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碼頭熱油管道節(jié)能優(yōu)化計(jì)算

文檔作者：張敬業(yè) 周靖林文檔來(lái)源：北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年06月07日
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第1I期張敬業(yè)等．碼頭熱油管道節(jié)能優(yōu)化計(jì)算
碼頭熱油管道節(jié)能優(yōu)化計(jì)算
張敬業(yè)周靖林
(北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京100029)
摘要在已有熱油管道穩(wěn)態(tài)優(yōu)化模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合碼頭的實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)熱油管道的各個(gè)流量運(yùn)
行區(qū)間的平均輸油單位電耗進(jìn)行計(jì)算，分析得到各流量區(qū)間中最優(yōu)泵組合運(yùn)行方案，利用線性規(guī)劃的基
本理論計(jì)算了輸油現(xiàn)場(chǎng)每天的最佳調(diào)度方案，開(kāi)發(fā)了碼頭的節(jié)能優(yōu)化系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞熱油管道優(yōu)化調(diào)度節(jié)能系統(tǒng)
中圈分類(lèi)號(hào)TQ055．8+l 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào)1000—3932(2012)11—1473-05
目前，我國(guó)的熱油管道大多由輸油站和管道
兩部分構(gòu)成，管道輸送是原油運(yùn)輸?shù)闹饕绞健?
輸油站分為泵站和加熱站，泵站主要是為輸油管
道提供壓力，加熱站主要為輸油管道提供熱能。
熱油管道的運(yùn)行過(guò)程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)熱力學(xué)的能量
平衡過(guò)程，在該系統(tǒng)中，一方面原油的溫度和壓力
隨著沿管道原油流動(dòng)而降低，另一方面原油在輸
油站上被加熱、加壓以平衡其通過(guò)管路而產(chǎn)生的
能量損失?。
熱油管道的運(yùn)行能耗包括加熱爐消耗的燃料
和輸油泵消耗的電力兩部分。通過(guò)對(duì)熱油管進(jìn)行
優(yōu)化可以降低輸送過(guò)程中的燃料和電力消耗，從
而達(dá)到節(jié)能減排的作用。2。。在現(xiàn)有設(shè)備和工藝流
程不變的前提下，如何選擇合理的優(yōu)化節(jié)能方案，
使熱油管道以最少的能耗完成給定的輸油任務(wù)是
一個(gè)值得研究的問(wèn)題。
筆者在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上計(jì)算了各
個(gè)流量區(qū)間的輸油電耗，針對(duì)不同的流量區(qū)間得
到該區(qū)間的最優(yōu)原油泵組合運(yùn)行方案，計(jì)算每天
的最佳原油調(diào)度方案，并開(kāi)發(fā)了碼頭熱油管道優(yōu)
化節(jié)能系統(tǒng)。
1 熱油管道穩(wěn)態(tài)優(yōu)化模型
在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況條件下，熱油管道的運(yùn)行方
案一般由輸油溫度及在給定流量和輸油溫度下與
管路匹配的一個(gè)全線泵組合組成。熱油管道穩(wěn)態(tài)
優(yōu)化運(yùn)行問(wèn)題可劃分為兩個(gè)層次：在給定輸油溫
度下全線泵組合的優(yōu)化；全線各站輸油溫度的優(yōu)
化。在管道各段的流量及所有不可控因素為給定
的前提下，熱油管道穩(wěn)態(tài)優(yōu)化運(yùn)行問(wèn)題可用以下
模型來(lái)描述”o：
min S=工[T。，c，(TR)]+五[TR，C。(TR)]
S·t·QRfY?！躋R?！躋m”y。(1)
tR；’≤tR．≤tR?！?
