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峰谷電價(jià)體制下原油管道輸油方案優(yōu)化研究

文檔作者：李海娜1 吳家勇2 陶江華1 徐亮1 張舟1 文檔來(lái)源： 1．中國(guó)石油管道公司 2．中國(guó)石油管道科技研究中心，		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年10月10日
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第34卷第4期
OIL AND GAS TRANSPORTATION AND STORAGE 油黽儲(chǔ)運(yùn)07
峰谷電價(jià)體制下原油管道輸油方案優(yōu)化研究
李海娜1 吳家勇2 陶江華1 徐亮1 張舟1
1．中國(guó)石油管道公司， 河北廊坊065000；
2．中國(guó)石油管道科技研究中心， 河北廊坊065000
摘要：以日東原油管道為例，建立了峰谷分時(shí)電價(jià)體制下各輸油站泵機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行時(shí)動(dòng)力耗
電的數(shù)學(xué)模型，考慮了流態(tài)、摩阻、高程及油品黏度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，在保證曰輸油計(jì)劃的情況
下，求解了平均輸量和分時(shí)段調(diào)整輸量下的最少泵送動(dòng)力耗電費(fèi)用，得到最優(yōu)配泵和輸油方案。計(jì)
算結(jié)果表明，當(dāng)日輸量處于某一適中范圍時(shí)，利用峰谷電價(jià)體制調(diào)整管道輸油方案，具有一定的優(yōu)
化運(yùn)行降低能耗成本的潛力。同時(shí)，因日東線(xiàn)采用在線(xiàn)摻混輸送工藝，通過(guò)分析對(duì)比輸送不同摻混
比例油品的單位能耗，表明不同摻混黏度的油品節(jié)能效果不同，對(duì)日東原油管道摻混輸送具有一定
的理論參考意義。
關(guān)鍵詞：峰谷電價(jià)；節(jié)能；優(yōu)化運(yùn)行；摻混輸送
DOI：10．3969／j．issn．1006—5539．2016．04．002
0前言
日東原油管道是長(zhǎng)距離常溫輸送中東重質(zhì)和中質(zhì)
原油的輸油管道。由于油源發(fā)生變化，日東原油管道目
前以常溫?fù)交燧斔臀瘍?nèi)瑞拉原油和中東原油為主，其中
委內(nèi)瑞拉原油為低凝點(diǎn)、高黏度、膠質(zhì)含量高的原油，中
東重質(zhì)原油及中東中質(zhì)原油為低黏度原油(20℃時(shí)黏度
在55 cst以下)?。實(shí)踐表明，常溫輸送原油管道運(yùn)行中
泵送電力費(fèi)用占整條管道經(jīng)營(yíng)成本比例較大，同時(shí)輸油
單位能耗是衡量管道系統(tǒng)能耗水平高低的主要標(biāo)志，降
低輸油單位能耗的主要途徑是泵機(jī)組與管路相匹配并
保持較高運(yùn)行效率，達(dá)到最優(yōu)工作狀態(tài)121。結(jié)合近兩年
的輸送經(jīng)驗(yàn)，為實(shí)現(xiàn)控制能耗成本、降本增效的目的，可
以利用峰谷電價(jià)體制，合理調(diào)整管道輸送流量，在管道
滿(mǎn)足每天輸油任務(wù)的前提下，使泵送電力費(fèi)用最少"。4 J。
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)期間的流
量，以防止管道超壓；同樣由于摻混輸送油品的密度和
黏度不同，會(huì)影響管道的沿程摩阻，對(duì)輸量安排也會(huì)有
影響，因此，在峰符電價(jià)體制下安排輸量必須控制在一
定的范圍內(nèi)且要根據(jù)油品物性做適當(dāng)調(diào)整卜m|。通過(guò)
建立日東原油管道泵送電力費(fèi)用數(shù)學(xué)模型，研究沿線(xiàn)各
站輸油泵機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行方案，可以合理安排摻混輸送的
批次以及摻混比例，達(dá)到節(jié)能降耗的目的，節(jié)約輸油
成本卜"3。
1 管道運(yùn)行動(dòng)力耗電優(yōu)化模型
日東原油管道全線(xiàn)設(shè)有2個(gè)輸油泵站，1個(gè)清管站，
