高寒地区原油库收发油周期优化技术研究

刘　超（东北石油大学）



高寒地区原油库收发油周期优化技术研究

刘超（东北石油大学）

以原油库内收发油过程中储油罐总散热损失最小为目标，储罐收发油周期为决策变量，原油库的输油能力、罐区容量等为约束条件，建立了高寒地区原油库的收发油周期优化数学模型。根据模型的结构特点，提出基于分支限界法的优化求解方法。应用该模型对大庆油田某原油库的收发油周期进行了优化，结果表明，优化方案与原方案相比可节约储罐维温能耗11.58%，具有显著的节能效果。

高寒地区原油库收发油周期分支限界法

引言

目前，对于高寒地区，易凝高黏原油的安全存储、加热仍是最主要的技术措施，但实际生产中一般仅能从满足安全条件考虑，导致了能源的浪费。实现对原油在安全存储的前提下，优化其运行方案对降低原油储存过程中的运行能耗费用具有重要意义，因此有学者从不同方面对该问题进行了研究。其中，赵健［1-2］建立了原油库运行方案优化的数学模型，以原油库的外输温度、压力，储罐维温温度等为约束条件对高寒地区原油库的运行方案进行了优化。此后，又对目前广泛应用的储罐热油循环工艺方案进行了研究，得到了热油循环加热的优化运行方案。陆雅红［3］、张丽伟［4］等从储罐加热方式优选和加热器改进结构等方面入手，提出了储罐的优化加热方案。以上研究从不同方面对原油库的优化运行方案进行研究，取得了一定的研究成果，但对于大型原油储库，其核心问题是储罐多罐组的运行模式选择，罐组的收发油周期确定，在此基础上开展储罐加热器结构优化和运行参数优化才更有实际效果。因此，对原油库收发油周期优化问题的研究，对于降低原油库运行能耗费用，提高原油库的调度管理水平都具有重要意义。

1　优化数学模型

1.1目标函数

原油库收发油周期优化是以原油库存量、生产能力和计划收发量为依据，以原油库输油能力、罐区容量等为约束条件，通过优化确定不同油罐接受和输出的原油量及时间，使存储在油罐内的原油总散热损失最小，进而降低原油库用于原油保温的热能消耗［5］，则该优化问题的目标函数可以表示为：

式中：

b=1～B——代表油库内不同罐区的编号，B为罐区的总数量；

t=1～T——代表计划安排的原油储运调度时间，天；

JOULEXb，t——表示时间t内，b罐区是否对油品进行加热，取0代表不加热，取1代表加热；

JOULEb，t——表示时间t内，为了保证b罐区的维温要求，对b罐区的总加热量，kJ。

1.2约束条件

1）变量取值范围约束：Yb，t∈｛1，0｝，Yb，t表示b储油罐区在时间t内是否输入原油，该值取1时，表示该罐区输入原油，取0时表示不输入原油。

Zb，t∈｛1，0｝，Zb，t表示b储油罐区在时间t内是否输出原油，该值取1时，表示该罐区输出原油，取0时表示不输出原油。

2）储油罐区的收发油能力约束：储油罐区有特定的输油能力，因此，ETVb，t必须满足一定的范围：

式中：

ETVb，t——b罐区在时间t内输出原油量，t；

ATCb、ITCb——罐区b的最大、最小输油能力，m3。

油库的上一级单位存在一定的输油能力，因此，ITVb，t存在一定的范围：

式中：

ATICb、ITICb——由上级输油单位决定的罐区b的最大、最小输入原油量限制，m3；

ITVb，t——罐区b在时间t内输入原油量，t。

3）储油罐区总外输量限制：总时间T内任一罐区实际输出原油的总量等于计划要求的输量：

式中：

ETVb——总时间T内b罐区计划要求的输量，m3；

ETVb，t——时间t内b罐区的输出原油量，m3。

4）储油罐区总输入量限制：任意时间t内任一罐区实际输入的原油量ITVb，t等于计划输入的量：

式中：

VDb，t——时间t内b罐区计划输入的原油量，m3。

5）罐区容量约束：任意时刻t，罐区的储油量必须在一定的范围内，即满足一定的约束：

Hb——t-1时刻，储罐内的原油液位，m；Sb——储油罐的浮顶面积，m2；

ASCb、ISCb——由储罐类型、容量和实际工艺要求决定的罐区的最大、最小存储能力，m3；

Vb，t——t时刻，b罐区存储的原油总量（由罐内原油量和收发油量决定），m3。

2　求解方法

上述优化模型中的罐区输入、输出油量为连续变量，判断油罐是否输入或输出原油的变量为0/1变量，在目标函数与约束条件中均含有非线性函数，因此该数学模型是一个混合变量非线性规划问题（MINLP），可以基于分支限界法按下述步骤对该问题求解。

