原油管道外输系统运行能耗二级递阶优化研究

原油管道外输系统运行能耗二级递阶优化研究

李山

身份证号： 37230119731021**** 山东 潍坊 261041

摘要：随着油田的进一步开发，原油物理状态的变化和油田产量的动态增加，使得输油管道的运行方案难以适应目前的管道特点，加热炉和水泵机组的组合方法及其运行参数不能满足要求有必要根据总能耗成本，以热能和水作为外部运输系统的制约因素，为外部运输系统建立优化模型，并确定有助于降低成本的加热炉、外部运输泵组合方法和生产参数

关键词：原油管道；外输系统；运行能耗；二级递阶优化；

引言

作为世界上能源消耗量最大的国家，能源供应一直是我们面临的主要挑战，而作为世界上人口最多的国家，个人在资源中所占份额仍然很小。石油是能源建筑的重要支柱，它已达到前所未有的外部依赖程度，在全球资源有限的情况下，减少能源消耗尤为重要。在许多原油运输方式中，管道运输承担了收集原油的沉重责任，在安全、运输能力和对环境条件的影响方面都有好处。作者通过参考相关资料和实地实践研究，对原油管道采集过程中的主要能源消耗进行了分析，并具体说明了相应的能源和能源消耗减少措施，希望就原油采集提出建议。

1原油储运系统能耗分析

石油和天然气的储存和运输往往伴随着石油和天然气、电力和燃料等能源消耗，而石油和天然气的蒸发损失则发生在原油的储存和运输过程中。由于蒸汽损失无间断，能源消耗高，碳氢化合物质量低，环境受到污染，有燃烧和爆炸的危险。电力消耗主要来自输油泵组等基础设施设备，如果维护设备不及时更新，将导致电力消耗空，影响原油运输效率，造成经济损失和能源浪费。国内原油具有凝固点、高粘度和高蜡含量等特点，往往需要加热运输，导致燃料消耗。此外，该工艺的运行计划、储油层的清洁和绝缘以及能源消耗监测和管理系统的有效实施将对原油储存和运输系统的能源消耗产生影响。

2原油管道外输系统优化模型

为降低输油能耗，以能耗费用最低作为管道外输系统生产运行参数优化的最优准则。管道外输系统生产运行参数优化的目标函数为 式中：s是能源消耗的总成本，单位为美元/d；I是热泵站的序列号；n是热泵站的数量；g是质量流量，kg/s；-这是油的相对热容差，j/(kg c)；TR是泵站输出温度，c；TZ是泵站的入口温度，c；Ef是燃油价格，元/t；οf表示炉效率，%；BH是燃料燃烧值，kj/kg；Ep是电费，人民币/kwh；h为油泵提供升降行程，m；ο是变速器油泵的效率，%；οp是发动机效率，%。

3原油管道集输能耗分析

3.1加热炉能耗分析

加热炉是原油集热的输出设备，能够承受原油脱水、外部损失温度上升和供热热网络管道，但同时，根据统计数据，加热炉是原油集热期间能耗最高的设备 加热炉的能源消耗占所有设备能源消耗的80%以上，在一些输油站甚至超过90%。 目前，全国大部分加热炉要么生气，要么原油被用作燃料，因此能源消耗的主要评估指标是:燃油损耗、热效率、空气系数、排气温度等.

3.2分析生产作业的能源消耗

由于储油层日益多样化，不同油井的液体成分差异较大，通过管道、转运站和联合站对原油进行初步处理变得更加困难，不能一概而论。如果生产运行不合理，往往会出现因出油液含水量过大、采油速度不合理而导致采油管道腐蚀甚至断裂等问题，从而增加油田的运营成本。因此，在生产和收集原油时，应选择科学合理的生产和开采措施，以尽量避免因生产和开采措施不当而浪费资源。

