演绎法能效评价

Question

如题所述

Answer 1

演绎法能效评价与运行优化是密不可分的，演绎法能效评价是基于演绎法能耗预测的客观、可量化的能效评价方式。采用演绎法能效评价方式对油气管道进行能效评价，一般情况下需要先建立最优化数学模型并求解，然后借助工艺仿真计算，得到理想状态下管道最低运行能耗数据；再以得出的耗能量数据和其他能效指标为基础，综合考虑可操作性、仿真误差等因素，进行校正，得到可行的最低耗能量和最优能效指标，即管道运行经过优化后的能效数据，将报告期管道耗能量数据和相应能效指标以一定的方式与仿真计算校正结果相比较，再采用一定的方法进行评价。

需要注意的是，工艺仿真计算的方法以及以其为算法设计的仿真软件本身并不具备计算出最优运行方案的功能，必须先将运行方案优化转化为最优化求解问题，再配合工艺仿真才能得到优化后的运行方案。因此，最优化算法在油气管道运行优化方面的应用是演绎法能耗评价的核心。

油气管道运行优化是一项复杂的工作，下面简要介绍一下优化技术在长距离输油管道运行管理中的应用情况。长距离输油管道输量大，运距长，全年连续运行，燃料消耗和动力消耗很大。为了最大限度地降低输油能耗，除了在设备方面采取措施外，还必须应用优化技术使管道处于最优运行状态。早在20世纪60年代，Jefferson（1961）就对这一问题进行了探讨。他假定输量一定，根据各泵站所能提供的压力的不同，应用动态规划方法求解总压力在各泵站的合理分配，这种方法所求解出的最优运行方案实际上是等温输油管道的最优运行方案。1980年，Gropal提出了一个对管道泵站的运行进行最优化的方法，目标是根据每台泵的动力消耗决定开哪些泵机组，在保证流量的前提下使动力费用最小；用整数规划方法确定每座泵站的最优泵组合，应用动态规划方法确定每座泵站的最优升压值。从20世纪80年代起，我国开始长距离热油管道优化运行技术的研究工作，以能耗费用（动力费用＋热力费用）为目标函数，以各站的进站油温和升压值为决策变量，提出了一些简化的和较完善的数学模型。

求解过程一般分为两个阶段：第一阶段，先不考虑泵站条件约束，用非线性规划方法（如0.618法或方向加速法）确定各站的最优进站油温；在各站的最优进站油温求解结果的基础上，用整数规划和动态规划方法确定各站的最优泵组合及各站的最优升压值组合，并根据节流量最小的原则调整各站的进站油温；第二阶段，根据第一阶段求得的结果，编制出完成上级部门计划（即给定的总输油量）并使总能耗费用最小的给定时间内（一般为一个月）的输油计划，即决定采用哪几种输量运行及其运行的天数。

对于正在运行的热油输送管道，其经济性可用能耗费用、输油成本和利润来衡量，三者是密切相关的。尽管对于不同的经济指标有相应的经济运行方案，但在一定时间内总输油量一定的条件下，各种不同的经济指标所对应的经济运行方案是相同的。由于能耗费用计算简单，一般以能耗费用作为评价输油经济性的指标。每个月的总输油量是由上级部门决定的，因此，优化必须以完成输油计划并使能耗费用最少为目标，为了达到这个目标，求解可分为以下两个阶段完成：①求出每个可能输量下的能耗费用最低的运行方案。该阶段的任务即为在给定输量Q、油品性质的条件下，求出能耗费用及其相应的运行参数。根据对影响能耗费用的诸因素的分析，可将各站进站温度T_zi（i=1～n，为全线热泵站个数）和表示第i站j号输油泵是否运行的状态变量IP_ij（i=1～n,j=1～n_p,n_p为每座泵站的输油泵台数；IP_ij=1表示该台泵工作，IP_ij=0表示该台泵不工作）作为决策变量。考虑各约束条件以能耗费用最低为目标进行优化。通过对目标函数进行一系列数学变换，把这样一个包含n个连续变量（即各站进站温度T_zi）及n×n_p个离散变量（即表示输油泵是否运行的状态变量IP_ij）的优化问题转化为n_ps个（n_ps为工作的泵站数）包含若干个连续变量和n_p个离散变量的优化问题，然后对每个问题进行求解。②根据第一阶段求得的结果，编制出完成上级部门计划（即给定的总输油量）并使总能耗费用最小的给定时间内（一般为一个月）的输油计划，即决定采用哪几种输量运行及其运行的天数。

