣慰的是，由于電子計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展， 為最優(yōu)化技術(shù)提供了強(qiáng)有力的計(jì)算工具，使其迅速發(fā)展成為一門新興的學(xué)科。 國外輸油管道優(yōu)化運(yùn)行及其軟件編制研究的發(fā)展?fàn)顩r [9][8] 油氣管道系統(tǒng)最優(yōu)化技術(shù)國外研究較早，水平相對較高。他針對當(dāng)時(shí)采用的往復(fù)泵開式的流程，流型為牛頓流的熱油管線，用微分法導(dǎo)出了確定最優(yōu)出站各參數(shù)的關(guān)系式。隨后，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和應(yīng)用數(shù)學(xué)的飛速發(fā)展，國外油氣管道最優(yōu)化技術(shù)迅猛發(fā)展，涉及油氣管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行、擴(kuò)建、控制等領(lǐng)域。如 Cheesernan用坐標(biāo)輪換法優(yōu)化管道。站位程序的核心是壓降計(jì)算。假設(shè)對每一個(gè)搜索的參數(shù)只有一個(gè)最小費(fèi)用。雖然這對于有約束的非線性問題并不是一個(gè)高效的算法，仍使設(shè)計(jì)時(shí)間減少 70%，設(shè)計(jì)費(fèi)用減少 30%，設(shè)計(jì)質(zhì)量得到提高。程序采用穩(wěn)態(tài)分析和動(dòng)態(tài)規(guī)劃。在國外油氣動(dòng)力系統(tǒng)中，有不少是采用熱機(jī) (如蒸汽機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)等 )作為原動(dòng)力的。因此，不少管道公司開始對壓縮機(jī)站和泵站的燃料消耗進(jìn)行了最 優(yōu)化研究。目標(biāo)是根據(jù)每一原動(dòng)機(jī)的燃料消耗率，決定要開動(dòng)哪些泵機(jī)組，在保證所需流量的前提下使總?cè)剂腺M(fèi)用最少 。此外，還用動(dòng)態(tài)規(guī)劃的方法對出站壓力進(jìn)行優(yōu)化。蘇聯(lián)學(xué)者在這方面的研究主要集中在如何選擇油管的最佳工況上。 (1) 優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型 [10][4][8] 把一個(gè)復(fù)雜的工程系統(tǒng)抽象成數(shù)學(xué)模型時(shí)，設(shè)計(jì)者常常面臨多種可供選擇的數(shù)學(xué)模型，恰當(dāng)?shù)倪x擇數(shù)學(xué)模型是一個(gè)至關(guān)重要的問題。 已投產(chǎn)運(yùn)行的輸油管道，其設(shè)備、管徑、管長、站間距等己確定，我們只能對運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，如溫度、泵組合等。最初建立的是線性穩(wěn)態(tài)模型，后來，石油大學(xué)的嚴(yán)大凡、吳長春考慮了油品的溫度沿管線真實(shí)分布及熱機(jī)和泵效率的影響，建立了包西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論 文 ) 3 含全線泵組合與管路的最優(yōu)匹配和輸油溫度的最優(yōu)化兩級子問題的動(dòng)態(tài)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，該模型適合于我國大多數(shù)輸油管道。 (2) 優(yōu)化方法 用于優(yōu)化的方法很多。 非線性規(guī)劃問題 : 計(jì)算方法有解析法、搜索法、數(shù)值法、線性規(guī)劃或二次規(guī)劃逐步逼近非線性規(guī)劃的方法等。搜索法亦稱直接法，包括消去法 (格點(diǎn)法、黃金分割法、 Fibonacci法 )、爬山法 (變量輪換法、復(fù)合形法 )、隨機(jī)試驗(yàn)法等。 動(dòng)態(tài)規(guī)劃問題 : 動(dòng)態(tài)規(guī)劃法是一種能很好的解決所謂多階段決策過程最優(yōu)化問題的方法。盡管優(yōu)化的方法很多，而應(yīng)用到輸油管道優(yōu)化運(yùn)行上的方法還不是很多。1994年，吳長春又提出了先以隨機(jī)搜索產(chǎn) Powell法的初始點(diǎn)，采用改進(jìn) :1996年，撫順石油學(xué)院的吳明使用了二分法，相繼牛頓 拉普森法也得到了應(yīng)用； 1997年，張其敏使用了 MDOD(混合離散變量直接搜索法 )，該方法優(yōu)化效果好，速度快 :1991年，吳立峰考慮到數(shù)學(xué)模型中既有連續(xù)變量 (溫度 )，又有離散變 f (泵組合 )，將 MDCP法 (混合離散變 A組合型法 )應(yīng)用到了輸油管道的優(yōu)化運(yùn)行上，該方法優(yōu)化速度快、優(yōu)化結(jié)果顯著 。 (3) 泵組合和溫度優(yōu)化方面 1980年，吳長春等人對熱含蠟原油管道的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方案的求解方法進(jìn)行了探討，鄭國華等人也討論過低輸量管道的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，金德馨則應(yīng)用動(dòng)態(tài)規(guī)化算法闡述了輸油管道最佳運(yùn)行方案的選擇方法訓(xùn)。同期，華東石油管理局也開始了對魯寧線 (山東臨邑至南京儀征 )低耗節(jié)能 (即開式流程優(yōu)化運(yùn)行 )的工業(yè)試驗(yàn)研究。這兩個(gè)研究項(xiàng)目都獲得了可喜的成果。 1992年，蒲家寧運(yùn)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃原理，針對密閉輸送工藝，簡明、扼要、具體的闡述了長輸管道優(yōu)化運(yùn)行的分析與計(jì)算方法，有助于對輸油管道優(yōu)化運(yùn)行的研究。通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的反饋驗(yàn)證，找出了偏差并制定了能控制最小運(yùn)行費(fèi)用的新優(yōu)化運(yùn)行方案。 1995年，王鑒光根據(jù)泵的機(jī)械特性，提出了泵站節(jié)能運(yùn)行方案和泵速最優(yōu)節(jié)能控制算法，節(jié)約了電能，帶來了經(jīng)濟(jì)效益。通過實(shí)踐證明，優(yōu)化了運(yùn)行溫度后，每年可節(jié)省能耗費(fèi)用 ，如果管道較長，輸量較大，經(jīng)濟(jì)效果會(huì)更加明顯。 2021年，魏安河等以慶鐵線新廟和牧羊泵站為例，提出通過運(yùn)用降低進(jìn)站溫度的方法，對降低油電消耗總費(fèi)用的可行性進(jìn)行了具 體分析，通過計(jì)算證明在保證低輸量的安全運(yùn)行的前提下，降低進(jìn)站溫度的方法對減少節(jié)流損失，降低輸油成本是完全可行的。目前在這方面的研究還不是很完善，建立的模型都比較簡單，求解的方法也不是很先進(jìn)，還有待于我們后來之人繼續(xù)研究和探討。將管道運(yùn)行參數(shù)優(yōu)選和節(jié)能技術(shù)方案的研究相結(jié)合，建立了節(jié)能優(yōu)化的改造模型，開發(fā)了東辛管道優(yōu)化運(yùn)行軟件，既考慮了管道運(yùn)行能耗費(fèi)用又考慮了投資改造費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化與改造方案相結(jié)合，該模型既可用于尋求最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)又可指導(dǎo)最優(yōu)改造方案。 2021年，長江大學(xué)石油工程學(xué)院 張頂學(xué)等受長慶油田分公司第二輸油處委托，編制了集輸管線優(yōu)化軟件。 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論 文 ) 5 管道優(yōu)化 及其軟件編制 的意義 節(jié)約能源 節(jié)約能源及提高經(jīng)濟(jì)效益是當(dāng)前國家對工交部門的兩項(xiàng)重要要求。能源的開發(fā)和合理利用是社會(huì)發(fā)展的源泉和戰(zhàn)略依據(jù)，并標(biāo)志和決定著一個(gè)國家的競爭實(shí)力和綜合實(shí)力 [1]。如果每個(gè)泵站節(jié)流 l00kPa，則全年將損失 380 萬度電。 降低油品的生產(chǎn)成本 [1] 隨著國內(nèi)市場的不斷規(guī)范以及同國際市場的逐步接軌，石油企業(yè)在激烈的市場競爭中通過國家政策和地區(qū)保護(hù)而獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益的機(jī)會(huì)越來越少，只有按照市場的需求對運(yùn)行的管道進(jìn)行優(yōu)化，降低產(chǎn)品的單位成本，才能提高企業(yè)在市場經(jīng)濟(jì)中的競爭能力。