原油管道运行方案模拟与能耗核算

陈海宏

（中国石油大学（北京）， 北京 昌平 102249）



原油管道运行方案模拟与能耗核算

陈海宏

（中国石油大学（北京）， 北京 昌平 102249）

摘 要：在分析原油管道的运行特性的基础上，分别建立了站间管段流动和站内流动的稳态模拟计算模型，并将所建立的模型编写成计算机程序。在完成管道建模的前提下，将实际运行方案输入所编写的计算机程序，进行水力、热力模拟，检验并校准管道运行方案模拟与能耗计算的模型。

关 键 词：原油管道；能耗核算；稳态模拟；模型校核

1 前 言

随着国家对节能工作要求的日趋提高，节能管理更加深入与细化，节能管理体系建设已经成为油气管道运营管理的重要内容。为了加强能耗管理，全面掌握油气长输管道高耗能设备的运行状况，指导调度人员制定合理可行的运行方案，提高能源的利用率，促进节能降耗，提高经济效益，管道公司提出了对原油长输管道能耗测算的需求［1，2］。原油长输管道的生产能耗主要由泵机组耗电与加热炉耗油组成。进行生产能耗测算之前，需要分析长输管道管内油流的水力、热力特性及站场设备的运行特性，并建立油流水力、热力仿真模型和能耗测算模型。仿真模型、管道模型参数、实际运行方案直接决定了能耗测算结果。

本文主要目的是在完成管道建模的前提下，检验管道稳态计算模型，校核模型参数从而提高管道运行能耗测算精度。

2 仿真模型

2.1 软件设计

图1为程序总体框图。

图1 程序总体框图Fig.1 The Overall Framework of Program

程序主要功能是对实际运行方案进行水力、热力模拟与运行能耗计算。一共可分为三个模块：数据输入模块、模拟计算核心模块、数据输出模块，其中模拟计算核心模块包括站间水力、热力模拟子模块和站内设备模拟子模块。

2.2 原油管道系统分析

按照系统工程的观点，一条热油管道就是一个具体的系统。如果仅从输油过程考虑，则该系统可以分为三大子系统：输油站、站间管段及管内流动的原油。加热管道的运行实质上是系统中各子系统之间以及系统与环境之间相互作用的过程。而从能量角度看，它又是系统与环境之间的能量平衡过程。

按照输油方式，输油站可以分为开式和密闭输送。按照组成方式，输油站分为热站、泵站、热泵站三种类型。按输量变化，输油站可以分为注入站或分输站。管道输送原油过程中存在着两方面的能量损失：摩阻损失和散热损失。管内原油流动过程中的散热损失，引起油温的变化，油温的改变引起原油物性参数的变化，而原油的物性又会引起原油流动状态的改变，流动状态的改变又会反过来影响管内原油的传热。一方面，原油的摩阻损失与流量、物性参数（粘度）有关；另一方面，原油的散热损失与流量、摩阻有关。因此输送过程中的散热损失和摩阻损失是相互影响的［3］。

2.3 总体流程图

用户输入数据后，软件通过数据输入模块将数据传到模拟计算模块，再将模拟结果通过数据输出模块输出（图2）。

图2 程序总体流程图Fig.2 The Overall Flowchart of Program

2.4 站间管段水力、热力稳态仿真模型［4-14］

原油在管内稳定流动是散热损失与摩阻损失相结合的过程，建立的水力、热力仿真模型应包含这两个过程。考虑到在流动过程中，原油物性参数在沿线发生变化，故在管道沿线的温降和压降计算中采用以管段里程为步长有限分段的计算方法。而且在分段计算中的温降和压降计算是同时进行的。图3为站间水力、热力计算流程图，图中Tf［a］为油品反常点，LC［I］为输油站I距管道起点的里程，l为计算步长。算法中高程、密度、粘度、稠度系数、流动行为指数均采用线性内插法求解，并联泵组合方程采用Newton-Raphson迭代法求解。

2.5 输油站能耗测算模型

原油管道稳定、安全运行所需的能耗包括泵炉设备能耗和辅助生产能耗。本文主要研究泵炉设备能耗的计算。泵炉设备能耗包括燃料消耗和电力消耗。其中，燃料消耗主要是由加热炉组合运行产生，电力消耗主要是由泵组合运行产生（图4）。

图3 站间水力、热力计算流程图Fig.3 The Flowchart of the Hydraulic and Thermodynamic Calculation

图4 输油站模拟计算流程图Fig.4 The Flowchart of the Simulation of Station

表1 管线实际运行参数Table 1 The Real Operation Parameters of Pipeline

表2 管线模拟运行参数Table 2 The Simulated Operation Parameters of Pipeline

表3 模拟的运行参数与实际的运行参数偏差Table 3 The Operation Deviation Between the Simulated and the Real Operations

表4 模拟与实际的站间温降、摩阻偏差Table 4 The Temperature and Friction Deviation Between the Simulated and the Real Operations

表5 模拟与实际的站内压升、节流前总压头的偏差Table 5 The Pressure Deviation Between the Simulated and the Real Operations

表6 模拟与实际的中间热站过炉温升偏差Table 6 The Temperature Deviation Between the Simulated and the Real Operations

3 实例分析

以中国某热油管道为例，管道全长454.25 km，干线管径Ф720 mm×8（9） mm。全线设有9座输油站（D1～D9），其中D1为首站，D9为末站。输油泵机组与加热炉配置情况：D2（1炉）、D3（3泵2炉）、D4（4泵2炉）、D5（4泵3炉）、D7（3泵3炉）、D8（3泵3炉）。以该管道历史某月份的运行数据，对本文建立的仿真模型进行测试，测试结果见表1-6。

从表1-6可以看出：管道沿线各输油站进温、进压、站间摩阻、站内压升、站内节流前总压头、站间温降、站内过炉温升的模拟值均与实际较符合。

4 结 语

本文主要建立了原油管道的稳态水力、热力模拟与能耗计算的仿真模型。该仿真模型由输油站站间管内流动模拟计算模型和输油站站内流动模拟计算模型两部分组成。对于站间沿程摩阻计算，采用了等长度分段确定管内原油的温度和压力分布；对于站内设备能耗模拟，考虑了分输/注入、泵组合、加热炉组合、节流这四个方面。

从某管道的小时报表中提取了某月份有效的数据，输入到所编写的程序，对该月稳定工况进行模拟，得到了与实际很接近的稳态水力、热力仿真结果。

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Operation Simulation and Energy Consumption Calculation of Crude Oil Pipeline

CHEN Hai-hong
（China University of Petroleum， Beijing 102249， China）

Abstract:On the basis of analyzing the operation performance of crude oil pipeline， the station section and the internal station steady-state flowing simulation models were respectively established. And computer programs of the established models were also programmed. At last， the models were verified and calibrated by selecting stable operation throughput and inputting the actual operations recorded in running reports into the programmed computer programs for hydraulic and thermal steady-state simulations.

Key words:Crude oil pipeline； Energy consumption calculation； Steady-state simulation； Verifying models

中图分类号：TE 832

文献标识码：A

文章编号：1671-0460（2016）02-0311-03

收稿日期：2015-11-14

作者简介：陈海宏（1991-），男，江苏建湖人，在读博士，研究方向：油气长距离管道输送。E-mail：chen1020155185@163.com。