寇 杰，李春輝，孫 奇，郭勛臣

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島266580；2.勝利油田石油開(kāi)發(fā)中心有限公司，山東 東營(yíng)257000)

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對(duì)電力的需求在逐步加大。發(fā)電廠為了保證用電，在設(shè)計(jì)發(fā)電能力時(shí)通常是按照用電高峰時(shí)期的容量來(lái)設(shè)計(jì)的。這樣，在用電高峰時(shí)期就能保證提供足量的電力，但是在用電低谷時(shí)期，部分發(fā)電設(shè)備就會(huì)空轉(zhuǎn)閑置。因此，在用電高峰和用電低谷時(shí)期的發(fā)電成本就產(chǎn)生了差距，所以造成了在不同時(shí)段內(nèi)按照不同的電價(jià)進(jìn)行收費(fèi)的情況。

輸油管道運(yùn)行優(yōu)化是降低輸油成本的有效措施，一直都是油田集輸領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。以往國(guó)內(nèi)進(jìn)行運(yùn)行優(yōu)化研究時(shí)，通常只考慮如何使泵在高效率區(qū)工作，再采用“分時(shí)均量”方式輸送，即每小時(shí)外輸量相等，忽略了利用分時(shí)電價(jià)政策。事實(shí)上，峰谷電價(jià)相差很大，這就會(huì)致使即便外輸量一直不變，各時(shí)段耗電量相同，一天內(nèi)不同時(shí)段電費(fèi)也會(huì)有很大的差距。以某管道為例，外輸泵峰、谷時(shí)段耗電情況見(jiàn)表1。

表1 某管道外輸泵峰、谷時(shí)段耗電情況

由表1可以看出，外輸泵在“峰”時(shí)段輸送了550 m3原油，花費(fèi)321元，在“谷”時(shí)段輸送了880 m3原油，卻只花費(fèi)128元，證明目前的“分時(shí)均量”輸送方式有很大的優(yōu)化優(yōu)化空間。

因此，為實(shí)現(xiàn)降低電費(fèi)的目的，可以利用峰谷電價(jià)體制，合理調(diào)整不同時(shí)段管道輸量，在完成每天輸油任務(wù)的前提下，使日電費(fèi)最少。但是，從管道運(yùn)行安全角度考慮，受油品本身特性和管道設(shè)計(jì)壓力的限制，不能無(wú)限制增加谷時(shí)電價(jià)期間的輸量，同時(shí)峰時(shí)輸量也不能小于最小安全輸量。因此，在峰谷電價(jià)體制下輸量必須控制在一定的范圍內(nèi)[1-5]。本文通過(guò)建立原油管道泵送電費(fèi)數(shù)學(xué)模型，研究外輸油泵優(yōu)化運(yùn)行方案，合理安排不同時(shí)段輸量，達(dá)到降低電費(fèi)的目的。

1 數(shù)學(xué)模型

本文研究的管道只有一臺(tái)泵對(duì)原油增壓，且可通過(guò)變頻裝置調(diào)節(jié)輸量。

將每天分四個(gè)時(shí)段，設(shè)第i時(shí)段(i=1、2、3、4，分別對(duì)應(yīng)尖時(shí)、峰時(shí)、平時(shí)、谷時(shí))電價(jià)為Ci元/(kW·h)，運(yùn)行ti小時(shí)，該時(shí)段泵頻率為niHz，軸功率為NeikW，該時(shí)段管道流量為qim3/h，每天計(jì)劃輸量為Qm3，故每日電費(fèi)的數(shù)學(xué)模型，見(jiàn)式(1)，約束條件見(jiàn)式(2)～(4)。

(1)

qmin

Hc=Hf+Hh(4)

式中：qmin為管道最小安全輸量，m3/h；qmax為管道允許最大輸量，由管道材質(zhì)決定，m3/h；Hc為出站壓頭，m；Hf為管道全線摩阻，由于是長(zhǎng)輸管道，可近似為沿程摩阻損失，m；Hh為管道起點(diǎn)和終點(diǎn)的高程差，m。