Yi=0，1 i E J7
其中正和五分別表示單位時(shí)間內(nèi)全線的燃
料費(fèi)和電費(fèi)，目標(biāo)函數(shù)．s即為單位時(shí)間內(nèi)全線的
總能耗費(fèi)用；，’是全線熱站的序號(hào)集合；Q。。是第i
站的實(shí)際熱負(fù)荷，Q。i’和Q。i”是相應(yīng)的下限和上
限；凡是第i站是否開(kāi)加熱爐的邏輯變量；T。是全
線的輸油溫度(出站溫度)向量，其分量r。i為第i
站的出站溫度，r姒’和r。；”是相應(yīng)的下限和上限；
C。(T。)表示在給定流量及輸油溫度r。下全線管
道匹配的一個(gè)全線最優(yōu)的泵組合。
當(dāng)輸油溫度確定后，熱油管道穩(wěn)態(tài)優(yōu)化運(yùn)行
問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為泵組合與管道最優(yōu)匹配問(wèn)題，主要
包括各泵站中輸油泵的最優(yōu)組合和各泵站之間的
壓頭分配。
2碼頭熱油管道優(yōu)化計(jì)算
碼頭站原油長(zhǎng)輸系統(tǒng)全長(zhǎng)17kin，原油通過(guò)長(zhǎng)
輸管道從碼頭直接輸送到末站。原油輸送系統(tǒng)年
接卸能力200萬(wàn)t，全年能耗約700萬(wàn)元，其中長(zhǎng)
輸系統(tǒng)年耗電約130萬(wàn)元。長(zhǎng)輸系統(tǒng)設(shè)備根據(jù)生
產(chǎn)要求以多泵組合方式運(yùn)行，目前碼頭站3臺(tái)長(zhǎng)
輸泵P2—103、P2-104、P2．105和兩臺(tái)混輸泵P2．
113、P2-1 15，年耗電約為占碼頭輸油總電耗的
收稿日期：2012-09-29(修改稿)
基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61004045)；中央高
校科研基本業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(ZZlOt3)
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
化工自動(dòng)化及儀表第39卷
60％。碼頭站輸油泵的運(yùn)行組合比較單一，實(shí)際
操作全憑操作經(jīng)驗(yàn)，能量損耗較大，各個(gè)輸油泵組
合不能有效利用，特別在最高流量或最低流量時(shí)
效率更低，因此有必要對(duì)碼頭站的熱油管道進(jìn)行
優(yōu)化計(jì)算。
由于到達(dá)碼頭的原油輸送溫度較高，原油不
需要經(jīng)過(guò)加熱站的加熱就可以直接輸送，原油輸
送溫度確定，熱油管道的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化只需要考慮輸
送泵的最優(yōu)組合即可。
2．1 平均輸油單位電耗
原油輸送過(guò)程中需要消耗一定的電量，因此
定義單位時(shí)間內(nèi)輸送單位質(zhì)量原油所消耗的電量
為平均輸油單位電耗，單位kW·h／t。針對(duì)不同
流量區(qū)間的泵組合，平均輸油單位電耗最低的泵
組合方式即為該流量區(qū)間的最優(yōu)平均輸油單位電
耗一o。采用改泵組合方式輸送原油所消耗的電量
最低，也即改流量區(qū)間的最優(yōu)泵組合輸送方式。
原油碼頭各泵采用三相電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，平均輸
油單位電耗計(jì)算如下：
N。=N／Q=乒暑(￡，．，ICOS0．)／Q (2)
式中，．——輸油泵的線電流；
i——碼頭輸油泵的編號(hào)(i=l，2，3，?，
n)； Ⅳ_平均輸油單位電耗；
J『＼，——輸油管線的總功率；
Q——當(dāng)前輸油管道的流量；
uj——輸油泵的線電壓；
cos口『_一輸油泵的功率因數(shù)(一般取o．85～
o．92)。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)原油輸送的實(shí)際情況，劃分不同的
流量區(qū)間，根據(jù)各個(gè)流量區(qū)間上不同的泵組合方
案計(jì)算相應(yīng)的輸油電耗，從而計(jì)算改流量區(qū)間最
優(yōu)的泵組合方案。
2．2最優(yōu)泵組合方案
輸油管道運(yùn)行優(yōu)化的目的是在保證輸送任務(wù)
的前提下，通過(guò)泵組合選取效率較高的泵組合方
式，確定最優(yōu)泵組合方案，實(shí)現(xiàn)輸油泵的有效利
用，從而降低碼頭站動(dòng)力消耗。
碼頭現(xiàn)場(chǎng)單位時(shí)間輸送的原油流量在80～
260t／h之間，針對(duì)不同的流量區(qū)間可以選擇不同
的泵組合方式進(jìn)行試驗(yàn)，平均輸油單位電耗最低
的泵組合方式即為該流量區(qū)間的最優(yōu)泵組合方