中間無(wú)分輸，首站6臺(tái)定轉(zhuǎn)速離心泵，其中2臺(tái)給油泵，4
臺(tái)輸油主泵；中間站3臺(tái)定轉(zhuǎn)速離心泵，1臺(tái)變頻離心
泵。13東原油管道沿線(xiàn)各站的電價(jià)見(jiàn)表l。
考慮到管道日常運(yùn)行的穩(wěn)定性，將每天峰谷電價(jià)分
為谷時(shí)和峰時(shí)2個(gè)時(shí)段，對(duì)應(yīng)的電價(jià)為C薦(C峰)，每天
運(yùn)行時(shí)間t擇(t峰)，該時(shí)段的流量對(duì)應(yīng)為q符(q峰)，每天
的計(jì)劃輸量為Q，根據(jù)峰谷電價(jià)體制計(jì)劃輸量下的最優(yōu)
泵送動(dòng)力費(fèi)用數(shù)學(xué)模型"一l為：
．s。。=￡擇c棒ΣΣLiNeⅡ+t許C峰ΣΣLFNeⅡ
j 21 J2I i=I t=1
(1)
收稿日期：2016—01—27
作者簡(jiǎn)介：李海娜(1983一)，女，湖南邵陽(yáng)人，T程師，博士，主要從事輸油氣管道T藝管理和運(yùn)行調(diào)控丁作。
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
2016年8月
表1 日東原油管道沿線(xiàn)電價(jià)表
式中：C谷為谷時(shí)電價(jià)，元／(kW·h)；C崦為峰時(shí)電
價(jià)，元／(kW·h)；t谷為每天谷時(shí)運(yùn)行時(shí)間，h；t峰為每天
峰時(shí)運(yùn)行時(shí)間，h；q岙為每天谷時(shí)電價(jià)時(shí)的流量，m 3／h；
q博為每天峰時(shí)電價(jià)時(shí)的流量，m 3／h；Q為每天的計(jì)劃輸
量，m 3；￡i袁示第i個(gè)泵站第，臺(tái)泵的運(yùn)行狀態(tài)，1表示運(yùn)
行，0表示停運(yùn)；Neii表示第i個(gè)泵站第_『臺(tái)泵的有效功
率，可以用以下公式進(jìn)行計(jì)算：
肫。=喘腎燕(定速泵)
(變頻泵)
油泵送電力費(fèi)用的最小值Js。i?？梢院?jiǎn)化為谷時(shí)流量q豁
和日輸量Q的函數(shù)，利用matlab編程分別計(jì)算不考慮峰
谷電價(jià)平均輸量運(yùn)行時(shí)和峰谷電價(jià)下調(diào)整輸量?jī)?yōu)化運(yùn)
行時(shí)的泵機(jī)組動(dòng)力耗電費(fèi)用，然后折算成油品單位能耗
進(jìn)行比較。同時(shí)由于目前日東原油管道長(zhǎng)期處于摻混
輸送運(yùn)行工況，根據(jù)摻混輸送的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算了不同摻
混比例下不同黏度油品節(jié)約單位能耗情況。
2 結(jié)果分析
日東原油管道全長(zhǎng)445 km，首站高程3．9 m，中間泵
站高程46．4 m，末站高程55 m；管徑分別為711 mm和
610 mm。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，為減少流量波動(dòng)頻繁對(duì)管
道本體運(yùn)行的影響，日東原油管道沿線(xiàn)電價(jià)分為峰時(shí)、
谷時(shí)2個(gè)時(shí)段，首站所在地區(qū)峰時(shí)電價(jià)為1．741 6元／
(kW·h)，谷時(shí)電價(jià)為0．435 4元／(kW·h)，中間泵站所
在地區(qū)峰時(shí)電價(jià)為1．219 1元／(kW·h)，谷時(shí)電價(jià)為0-355 7
元／(kW·h)。由于日東原油管道輸送進(jìn)口原油，油品種
類(lèi)較多，以下列出目前輸送頻次較高的3種油品，表2為
輸送油品在不同摻混比例時(shí)原油的密度和黏度。
(2) 表2輸送不同摻混比例油品時(shí)的密度和黏度
(3)
式中：g。為第i個(gè)泵站第J臺(tái)泵的流量，m 3／h；Hi為第i個(gè)
泵站第J臺(tái)泵在流量gi下泵機(jī)組的揚(yáng)程，m。
根據(jù)達(dá)西公式進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)輸送流量或摻混比例發(fā)
生變化時(shí)，需要重新確定該管內(nèi)油品的流態(tài)。
流量和時(shí)間約束條件如下：
t谷q谷+t峰q峰2 Q (4)
t谷+t峰=24(t谷≥0，t峰≥0) (5)
壓力約束條件如下：
