成慶林 孫巍 張萌 李賢麗

1東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2華北石油管理局儲(chǔ)氣庫管理處

基于火用經(jīng)濟(jì)學(xué)的原油管道輸量優(yōu)化*

成慶林1孫巍1張萌2李賢麗1

1東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2華北石油管理局儲(chǔ)氣庫管理處

以火用經(jīng)濟(jì)學(xué)的有關(guān)理論和方法為基礎(chǔ)，利用熱火用和壓火用不同的價(jià)格，將管輸原油過程的火用流值折合成費(fèi)用，計(jì)算火用耗費(fèi)用和剩余火用費(fèi)用，火用耗費(fèi)用與投資費(fèi)用之和與剩余火用費(fèi)用的比值定義為火用耗指標(biāo)。以此為基礎(chǔ)分別計(jì)算并分析火用耗指標(biāo)隨輸量的變化規(guī)律，從而確定最優(yōu)輸量。以大慶油田某輸油管道為研究對(duì)象的實(shí)驗(yàn)表明：壓火用耗值隨著輸量的增大先減小后逐漸增大；熱火用耗值隨著輸量的增大逐漸減?。豢偦鹩煤馁M(fèi)用隨著輸量的增大先減小，在輸量為50 m3/h時(shí)減小至最小值，之后又逐漸增大。通過計(jì)算可知，火用耗指標(biāo)先減小而后有緩慢增大，在輸量為60 m3/h時(shí)為最小值，即最優(yōu)輸量為60 m3/h。

火用；管輸原油；輸量優(yōu)化；火用耗指標(biāo)；火用經(jīng)濟(jì)學(xué)

以火用經(jīng)濟(jì)學(xué)為基礎(chǔ)的火用經(jīng)濟(jì)分析法，強(qiáng)調(diào)能的真正價(jià)值，在復(fù)雜工程系統(tǒng)的分析、優(yōu)化、診斷、改進(jìn)以及設(shè)計(jì)中，扮演著很重要的角色。這種經(jīng)濟(jì)學(xué)分析法將熱力學(xué)分析與經(jīng)濟(jì)因素統(tǒng)一考慮，融合了工程經(jīng)濟(jì)學(xué)、系統(tǒng)工程、最優(yōu)化技術(shù)以及決策理論等基本思想[1]，能夠同時(shí)考慮能的“質(zhì)”和“量”，并將系統(tǒng)中的火用流價(jià)格化，追求經(jīng)濟(jì)效益的最佳效果，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。本文以火用經(jīng)濟(jì)學(xué)的有關(guān)理論和方法為基礎(chǔ)，利用熱火用和壓火用不同的價(jià)格，將管輸原油過程的火用流值折合成費(fèi)用，計(jì)算火用耗費(fèi)用和剩余火用費(fèi)用?；鹩煤馁M(fèi)用與投資費(fèi)用之和與剩余火用費(fèi)用的比值定義為火用耗指標(biāo)。以此為基礎(chǔ)分別計(jì)算并分析火用耗指標(biāo)隨輸量的變化規(guī)律，從而確定最優(yōu)輸量，為管道的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供一定的理論支持。

1 火用經(jīng)濟(jì)學(xué)基本概念

火用經(jīng)濟(jì)學(xué)的思想早在1932年基南的論文中就已經(jīng)出現(xiàn)，真正形成卻是在20世紀(jì)60年代。美國加州大學(xué)的特里巴斯和埃文斯在對(duì)海水淡化裝置的熱力學(xué)分析研究中，引入了火用經(jīng)濟(jì)的概念，創(chuàng)造了這個(gè)學(xué)科的新術(shù)語。火用經(jīng)濟(jì)學(xué)是一門融技術(shù)與經(jīng)濟(jì)為一體的綜合學(xué)科，屬技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)范疇，火用經(jīng)濟(jì)學(xué)的基本概念包括投資、成本和折舊費(fèi)。

1.1 投資

為保證工程項(xiàng)目投入生產(chǎn)并保證經(jīng)營活動(dòng)正常進(jìn)行，必須投入一定的資金。這種預(yù)先墊付的資金稱為投資。