管道最小安全輸量需要從熱力和管道特性?xún)蓚€(gè)方面來(lái)確定。使用蘇霍夫公式計(jì)算管道熱力條件允許的最小安全輸量；對(duì)于管道特性最小安全輸量的確定，要計(jì)算不同輸量時(shí)管道的摩阻損失，做出管道的工作特性曲線，找出不穩(wěn)定工作區(qū)，確定管道特性最小安全輸量，取二者中較大的作為管道安全輸量界限[6-7]。

利用達(dá)西公式計(jì)算沿程摩阻損失，首先需要確定摩阻系數(shù)，摩阻系數(shù)與雷諾數(shù)有關(guān)，而輸送過(guò)程中油品溫度不斷降低，雷諾數(shù)也隨之改變，因此，不能把摩阻系數(shù)當(dāng)做定值。計(jì)算時(shí)使用Matlab編寫(xiě)程序，把管線分為等距離的若干段，分別計(jì)算每一段溫降，再求出壓降，壓降之和即為沿程摩阻損失，稱(chēng)為“分段算法”，這樣在保證精度的前提下簡(jiǎn)化了求解過(guò)程。

離心泵輸量隨頻率改變，但同時(shí)泵的效率也會(huì)變化，Nei由式(5)求解。

(5)

式中：qi為第i時(shí)段泵的輸量；Hi為第i時(shí)段泵在輸量qi下泵的揚(yáng)程；ηi為此時(shí)段泵的效率，由相似工況下泵的效率不變?cè)?，若要確定ηi,需先計(jì)算輸量qi在額定轉(zhuǎn)速n0下對(duì)應(yīng)的相似點(diǎn)q0。

泵額定工況下的特性方程H=A-BQ2-m已知，將通過(guò)“分段算法”求出的摩阻Hi和此時(shí)的輸量qi帶入式(6)，即可求出此時(shí)段泵的轉(zhuǎn)速ni。

(6)

根據(jù)離心泵改變轉(zhuǎn)速時(shí)輸量和轉(zhuǎn)速的關(guān)系可以求出相似點(diǎn)q0,進(jìn)而可以求出此時(shí)泵的效率。

沿程摩阻損失與管道輸送過(guò)程中的溫度變化直接相關(guān)，因此，求解管道傳熱系數(shù)十分重要。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，管道傳熱系數(shù)與外界溫度有關(guān)，考慮到相鄰月份外界溫度變化不大，把一年分為四個(gè)季度，1月、2月、3月為第一季度，以此類(lèi)推，求解不同季度管道傳熱系數(shù)。為提高管道熱力計(jì)算的精度，采用“最優(yōu)化擬合”技術(shù)，在特定季度內(nèi)，最大限度符合所有管道實(shí)際溫降的K值即為該季度管道的傳熱系數(shù)，為提高求解效率采用LINGO優(yōu)化軟件進(jìn)行編程求解[8-10]。

2 模型求解

遺傳算法的基本思想簡(jiǎn)單，具有全局搜索、簡(jiǎn)單通用、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[11-13]。各時(shí)段輸量組合優(yōu)化問(wèn)題，可以采用基于整數(shù)編碼的遺傳算法對(duì)日電費(fèi)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解。

1) 步驟一：編碼與產(chǎn)生初始種群。使用整數(shù)編碼，將一條染色體編碼成向量ck，染色體長(zhǎng)度為4，依次對(duì)應(yīng)尖、峰、平、谷各時(shí)段輸量，將種群在一定的約束條件下初始化，產(chǎn)生初始可行解，見(jiàn)式(7)。因此，每條初始染色體代表一種可行的輸量方案。

(7)

3) 步驟三：遺傳操作。對(duì)染色體的遺傳操作包括選擇、交叉、變異。選擇操作采用輪盤(pán)賭選擇法，根據(jù)各染色體的適應(yīng)度，從種群中選出一定規(guī)模的個(gè)體重組成新種群；交叉操作采用單點(diǎn)交叉方式產(chǎn)生子代，即根據(jù)交叉概率挑選兩組染色體，把這兩組染色體上對(duì)應(yīng)位置的數(shù)據(jù)互換；變異操作采用均勻多點(diǎn)變異方式產(chǎn)生子代。本文研究的變量之和為定值，所以在交叉前和變異后，需對(duì)所得染色體進(jìn)一步處理以滿(mǎn)足要求。