Pb+PP=Pf+Pi。+P h+P。+P。(6)
式(6)為能量瞬時(shí)平衡方程，表示在d￡時(shí)間內(nèi)管道
系統(tǒng)的供能和耗能平衡。
P?！?．2 (7)
P?！?．5 (8)
式中：P。為管道起點(diǎn)壓力，MPa，可視為0．2 MPa；P，為
管道沿線(xiàn)各泵站提供的壓能之和，MPa；P，為管道全線(xiàn)摩
阻損失之和，MPa；Pi。為站內(nèi)壓力損失之和，MPa，每站壓
力損失計(jì)為0．01 MPa；P．為克服線(xiàn)路地形高差的壓力
損失，MPa；P。為各泵站節(jié)流損失之和，MPa，由于日東線(xiàn)
在調(diào)控運(yùn)行過(guò)程中采用手動(dòng)控制無(wú)節(jié)流，該項(xiàng)可計(jì)為
0 MPa；P。為終點(diǎn)壓力，MPa；P。為中間站進(jìn)站壓
力¨-9 3，MPa。
通過(guò)對(duì)式(1)一(8)進(jìn)行優(yōu)化分析，日東原油管道輸
2．1 平均輸量下運(yùn)行結(jié)果
輸油管道在運(yùn)行過(guò)程中主要著重于整個(gè)管道系統(tǒng)
的平穩(wěn)運(yùn)行，若根據(jù)峰谷電價(jià)分時(shí)調(diào)節(jié)輸量會(huì)對(duì)管道的
平穩(wěn)造成影響，同時(shí)管道的運(yùn)行管理和操作也會(huì)增加不
少工作量。圖1為輸送中東輕質(zhì)原油時(shí)，平均輸量運(yùn)行
下油品單位能耗隨日輸量的變化趨勢(shì)。圖1中日輸量在
19 000～24 000 t時(shí)，輸油泵機(jī)組處于低效運(yùn)行區(qū)間，油
日輸量／t
圖1 平均輸量運(yùn)行時(shí)油品單位能耗隨日輸量的變化曲線(xiàn)
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
第34卷第4期
OIL AND GAS TRANSPORTATION AND STORAGE
品單位能耗相對(duì)較大；隨著El輸量的逐漸增加，泵運(yùn)行
效率增大，油品單位能耗逐漸減少；當(dāng)Et輸量增加到一
定程度后，為滿(mǎn)足輸量安排，計(jì)算過(guò)程中會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)配
泵方案或增加變頻泵轉(zhuǎn)數(shù)使管道系統(tǒng)趨于平衡狀態(tài)，油
品單位能耗會(huì)出現(xiàn)跳躍式增加，若日輸量持續(xù)增加會(huì)出
現(xiàn)類(lèi)似趨勢(shì)。
2．2峰谷電價(jià)下調(diào)整輸量?jī)?yōu)化運(yùn)行結(jié)果
輸油管道在日常運(yùn)行管理中，對(duì)管道輸送流量進(jìn)行
調(diào)節(jié)應(yīng)在完成輸送任務(wù)的前提下，以全線(xiàn)能耗費(fèi)用最低
為基本原則。根據(jù)峰谷電價(jià)體制，在滿(mǎn)足計(jì)劃輸量的情
況下對(duì)l d中不同電價(jià)時(shí)段實(shí)時(shí)調(diào)整輸量，峰時(shí)減小流
量，谷時(shí)增加流量。同時(shí)，當(dāng)輸量發(fā)生變化時(shí)泵機(jī)組運(yùn)
行狀態(tài)做相應(yīng)調(diào)整，優(yōu)化配泵方案與管路相匹配，使其
在匹配狀態(tài)下能保持較高運(yùn)行效率，達(dá)到節(jié)能降耗的
目的h7。
圖2優(yōu)化運(yùn)行時(shí)油品單位能耗隨日輸量的變化曲線(xiàn)
圖2為輸送中東輕質(zhì)原油時(shí)，利用峰谷電價(jià)體制調(diào)
整輸送流量及配泵方案情況下油品單位能耗隨日輸量
的變化曲線(xiàn)。圖2表明，隨著日輸量增加，油品單位能耗
逐漸降低，當(dāng)日輸量約19 674 t時(shí)達(dá)到最小單位能耗值，
隨之，油品單位能耗成上升趨勢(shì)；當(dāng)日輸量增加到
25 265、25 887、28 372 t時(shí)，油品單位能耗會(huì)出現(xiàn)階梯式
跳躍。以上趨勢(shì)同樣說(shuō)明日輸量較小時(shí)泵機(jī)組處于低
效運(yùn)行狀態(tài)，油品單位能耗相對(duì)較大；日輸量的逐漸增
大，使得泵效增大單位能耗降低，然而，根據(jù)達(dá)西公式可
知，沿程摩阻隨著流量的增大而增大，在Et輸量達(dá)到某