投資的估算方法可利用類似工程的投資來估算類型相同、規(guī)模不同的工程投資。擬改建工程項(xiàng)目投資額和生產(chǎn)規(guī)模分別為z2和x2，同類已建工程的投資額和生產(chǎn)規(guī)模分別為z1和x1，則有

式中n為規(guī)模指數(shù)，當(dāng)主要靠增大設(shè)備規(guī)模擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模時(shí)，取n=0.6～0.7，當(dāng)以增加相同設(shè)備數(shù)量擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模時(shí)，取n=0.8～1.0；CF為物價(jià)換算校正系數(shù)，為由歷年的物價(jià)趨勢(shì)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)做出的合理估計(jì)。

1.2 成本

產(chǎn)品成本是指產(chǎn)品生產(chǎn)過程中消耗的生產(chǎn)資料價(jià)值和勞動(dòng)者勞動(dòng)所創(chuàng)造的價(jià)值。

當(dāng)總成本與產(chǎn)量具有線性特征關(guān)系時(shí)，可以運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法來估算成本

式中CT為總成本；CF為固定成本；cV為單位產(chǎn)品變動(dòng)成本；D為生產(chǎn)量。

1.3 折舊費(fèi)

固定資產(chǎn)投資由于長期使用產(chǎn)生損耗而逐漸轉(zhuǎn)移到產(chǎn)品成本中的那部分價(jià)值叫做折舊。折舊費(fèi)是生產(chǎn)成本的重要組成部分，計(jì)算折舊費(fèi)的主要方法如下

將設(shè)備或廠房等在整個(gè)使用年限內(nèi)平均等值折舊。每年分?jǐn)偟恼叟f費(fèi)d為

式中P為設(shè)備的原始價(jià)值；Ff為設(shè)備壽命終了時(shí)的價(jià)值；N為設(shè)備的使用年限。

孫家寧[2]等將能級(jí)的概念引入火用經(jīng)濟(jì)學(xué)計(jì)價(jià)體系，把供入能流按能級(jí)拆分，依據(jù)能級(jí)相近最大化相供的原則，解決能量取出與供入間的對(duì)應(yīng)問題，提出了基于能級(jí)相近最大化相供的火用流計(jì)價(jià)策略?；谀芗?jí)概念對(duì)管輸火用能進(jìn)行計(jì)價(jià)研究，得出物流火用價(jià)估算的結(jié)果，泵站提供的壓火用價(jià)格大概為加熱爐提供熱火用的7倍。

2 管輸原油過程火用經(jīng)濟(jì)學(xué)模型

熱油進(jìn)出管道輸送體系時(shí)，根據(jù)其溫度及壓力值，可以求得油流帶入火用和帶出火用[3]，如下所示

管輸過程壓火用耗為

熱火用耗為

QL為管段理論散熱量，可通過下式計(jì)算[4]

剩余壓火用耗為

剩余熱火用耗為

式中G為管輸過程質(zhì)量輸量(kg/s)；pq為管段起點(diǎn)壓力(Pa)；p0為環(huán)境壓力(Pa)；c為輸送油品的比熱容(J/(kg·K))；Tq為管段起點(diǎn)油品溫度(K)；T0為環(huán)境溫度(K)；TL為輸送溫度(K)；V為體積流量(m3/h)；ρ為油品密度(kg/m3)。

根據(jù)上述火用流損失值及壓火用、熱火用價(jià)格，可計(jì)算出火用耗費(fèi)用Sy及剩余火用費(fèi)用Ss。折合出的壓火用耗費(fèi)用和熱火用耗費(fèi)用之和定義為火用耗費(fèi)用，剩余壓火用費(fèi)用和剩余熱火用費(fèi)用之和為剩余火用費(fèi)用，即