4第二级子模型

结合外输管道末端热力、水力约束条件将不满足实际外输运行工况的方案剔除，在剩余方案中以外输系统总能耗费用为优化目标，确定加热炉与泵机组外输最优组合方式，加热炉能耗及输油泵耗电量计算公式为 式中：q表示热能消耗，kj/d；n对于电力消耗，kWh/d。提高加热炉热效率是实现低能耗和管道油生产效率的关键。研究和开发提高加热炉燃烧效率的技术对实际生产十分重要。热效率可用于测量此运行模式下的炉心经济性。热效率越高，油加热效率越高。在窑炉出厂时，制造商给出了窑的额定热效率，但在现场使用时，往往由于加热环境和燃料之间的差异而出现偏差。

5原油管道集输节能降耗对策

5.1加热蒸汽能耗的降低

从整体构成上看，水，电和蒸汽这三部分构成了油气储运的能耗部分。其中，蒸汽方面就占据高达80%，由此看来降低加热蒸汽方面的这个局部是重中之重。倘若温度逐渐升高，油气的粘度会随之下降，也就是变小，所以油气在储藏的时候需要加热蒸汽使得温度升高来降低其黏度。不过大部分时间加热蒸汽消耗的能量要高于减小运输功率所节省的，结果总体还是增加了整体的能耗。为了做到真正的减少能耗，要做的就是控制油气存储的气温，还要使蒸汽加热和功率两者输出的能量最小。

5.2输送节能技术

油气储运系统的节能中，输送节能技术的应用也极为重要，各个油气企业在当下的发展条件下都必须要完善现有的输送模式，选用常温输送方式来实现整体节能优化。在出油温度高于最低集输温度的情况下，常温输送方式更为适用，在很多时候又被称为不加热集输技术，在当下的油气储运系统节能中，这一技术的应用十分广泛。集油过程中，包含了多种的方式，比如，双管、单管和环状不加热，不同的集油方式都有各自对应的特点和适用条件，比如，单管方式和单管不加热集油方式下，主要利用的是油井生产时的温度和压力作用，而双管不加热集油方式下，经由适当的优化，通过集油管线优化，形成主副双管来达到良好的集油处理效果。环状不加热集油方式应用中，可以充分利用集油管线的优势，经由集油管线的科学应用，可以从根本上对计量阀加以控制，将油井串联起来形成环状，在环的两端位置，保障计量阀组间提供掺水的情况下，油井中的水、油可以直接集输到计量阀组间的汇管中。

5.3输油泵机组变频调速节能技术

之前经常调节流量是使用离心泵出口开幅或者改变其运转速度来调整流量的，不过消耗能量很大，输油泵机组变频延续使用离心泵的道理，不过差异在于它使用变频方式调节，不仅降低能耗，避免节流的损失，还能够延长它的使用寿命，这样真是一举两得，节能的同时也比较经济。

5.4变频技术与混输技术

在当下油气资源开发和利用中人们对节能减排工作的日渐重视，必须要根据油气储运的现实需求来进行变频技术的使用，在变频技术下对输油泵电机的转速调节，这一控制方式下，流量控制更为精准。根据变频技术在油气储运系统中的应用情况，通过变频控制的方式，可以在很大程度上减小出口阀的节流损失，使得电机可以保持在最为理想的运行条件下，避免噪声、震动、磨损等所引起的电机异常和能耗问题。此外，混输技术同样是油气储运系统中可选择的节能技术，这一技术的应用可以从整体上提升节能效果，经由水、气、油不同介质的混输，也就将能耗控制在了正常标准内。

结束语

适用于长庆油田外输油管道的热力和水力数学模型，是根据gb 50253—2014管道技术设计标准和gb 50350—2015管道设计标准，结合原油物理参数和管道基本数据建立的 采用线性回归和热液数学模型校正，满足工程实际应用条件。 与实际运行相比，热计算模型误差小于3%，液压计算模型误差小于4.3%。以管道水力热数学模型为基础，采用二次传动优化思想，次模型采用枚举方法求解设备组合在一定外部传动温度条件下的优化运行方案。

参考文献

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