個(gè)限值時(shí)，油品單位能耗也隨之增大。通過(guò)對(duì)比圖l和
圖2，當(dāng)日輸量處于某一適中范圍時(shí)，通過(guò)調(diào)整輸送流量
對(duì)節(jié)能降耗起到一定的作用，且最佳的泵優(yōu)化方案可以
大大降低輸送成本。
2．3節(jié)約油品單位能耗對(duì)比分析
對(duì)于密閉輸送的管道系統(tǒng)，全線(xiàn)是一個(gè)統(tǒng)一的水力
系統(tǒng)。應(yīng)根據(jù)沿線(xiàn)各站的能耗單價(jià)、管道和泵站的承壓
油氣儲(chǔ)運(yùn)09
能力，綜合考慮全線(xiàn)泵站和站內(nèi)泵機(jī)組的組合方式，盡
量提高低電價(jià)泵站的能量供應(yīng)，減少高電價(jià)泵站的能量
供應(yīng)¨3I。圖3為平均流量和優(yōu)化運(yùn)行調(diào)整輸送油品流
量時(shí)節(jié)約油品單位能耗隨日輸量的變化曲線(xiàn)，通過(guò)對(duì)比
發(fā)現(xiàn)在Et輸量處于較低時(shí)，節(jié)約單位能耗相對(duì)較少，當(dāng)
El輸量在21 537～25 265 t和26 300～28 372 t范圍時(shí)節(jié)
約油品單位能耗比例較大。表3為輸送中東輕質(zhì)原油日
輸量為20 916、22 573、22 780、24 851、26 922 t時(shí)對(duì)應(yīng)的
平均流量和優(yōu)化運(yùn)行時(shí)的油品單位能耗、配泵方案以及
節(jié)約的油品單位能耗。日輸量較低時(shí)，節(jié)約能耗費(fèi)用較
少，建議在該日輸量范圍內(nèi)直接采用平均流量輸送，減
少操作對(duì)管道平穩(wěn)運(yùn)行的影響；在El輸量為22 780 t時(shí)
節(jié)約油品單位能耗最大，根據(jù)節(jié)約油品單位能耗趨勢(shì)變
化圖，當(dāng)日輸量在節(jié)約油品單位能耗相對(duì)較大的范圍
時(shí)，建議采用管道運(yùn)行動(dòng)力耗電優(yōu)化模型計(jì)算得到優(yōu)化
輸油及配泵方案，從而在實(shí)際管道運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)峰谷
電價(jià)調(diào)整輸送流量及泵運(yùn)行狀態(tài)。
圖3平均流量和優(yōu)化運(yùn)行時(shí)節(jié)約油品
單位能耗隨日輸量的變化曲線(xiàn)
然而，輸油管道在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中并不能保證泵機(jī)
組長(zhǎng)期處于高效運(yùn)行區(qū)間，且其他輔助設(shè)備耗電費(fèi)用在
整個(gè)耗電量中所占比例不小，理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況
會(huì)存在一定的誤差。為了進(jìn)一步驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果，2015年
9月中控調(diào)度根據(jù)日東原油管道沿線(xiàn)峰谷電價(jià)對(duì)全線(xiàn)流
量進(jìn)行調(diào)整，運(yùn)行期間全線(xiàn)流量控制在1 000～1 500 Ill3／h，
并根據(jù)實(shí)際耗電量及電費(fèi)計(jì)算油品單位能耗，由于El東
原油管道根據(jù)海上來(lái)油情況間歇輸送原油，其中9月6
El全天輸量約1 300 m3／h，首站和中間站各運(yùn)行2臺(tái)輸
油主泵，日輸量約27 368．82 t，El耗電費(fèi)用約49 942．68
元，油品單位能耗為0．004 1元／t·km；9月30日22：
00～10月1日8：00首站3臺(tái)輸油主泵運(yùn)行，中間站2臺(tái)
輸油主泵運(yùn)行，運(yùn)行輸量約1 450 m 3／h，10月1日10：
00～20：00 El照首站2臺(tái)輸油主泵運(yùn)行，運(yùn)行輸量約
910 Ell 3／h，日輸量約26 287．072 t，El耗電費(fèi)用約
45 583．95元，油品單位能耗為0．003 9元／t·km，根據(jù)
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
1 O 2016年8月
以上測(cè)試結(jié)果，油品單位能耗節(jié)約o．000 2元／t·km。在