式。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，流量區(qū)間分為如下幾
個(gè)區(qū)間：[80，100]、[100，120]、[120，140]、[140，
160]、[160，180]、[180，200]、[200，240]、[240，
260]，流量單位為t／h。由于泵的串／并聯(lián)及管道
上的閥門(mén)開(kāi)度可以調(diào)節(jié)，在不同的流量區(qū)間可能
存在相同的泵組合方式。在保證輸油安全的前提
下，針對(duì)不同的流量區(qū)間確定可能的泵組合方式，
然后針對(duì)不同的泵組合方式通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)
算不同的平均輸油單位電耗，得到輸送流量區(qū)間
的最優(yōu)泵組合方式。
碼頭現(xiàn)場(chǎng)由于泵P2．103的閥門(mén)開(kāi)度可以調(diào)
節(jié)，在不同的流量區(qū)間上閥門(mén)開(kāi)度不同，在不同的
閥門(mén)開(kāi)度下可以保證得到該區(qū)間最優(yōu)的泵組合方
案。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知：輸油泵P2-
105在大流量(大于240t／h)時(shí)才表現(xiàn)較好的效
率；輸油泵P2—103和輸油泵P2-104組合能達(dá)到
輸油泵P2—105的流量，但效率相對(duì)較低；輸油泵
P2—103在低流量、中等流量及較大流量等試驗(yàn)環(huán)
節(jié)有較好的效率，平均輸油單位電耗在各個(gè)環(huán)節(jié)
都比較穩(wěn)定；混輸泵P2．113和混輸泵P2—115功
率有限，一般配合輸油泵P2—103、輸油泵P2—104
和輸油泵P2-105使用。
根據(jù)碼頭現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，某一時(shí)段現(xiàn)
場(chǎng)的輸油平均單位電耗如圖l所示。
=．
_c
●
≥
芒
攔_
是
擦
圖1 某一時(shí)段現(xiàn)場(chǎng)平均輸油電耗
通過(guò)碼頭現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行的試驗(yàn)方案比較以及
大量的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，截止2011年3月得到了現(xiàn)場(chǎng)原
油輸送各個(gè)流量區(qū)間的最優(yōu)泵組合方案和歷史最
優(yōu)輸油單耗，具體見(jiàn)表1。
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
第11期張敬業(yè)等．碼頭熱油管道節(jié)能優(yōu)化計(jì)算
表1 碼頭站歷史最優(yōu)泵組合運(yùn)行方案
當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)輸油管道流量在各個(gè)流量區(qū)間時(shí)，可
以采用該流量區(qū)問(wèn)建議的最優(yōu)泵組合方案啟動(dòng)輸
油泵，此時(shí)整個(gè)管道的平均輸油電耗最低，消耗的
電量也是最少的，采用建議的最優(yōu)泵組合啟動(dòng)方
案是最為經(jīng)濟(jì)的輸油泵啟動(dòng)方案。
2．3最佳調(diào)度方案設(shè)計(jì)
由于碼頭現(xiàn)場(chǎng)有不同的原油運(yùn)輸調(diào)度方案，
每天輸送的原油量調(diào)度量都有明確的規(guī)定，如何
在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成輸油任務(wù)，同時(shí)消耗最少的
電能是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。
首先需要建立一個(gè)能耗消耗的目標(biāo)函數(shù)，利
用表1確定的各個(gè)流量區(qū)間的最優(yōu)泵組合方案以
及對(duì)應(yīng)的平均輸油單耗確定規(guī)定時(shí)間內(nèi)的泵組合
調(diào)度方案，然后利用線性規(guī)劃的基本理論計(jì)算各
個(gè)最優(yōu)泵組合方案和最佳運(yùn)行時(shí)間”1。
根據(jù)碼頭現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況，當(dāng)碼頭當(dāng)天
的調(diào)度要求超過(guò)5 700t原油時(shí)，可以直接采用輸
油泵P2．105滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行即可，運(yùn)行時(shí)間為24h。