對輸油管道的優(yōu)化運(yùn)行，不但達(dá)到了節(jié)能降耗的目的，而且可以降低企業(yè)治理工業(yè)污染的費(fèi)用，對企業(yè)自身也有著直接的經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)原理，通過對各種優(yōu)化措施和可行方案的技術(shù)分析、經(jīng)濟(jì)比較和效益評價(jià)、尋優(yōu)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的最優(yōu)組合，從而確定出經(jīng)濟(jì)合理的運(yùn)行參數(shù)，使系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)下，達(dá)到節(jié)約能源、少投入、多產(chǎn)出、提高經(jīng)濟(jì)效益 的目的。 綜上所述，油氣管道系統(tǒng)最優(yōu)化技術(shù)研究是向復(fù)雜化、多目標(biāo)方向發(fā)展。 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論 文 ) 6 主要研究內(nèi)容 本論文主要研究集輸管線參數(shù)優(yōu)化軟件的編制 。 本 論 文首先對優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型類型、尋優(yōu)方法及發(fā)展趨勢，以及油氣管道工程的優(yōu)化技術(shù)研究進(jìn)行了全面綜述，建立了熱含蠟原油管道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型 ,然后編制了 輸油 管線參數(shù)優(yōu)化軟件。 最后 ， 對白豹到華池的輸油管線的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行 實(shí)例計(jì)算， 驗(yàn)證 計(jì)算結(jié)果與管線實(shí)際運(yùn)行參數(shù) 是否 相符， 從而證實(shí) 本軟件的可靠性與實(shí)用性。 熱油在輸送過程中存在著兩個(gè)方面的能量損失，即摩阻損失和散熱損失。在熱油管道的設(shè)計(jì)和管理中，要正確處理這兩種能量的供求平衡關(guān)系。因?yàn)槟ψ钃p失的大小決定于原油的粘度，而粘度的大小則決定于輸送溫度的高低。故對于某一輸送任務(wù)，存在著能量最小消耗的最優(yōu)輸送條件，這也就是熱油輸送管道工藝計(jì)算所要確定的目標(biāo)。 油流在加熱站加熱到一定的溫度后進(jìn)入熱油管道。散熱量和原油溫度的沿程分布受到諸如輸油量、加熱溫度、環(huán)境條件、管道散熱條件等許多因素的影響。 但在實(shí)際工程中，將正常運(yùn)行工況近似為熱力、水力穩(wěn)定狀態(tài)，在此前提下進(jìn)行軸向溫降的計(jì)算。流經(jīng) dl 段后散熱油流產(chǎn)生的溫降為 dT。由于 dl 與 dT的方向相反，故取負(fù)號。 若油流出加熱站的溫度 TR為定值，則管道內(nèi)原油沿程的溫度分布可表示為： aLRL ebTTbTT ?????? ))(()( 00 (2—4) 在推導(dǎo)上式時(shí)，假定水力坡降 i 為定值。在本研究里我們采用迭代 算法確定。在加熱站的出口處，油流與環(huán)境溫度的溫差大，溫降快；而在進(jìn)入下一加熱站前，由于油溫低，溫降慢。因此，試圖靠提高加熱站出口的油溫來提高管段末端的油溫，往往收效不大。 熱油管道的摩阻計(jì)算 由于熱油管道油流的溫度沿程是不斷下降的，故油流的粘度不斷增大，其水力坡降也是不斷增大的。在本研究里，我們采用分段耦合計(jì)算熱油管道的壓力和溫度分布。其計(jì)算步驟為： a．按甲方的要求，將兩加熱站間的熱油管道分劃成需要小的分段，在計(jì)算程序里，我們大致按 千米分劃，記下每個(gè)計(jì)算點(diǎn)的管道里程和管道中心的高程； b．由反推計(jì)算 確定的總傳熱系數(shù) K、原油的比熱容和假定的管段內(nèi)的水力坡度，從加熱站開始，逐段計(jì)算該段的終點(diǎn)溫度 T2； c．按下式計(jì)算該段原油的平均溫度： 13231 ??? iiPJ TTT i (2－ 5) d．由實(shí)測的原油粘溫曲線，內(nèi)插得到平均溫度下的原油粘度，計(jì)算油流的雷諾數(shù)，并判別流態(tài)； e. 由科爾布魯克公式計(jì)算油流的沿程阻力系數(shù)，進(jìn)而求得該段的水力摩阻損失和計(jì)算的水力坡度； f．比較計(jì)算的水力坡度和原假定的水力坡度的差別是否精度要求，若 不滿足，西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論 文 ) 9 則返回（ b），重新計(jì)算； g．若計(jì)算的水力坡度和原假定的水力坡度的差別在給定的誤差范圍內(nèi)，則由伯努利方程求的該管段末端的壓力 P2； h．將計(jì)算得到的末端溫度和壓力作為下一段的起點(diǎn)溫度和壓力，重復(fù)上述計(jì)算，直到下一加熱站為止。 熱油管路的計(jì)劃檢