1）假定时间t内，n个油罐的剩余可储容量分别为v0，v1，……，vn-1，散热量为q0，q1，……，qn-1，最大输入或输出量为w0，w1，……，wn-1，计划输入或输出油量为M m3。

2）计算不同储罐的剩余储存油量与散热量的比值m0，m1，……，mn-1，并按递减的顺序，对n个油罐进行排序。

4）假设m值最大的油罐序号为S，且S∈S3。

5）用S进行分支，一个分支结点表示让油罐S接收原油，另一个分支结点表示不让油罐S接收原油。

6）当油罐按m值递减顺序排序后，S就是集合S3（k）中的第一个元素。

则油罐S接收输入原油的分支结点表示如下：

油罐S不接收输入原油的分支结点表示如下：

假定b（k）表示搜索深度为k时某个分支结点接收原油的油罐散热量下界。S3（k）=｛k，k+1，……，n-1｝。两种分支结点接收原油油罐的散热量的下界可按下述方法计算，

则b（k）=N（N为任意大正数）（6）

则令

令每一个结点都包含集合当前S1、S2、S3中的油罐，以及搜索深度k和下界b等数据。

3　计算实例

大庆油田某原油库共有储罐14座，分两组。一组由1#～4#、13#、14#油罐构成，另一组由5#～12#罐构成。原油储运收发油周期计划安排时间T设定为1天，对4日内不同油罐的运行模式及输入、输出原油量进行优化，指导油库生产运营工作的高效进行。

油库在2014年11月19日—2014年11月22日期间油库计划输油总量为107 803 m3，各油罐初始液位高度如表1所示。计算环境温度为白天16 h温度为-10℃、夜晚8 h温度为-15℃。输入数据，计算用时106s，得到优化收发油方案如表2所示，油库原计划收发油方案如表3所示。优化收发油方案满足油库输量计划且符合安全生产要求，其中4日内以优化收发油方案计算所损失的总热量为3.813 5×109kJ，而以原计划收发油方案计算所损失的总热量为4.312 9×109kJ，2种调度方案的总热量之差为4.994×108kJ，取原油高位发热值45 220 kJ/kg，即4日内燃料油损耗至少节省11.044 t（平均每日2.761 t）。优化收发油方案较实际方案相比可节约能耗费用11.58%。由此可见，通过优化原油库的收发油周期可以显著降低原油库的维温能耗费用。

表1　储油罐初始液位高度

表2　油罐输入、输出原油优化方案

表3　油罐输入、输出原油实际方案

4　结论

以原油库内收发油过程中储油罐总散热损失最小为目标，储罐收发油周期为决策变量，原油库的输油能力、罐区容量等为约束条件，建立了高寒地区原油库的收发油周期优化数学模型。

油库收发油周期优化数学模型是一个混合变量非线性规划问题，根据模型的结构特点，提出了基于分支限界法的优化求解方法。

应用优化模型对大庆油田某原油库的收发油周期进行了优化，确定了计划输油时间内不同油罐的运行模式和具体输入、输出原油量，从而降低了计划输油时间内储罐的总散热损失，优化方案与原方案相比可节约能耗11.58%。

［1］赵健，杨林，马明利，等.原油储罐的热油循环工艺方案优化研究［J］.科学技术与工程，2010，10（35）：67-68.

［2］刘扬，赵健，马明利，等.油库生产运行方案优化技术研究［J］.科学技术与工程，2010，10（35）：8783-8786.

［3］陆雅红，吴江涛.原油储罐盘管式蒸汽加热器优化设计［J］.化学工程，2010，38（10）：69-72.

［4］张丽伟，张伟.原油储罐加热方式选择［J］.内蒙古石油化工，2010（13）：71-73.

［5］张劲军.油气储运理论与技术进展［J］.中国石油大学学报（自然科学版），2013，11（12）：34-36.

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.11.001

2015-07-21）

刘超，在读研究生，从事油田地面工程与节能降耗技术，E-mail：tinger0104@126.com，地址：黑龙江省大庆市萨尔图区东北石油大学，163318。