（一）第一阶段的数学模型

目前，国内正在运行的管道大部分已经采用密闭输油，个别管道开式流程。因此，第一阶段考虑开式流程和密闭流程两种情况。

1.开式流程第一阶段的数学模型

（1）决策变量的选取

对于一条正在运行的热油管线，可将影响能耗费用的参数分为三类：①运行中可以人为控制的参数：输量Q、各热泵站的进站温度T_zi或出站温度TR_i（i=1～n）、全线的泵组合方式（包括泵站数和站内的泵机组型号及输量）。②随第一类参数变化而变化的参数：如原油的比热、密度、黏度、流变特性等物理性质随温度变化，出站温度、泵组合的系统效率、加热炉效率、泵组合提供的压力等将随输量和进站温度的变化而变化，它们与第一类变量之间的函数关系可用理论公式或经验公式、实测或实验曲线给出。③不以运行部门的意志为转移的参数：如随季节变化的地温T₀，随含水量而变化的土壤物性，管线的强度及高程差，燃料油和电力价格等。

因此，对于选定的一组决策变量，若第一类参数确定了，那么其他参数也就确定了，故可以选取各站的进站油温T_zi（i=1～n）和表示输油泵是否运行的状态变量IP_ij（i=1～n,j=1～n_p）作为决策变量。在输量Q一定的条件下，T_zi、IP_ij一旦确定，则全线总压降H_p、各站出站压力、动力费用及燃料费用也就确定了。

（2）目标函数的选择

该问题以降低能耗费用为目的，显然应将能耗费用作为目标函数。目标函数表达式为：

油气管道能效管理

式中：S为全线总能耗费用，元/t·km;S_p为全线总动力费用，元/t·km;S_R为全线总热能费用，元/t·km。

（3）约束条件的确定

1）热力约束条件——温降规律

油气管道能效管理

式中：b=gi/Ca,a=KπD/GC;K为总传热系数，W/m²·℃；T₀为该段管路的平均地温，℃；G为质量流量，kg/s;C为所输油品的比热，J/kg·℃；i为该管段的平均水力坡降，m/m;D为输油管道的直径，m;g为重力加速度，m/s²。

2）水力约束——压降计算

对于热油管道，沿线各点温度不同，因此各段的流型、流态可能不同，必须分段计算。

牛顿流段：油温高于油品的反常点温度时为牛顿流型。在牛顿流段内可分为牛顿层流段和牛顿紊流段，临界雷诺数为：Re=2000。

Re≤2000，为牛顿层流，

；

Re>2000，为牛顿紊流，按水力光滑区计算：

。

非牛顿流段：油温低于油品的反常点温度时为非牛顿流型，在非牛顿流段内雷诺数的计算公式为：

油气管道能效管理

式中：p 为所输油品的密度；n´为流动行为指数，对于假塑性流体，其值等于流变行为指数n；

为对于假塑性流体，

；K 为油品的稠度系数。R e_MR≤2000，为非牛顿层流，

；Re_MR>2000，为非牛顿紊流，

。

a、b为与n´有关的系数。

3）泵特性方程约束

泵特性方程为：

油气管道能效管理

i=1～n,j=1～n_p。

式中：h_ij为第i泵站第j号泵的扬程；q_ij为第i泵站第j号泵的流量；a_ij、b_ij为泵特性常数；m为与流态有关的常数，水力光滑区m=0.25。

泵的最大功率约束：Ni_j≤[N_ijmax]　（i=1～n,j=1～m）。

4）进站温度约束：T_zi≥[T_zmin]　（i=1～n）。

5）出站温度约束：T_Ri≤[T_Rmax]　（i=1～n）。

6）进站压力约束：P_si≥[P_smin]　（i=1～n）。

7）管道强度约束：P_di≤[P]　（i=1～n）。

（4）约束条件的处理

1）在给定输量Q下，某站进站温度T_z一定时，上站出站油温T_R及该段压降△P的计算。因温度的高低直接影响到摩阻的大小，而摩阻的大小又与温降直接相关，二者不能分别单独计算，必须进行迭代计算。在计算摩阻时采用加权平均温度来近似该段的温度，即：T_PJ＝（T₁+2T₂）/3。

这样既可以满足精度要求，又大大简化了计算。在一个加热站间，按流态和流型最多可分为四段，油流从出站到下站依次出现的次序为：牛顿紊流段、牛顿层流段、非牛顿紊流段、非牛顿层流段。对于某一站间，给定输量Q、进站油温T_Z，采用分段计算法便可以计算出上一站的出站油温T_R及该段压降ΔP。