理論計(jì)算中，若以日輸量約26 922 t計(jì)算，平均輸量下油
品單位能耗為0．009 34元／t·km，采用峰谷電價(jià)合理安
表3 輸送中東輕質(zhì)原油時(shí)平均流量和優(yōu)化運(yùn)行時(shí)節(jié)能對(duì)比
排輸油計(jì)劃調(diào)整輸送流量時(shí)油品單位能耗為
0．007 56元／t·km，則節(jié)約油品單位能耗為0．001 78
元／t·km。
3 峰谷電價(jià)下?lián)交燧斔蛢?yōu)化結(jié)果分析
由于日東原油管道目前采用在線(xiàn)摻混輸送中東原
油和委內(nèi)瑞拉原油，在原油摻混輸送過(guò)程中利用靜態(tài)摻
混器對(duì)稠油和稀油進(jìn)行摻混，并對(duì)摻混后的油品進(jìn)行現(xiàn)
場(chǎng)黏度和密度的測(cè)量，在滿(mǎn)足摻混要求的情況下進(jìn)行外
輸。因此，在優(yōu)化模型中考慮了不同摻混比例下不同黏
度的油品在輸送過(guò)程中對(duì)沿程摩阻的影響，通過(guò)優(yōu)化計(jì)
算得出不同摻混比例的油品節(jié)約單位能耗存在差異，圖
4為稀油和稠油的摻混比例為1：0、2：1、3：2時(shí)管道
系統(tǒng)節(jié)約單位能耗隨日輸量的變化曲線(xiàn)。圖4表明，當(dāng)
稀油和稠油摻混比例為1：0和2：l時(shí)，在整個(gè)日輸量
范圍內(nèi)節(jié)約單位能耗趨勢(shì)基本一致，摻混比例為2：1時(shí)
節(jié)約單位能耗的起始位置較1：0稍有提前；當(dāng)摻混比例
為3：2時(shí)，節(jié)約單位能耗較2：1和1：0有明顯區(qū)別，
在日輸量為18 638～22 159、22 987～23 816和27 336～
28 786 t范圍時(shí)，稀油和稠油3：2摻混輸送節(jié)約單位能
耗相對(duì)較多，日輸量為22 987 t節(jié)約單位能耗最多。因
此，在充分考慮油品流動(dòng)性的情況下，為節(jié)約泵送動(dòng)力
0．0040
一0003
5
立00030
+P 0．0025
寥0．0020
蘭0．001 5
攔0．001 0
0000 5
00000
2(】000 22 000 24 000 26 000 28 000 30 000
口輸屠／t
圖4 不同摻混比例輸送時(shí)節(jié)約油品
單位能耗隨日輸量的變化曲線(xiàn)
成本，在摻混輸送時(shí)建議采用稀油和稠油3：2比例進(jìn)行
摻混。
4 結(jié)論
1)峰谷電價(jià)體制下，只有當(dāng)管道日輸量處于某一適中
范圍時(shí)，根據(jù)分時(shí)段調(diào)整輸送流量和配泵方案對(duì)減小油品
單位能耗、降本增效起到一定的作用。當(dāng)管道日輸量偏小
或者過(guò)大時(shí)，受到管道本體的制約，調(diào)整輸送流量的方法
對(duì)節(jié)能降耗作用不明顯，建議采用平均流量運(yùn)行。
2)由于日東原油管道目前采用常溫?fù)交燧斔驮偷?
工藝，油源為海上來(lái)油具有不可預(yù)見(jiàn)性，以及我國(guó)稠油的
煉化加工需求量逐年增加，建議采用稀油和稠油3：2摻
混比例進(jìn)行摻混輸送，利用峰谷電價(jià)體制下管道運(yùn)行動(dòng)力
耗電優(yōu)化模型計(jì)算，優(yōu)化管道運(yùn)行方案，在最優(yōu)日輸量下
輸送混油，同時(shí)在輸送過(guò)程中要充分考慮所輸油品的流動(dòng)
特性。
3)日常運(yùn)行中，當(dāng)管路的工作狀態(tài)得到優(yōu)化時(shí)，可
以充分優(yōu)化泵機(jī)組的工作狀態(tài)，通過(guò)調(diào)節(jié)變頻泵轉(zhuǎn)速或
者選用不同的配泵方案來(lái)調(diào)整輸量，實(shí)現(xiàn)整個(gè)管路系統(tǒng)
的優(yōu)化運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。
4)在本文計(jì)算模型中充分考慮了管道運(yùn)行的穩(wěn)定
性，實(shí)際情況下由于客觀(guān)條件和人為因素等原因并不能
保證泵機(jī)組長(zhǎng)期處于高效運(yùn)行區(qū)間，優(yōu)化結(jié)果與實(shí)際情
況必定存在一定的誤差。
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