當(dāng)調(diào)度要求低于5 700t原油時(shí)，可以采用線性規(guī)
劃的基本理論計(jì)算，考慮到輸油管線的經(jīng)濟(jì)性，碼
頭的輸油泵開(kāi)啟數(shù)量一般不會(huì)超過(guò)3個(gè)，具體實(shí)
現(xiàn)方法如下：
Qltl+Q2t2+?+Q。fl=Q
22、≥
幽
腳
蜊卜^一
：廠]廠]
>
S 400
囂200
捌0
之-400
置200
刪0
時(shí)lh3t／斗s
圖3 電機(jī)端過(guò)電壓現(xiàn)象
廣]廣]．
廠]廠]
時(shí)間f／¨s
圖4 使用濾波器后電機(jī)端電壓波形
由圖3和圖4可以看出，所設(shè)計(jì)的濾波器能
很好地抑制電機(jī)端過(guò)電壓，不使用濾波器時(shí)，逆變
器輸出電壓為300V，電機(jī)端瞬時(shí)過(guò)電壓達(dá)到
520V，使用濾波器后，電機(jī)端過(guò)電壓為350V，所設(shè)
計(jì)的濾波器起到很好的過(guò)電壓抑制效果。
由圖5可以看出，相比RCL濾波器，所設(shè)計(jì)
的濾波器功率損耗明顯減少，與RC濾波器相比，
在很大范圍內(nèi)功率損耗也得到降低，而且RC濾
波器并不具備調(diào)整電機(jī)電壓波形的作用。
圖5 功率損耗對(duì)比
3 結(jié)束語(yǔ)
提出了一種濾波器用于PWM逆變器供電的
電機(jī)端過(guò)電壓抑制，從而解決電機(jī)絕緣失效的問(wèn)
題。該濾波器不僅能夠很好地抑制電機(jī)端過(guò)電
壓，而且對(duì)電機(jī)電壓波形起到很好的調(diào)整作用。
通過(guò)與RC和RCL濾波器進(jìn)行對(duì)比，所設(shè)計(jì)的濾
波器功率損耗明顯減少。仿真實(shí)驗(yàn)證明了所提出
濾波器的有效性。
Design of Low Loss Filter for Motor TerminaI
Over-voltage Suppression
SHI Jiang．LIU Wei．LIANG Xiu—xia
(School of Control Science and Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China)
Abstract The design scheme of low loss filter for over—voltage suppression was proposed．The designed filter
which boasting of low loss and the parameter independent of cable length can restrain over—vohage by modifying
rise time of the voltage pulses．Simulation experiment on it and having it compared with RC and RCL filters in
power loss were implemented．
Key words inverter，filter，low loss，over-voltage protection
(上接第1476頁(yè))
Energy Saving Optimization of Pier Crude Oil Pipelines
ZHANG Jing—ye，ZHOU Jing—lin
(College of Information Science and Technology，Beijing University of Chemical Technology，Be訪ng 100029，China)
Abstract Basing on the steady—state optimization model for the crude oil pipelines and considering the pier’S
actual circumstances，the power consumption per oil unit of each flow in the crude oil pipeline was calculated
and the optimal pump combinations for each flow were analyzed，including the daily optimal scheduling scheme
and the development of the pier’S ene塘Y saving system．
Key words crude oil pipeline，optimal scheduling，energy—saving system
萬(wàn)方數(shù)據(jù)

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