以上兩式，JR為熱火用價(jià)格，取值為6×10-8元/J；Jy為壓火用價(jià)格，取值為42×10-8元/J。

保證管道經(jīng)濟(jì)節(jié)能運(yùn)行的最優(yōu)原則是火用耗費(fèi)用與前期投資費(fèi)用較少，且剩余火用費(fèi)用較多。因此，可定義火用耗指標(biāo)為火用耗費(fèi)用與前期投資費(fèi)用之和與剩余火用費(fèi)用的比值，即

式中σd為火用耗指標(biāo)；Sy為火用耗費(fèi)用(元)；Sq為前期投資費(fèi)用(元)；Ss為剩余火用費(fèi)用(元)。

3 應(yīng)用實(shí)例分析

本文以大慶油田某輸油管道為研究對(duì)象，計(jì)算并分析其管道運(yùn)行火用耗，從而確定最佳運(yùn)行參數(shù)。管道運(yùn)行基本參數(shù)及油品物性參數(shù)見表1[5]。

表1 管道運(yùn)行基本參數(shù)及油品物性參數(shù)

建立PIPEPHASE模型，改變輸量為30、35、40、45、50、55、60、65和70 m3/h，保持其他參數(shù)不變，保證終點(diǎn)壓力為300 kPa，其分別對(duì)應(yīng)的起點(diǎn)壓力為795.3、766.1、768.6、796.7、846.7、922.5、1 022.0、1 152.3和1 310.2 kPa，終點(diǎn)溫度為306.1、309.3、311.7、313.7、315.4、316.8、318.1、319.1和319.9 K。

根據(jù)上述火用經(jīng)濟(jì)學(xué)數(shù)學(xué)模型，可繪制出火用耗指標(biāo)隨輸量的變化規(guī)律曲線，如圖1所示。

圖1 火用耗指標(biāo)隨輸量變化曲線

根據(jù)圖1可知，管輸原油過程中，壓火用耗值隨著輸量的增大先減小后逐漸增大；熱火用耗值隨著輸量的增大逐漸減小；總火用耗費(fèi)用隨著輸量的增大先減小，在輸量為50 m3/h時(shí)減小至最小值，之后又逐漸增大。通過計(jì)算可知，火用耗指標(biāo)先減小而后有緩慢增大，在輸量為60 m3/h時(shí)為最小值，即最優(yōu)輸量為60 m3/h。

4 結(jié)語

管輸原油過程的火用耗，主要包括發(fā)生于溫度場(chǎng)的熱火用耗和發(fā)生于壓力場(chǎng)的壓火用耗，根據(jù)熱火用和壓火用不用的火用價(jià)格，可計(jì)算出火用耗費(fèi)用和剩余火用費(fèi)用。管輸過程中，應(yīng)使得火用耗費(fèi)用與前期投資費(fèi)用之和盡可能小，剩余火用費(fèi)用盡可能多，才最有利于管輸過程的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。以大慶某輸油管道為研究對(duì)象，通過計(jì)算，繪制出火用耗指標(biāo)隨管道輸量的變化規(guī)律曲線，從而確定最優(yōu)輸量為60 m3/h。

[1]傅秦生．能量系統(tǒng)的熱力學(xué)分析方法[M]．西安：西安交通大學(xué)出版社，2005.

[2]孫家寧，陳清林，尹清華，等．基于能級(jí)概念的火用經(jīng)濟(jì)學(xué)計(jì)價(jià)策略[J]．熱能動(dòng)力工程，2003，18（6）：552-555.

[3]成慶林．多勢(shì)場(chǎng)火用傳遞過程的理論研究及其工程應(yīng)用[D]．東北石油大學(xué)，2004.

[4]沈維道，童鈞耕．工程熱力學(xué)[M]．北京：高等教育出版社，2007.

[5]張萌．管輸原油過程熱力學(xué)火用流評(píng)價(jià)與分析[D]．大慶：東北石油大學(xué)，2013.

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.1.005

基金論文：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51174042，51106020)；中國石油科技創(chuàng)新基金(2012D—5006—0610)及黑龍江省普通高等學(xué)校青年學(xué)術(shù)骨干計(jì)劃支持項(xiàng)目(1252G005)。