交叉前：

交叉后：

數(shù)據(jù)處理：

這樣處理后，最后得到的數(shù)據(jù)可滿(mǎn)足輸量要求。

4) 步驟四：對(duì)于子代群體，重復(fù)步驟二和步驟三，進(jìn)行新一輪遺傳進(jìn)化過(guò)程，直到迭代收斂(適應(yīng)度值趨向穩(wěn)定)，可認(rèn)為找到最優(yōu)解。

3 案例分析

某原油管道全長(zhǎng)45.7 km，首站高5.5 m，末站高22 m，管徑為Φ 273 mm×15 mm，管壁粗糙度0.1 mm，日輸量4 600 m3，首站所在地區(qū)“尖時(shí)”電價(jià)為1.10元/(kW·h)，“峰時(shí)”電價(jià)為1.04元/(kW·h)，“平時(shí)”電價(jià)為0.65元/(kW·h)，“谷時(shí)”電價(jià)為0.26元/(kW·h)，各時(shí)段分別運(yùn)行3 h、5 h、8 h，輸送一種原油。

表2是各種輸量方案結(jié)果的對(duì)比。優(yōu)化結(jié)果表明，并不是電費(fèi)最低時(shí)輸量最大，電費(fèi)最高時(shí)輸量最小，這不符合利用分時(shí)電價(jià)的預(yù)期，為了使優(yōu)化結(jié)果更有說(shuō)服力，引入“理想調(diào)量”方案進(jìn)行對(duì)比。“分時(shí)均量”輸送是油田原來(lái)采用的輸送方案，即每小時(shí)輸量相同，“理想調(diào)量”輸送是指“谷時(shí)”以最大輸量輸送、“尖時(shí)”以最小輸量輸送，“優(yōu)化調(diào)量”輸送是優(yōu)化求得的運(yùn)行方案。

由表2可以看出，由于各季度管道傳熱系數(shù)的不同，日電費(fèi)也隨之改變。這是因?yàn)殡S著傳熱系數(shù)的增大，油品溫降也會(huì)變大，導(dǎo)致黏度上升，沿程摩阻損失增加，最終會(huì)使泵耗電費(fèi)變大。因此，三種輸量方案都是第三季度日電費(fèi)最小，第一季度日電費(fèi)最大。同時(shí)，與“分時(shí)均量”輸送方案相比，兩種調(diào)量輸送方案能節(jié)約的日電費(fèi)也在變小，這是因?yàn)檎{(diào)量輸送時(shí)不同時(shí)段輸量相差較大，當(dāng)輸量較小時(shí)，易受管道傳熱系數(shù)影響，溫降較大，沿程摩阻損失增大，最終使電費(fèi)變大，而“分時(shí)均量”輸送時(shí)輸量較大，溫降變化不大，電費(fèi)較為穩(wěn)定。

表2 各季度輸量方案日電費(fèi)/電量對(duì)比

與“分時(shí)均量”輸送方案相比，后兩種輸送方案耗電量明顯增大，這是由于輸量變化較大導(dǎo)致的。一般來(lái)說(shuō)，選泵的時(shí)候會(huì)考慮盡可能使泵在高效率區(qū)工作，當(dāng)泵輸量過(guò)小時(shí)，泵的效率會(huì)降低，需要消耗更多電量；而當(dāng)輸量過(guò)大時(shí)，由于沿程摩阻損失與輸量的平方成正比，摩阻損失會(huì)隨著輸量的增大急劇增大，也會(huì)使耗電量顯著增加。因此，“分時(shí)均量”輸送方案耗電量會(huì)顯著小于后兩者，但本文的優(yōu)化目標(biāo)是電費(fèi)最小，可不考慮一定要讓泵在高效率區(qū)工作。

與“理想調(diào)量”方案費(fèi)用相比，“優(yōu)化調(diào)量”方案費(fèi)用更少，是最優(yōu)運(yùn)行方案。當(dāng)泵耗電費(fèi)最小時(shí)，“谷時(shí)”輸量沒(méi)有達(dá)到最大輸量，“峰時(shí)”輸量也不是最小輸量，這是由三方面因素造成的：①每天都需要完成額定的輸量任務(wù)，由于管材承壓性能的限制，不能無(wú)限制增大輸量，管道有一個(gè)最大輸量，為確保管道安全運(yùn)行，若是在電價(jià)較高的時(shí)候都用最小輸量輸送，在電價(jià)較低時(shí)即使以最大輸量輸送也無(wú)法完成計(jì)劃；②優(yōu)化的目標(biāo)是日電費(fèi)最低，需要把四個(gè)時(shí)段作為一個(gè)整體來(lái)考慮，各時(shí)段所耗電費(fèi)之和最小才是要求解的目標(biāo)；③摩阻損失與輸量的平方成正比，因此，摩阻損失會(huì)隨著輸量的增大急劇增大，從而使泵耗電費(fèi)顯著增加。從表2也可看出，“理想調(diào)量”方案日電費(fèi)明顯大于“優(yōu)化調(diào)量”的日電費(fèi)。

4 結(jié) 論

針對(duì)分時(shí)電價(jià)政策，建立日電費(fèi)數(shù)學(xué)模型，并使用遺傳算法進(jìn)行求解。現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證表明，使用優(yōu)化方案調(diào)量輸送可顯著降低日電費(fèi)，這種方法不需要購(gòu)買(mǎi)新裝置，有推廣使用的價(jià)值。

優(yōu)化結(jié)果表明，要使日電費(fèi)最低，需要把四個(gè)時(shí)段作為一個(gè)整體來(lái)考慮，并不是“谷時(shí)”以最大輸量、“尖時(shí)”以最小輸量輸送就是最優(yōu)輸送方案。此外，為達(dá)到電費(fèi)最低的目的，不需盡量使泵在高效率區(qū)工作。

大氣溫度的改變會(huì)導(dǎo)致管道埋深處自然地溫變化，管道傳熱系數(shù)也會(huì)隨之改變，因此，不同季度的最優(yōu)輸送方案不同。同時(shí)，泵耗電費(fèi)與管道傳熱系數(shù)密切相關(guān)，為減小管道傳熱系數(shù)，可在管道上敷設(shè)新型保溫材料。

精確測(cè)定油品性質(zhì)是優(yōu)化的前提，隨著油田進(jìn)入開(kāi)采后期，使用大量藥劑輔助開(kāi)采，油品性質(zhì)會(huì)經(jīng)常變化，要每隔一段時(shí)間重新測(cè)定油品性質(zhì)。

[1] SPARROW D．Implementing Software Systems for Multi-product Pipeline Scheduling[J].Pipes & Pipelines International,1985,30(4):14-18．

[2] 趙娟，譚忠富，李強(qiáng)．我國(guó)峰谷分時(shí)電價(jià)的狀況分析[J].現(xiàn)代電力，2005，22(2)：82-85．

[3] VIJERDEN N G.Optimization Pipeline Operation[J].Journal of Petroleum Technology,1980,32(11):2063-2067．

[4] 孟振虎，陳毅忠，馬平．輸油管道運(yùn)行優(yōu)化實(shí)用分析[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2002，21(4)：9-13．

[5] 姜海斌，袁運(yùn)棟，蔡麗君，等．庫(kù)鄯輸油管道最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式的確定[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2002，21(2):40-42．

[6] 馮叔初，郭揆常，等．油氣集輸與礦場(chǎng)加工[M].東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)出版社，2006：149-152．

[7] 楊筱衡．輸油管道設(shè)計(jì)與管理[M].東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)出版社，2006：199-201．

[8] 張國(guó)忠．理地?zé)嵊凸艿罍?zhǔn)周期運(yùn)行溫度研究[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2001，20(6)：4-7．

[9] 徐銘澤．榆樹(shù)林油田集輸系統(tǒng)骨架管道安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行技術(shù)研究[D].大慶：東北石油大學(xué)，2015．

[10] 劉曉燕，劉揚(yáng)，孫建剛，等．輸油管道運(yùn)行優(yōu)化研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2004，25(4)：558-561．

[11] 李海娜，吳家勇，陶江華，等．峰谷電價(jià)體制下原油管道輸油方案研究研究[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2016，34(4):7-11．

[12] 葛繼科，邱玉輝，吳春明，等.遺傳算法研究綜述[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2008，25(10)：2911-2916.

[13] 曾文飛，張英杰，顏玲.遺傳算法的基本原理及其應(yīng)用研究[J].軟件導(dǎo)刊，2009，8(9)：54-56.