2）某一站最佳开泵方案的确定

对于给定的输量Q，在确定了该泵站所应提供的扬程H后，便可以确定满足输量、扬程要求的使动力费最小的开泵方案。

a.并联泵运行方式。

对于泵站i，各台泵在扬程为H时所能提供的排量为：

油气管道能效管理

各台泵所消耗的功率为：

油气管道能效管理

η_ij为第i泵站第j号泵在排量为Q_ij时的效率。

则该问题的数学模型为：

油气管道能效管理

由于N_ij随Q_ij的增加而单调增加，那么若取：

油气管道能效管理

则对第i泵站求使能耗最小的数学模型可简化为：

油气管道能效管理

由于IP_ij（j=1～n_p）只可取1或0，可用0-1规划方法求解。

以上过程考虑的是泵无调速装置的情形。当有调速装置时，应优先选用带有调速装置的泵。调节调速率，使该站的平均泵压略大于汇管压力，即基本做到无节流。

b.串联泵运行方式。

对于泵站i，各台泵在流量为Q时所能提供的扬程为：

油气管道能效管理

各台泵所消耗的功率为：

油气管道能效管理

则该问题的数学模型为：

油气管道能效管理

该模型亦可用0-1规划方法求解。

（5）目标函数的变换

油气管道能效管理

式中：E_y为燃料油价格，元/t;E_d为电力价格，元/kW·h;B_h为燃料油热值，kJ/kg;p为所输油品的密度，kg/m³;Q为管道输量，m³/h；η。为电机效率；η_R1为首站加热炉的平均效率；η_pi为第i站参加工作的加热炉的平均效率；N_Pi为第i个参加工作泵站的泵所消耗的总功率，kW;L为管道全长，km;C（t）温度为t时所输油油品的热容，kJ/kg·℃；T_Ri+1为第i+1站出站油温，℃。

油气管道能效管理

式中：T_Z0为首站进站油温，℃；T_pO为油流在首站经过泵而引起的温升，℃；T_zi为第i+1站进站油温，℃；T_pi为油流在第i+1站经过泵而引起的温升，℃；

油气管道能效管理

式中：g为重力加速度，m/s²;H_i+1为从第i+1站到第i+2站间管路的压力损失，m;C为所输油品的平均热容，kJ/kg·℃；η_Pi+1为第i+1参加工作泵站的泵站泵的总效率。

原油的热容—温度关系可分为三个区：0≤t<T₂、T₂≤t≤T₁和t>T₁。根据对我国各种原油的统计，T₂一般低于原油的凝固点，而我国热油管道目前的运行温度均高于原油的凝固点，因此，热容曲线在区间[0,T₂]内对所讨论的问题无意义。在其他两个区内，原油的热容－温度关系C（t）-t可表示为：

当T₂≤t≤T₁时，C=4.186-Aexp（mt）；

当t>T₁时，C=C_o。

式中A、m、C₀均为取决于油品性质的常数。

将C（t）-t关系代入热力费用计算式，最终可以得到热力费用关于各站进站温度的函数关系。由此可见，热力费用仅仅是各站进站温度的函数，可表示为：

油气管道能效管理

假定在输量Q下，工作泵站序号为k₁,k₂，…，共有n_ps个泵站工作，则

油气管道能效管理

若T_z（k_i），T_Z（k_i+1），…，T_z（k_i+1-1）确定，则两个运行的相邻泵站间（即k_i泵站与k_i+1泵站间）管路的压降也就确定了，故k_i泵站的动力费用S_p（k_i）仅与T_z（k_i），T_z（k_i+1），…，T_z（k_i+1-1）有关。

故S_p可用下式表示：

油气管道能效管理

即S_p也是各站进站温度的函数。

为了与S_p的表达式一致，可将S_R表示为

油气管道能效管理

则有：

油气管道能效管理

或

油气管道能效管理

式中，S_R（ki）表示k_i泵站与k_i+1泵站间的热力费用。

（6）可利用非线性规划方法求解的数学模型

油气管道能效管理

由于

彼此独立，要使S最小，必须使

最小，故以上问题可变为：

油气管道能效管理

这样就将一个包含有n个连续变量、n×n_p个离散变量的最优化问题转化为n_ps个包含若干个连续变量、n_p个离散变量的最优化问题，并可进而分解成非线性规划问题和整数规划问题，使原问题大大简化。

分别求解上述n_ps个最优化问题，可得各个问题的最优目标函数值

、最优进展温度和最优开机方案。将这些最优结果结合在一起即得到原问题的最优解

、T_Zi（i=1～n）和

。

2.密闭流程第一阶段的数学模型

对于密闭流程，决策变量与目标函数与开式流程相同。在密闭流程条件下，全线是一个统一的水力系统。总的泵压在全线统一分配，故该问题除应满足开式流程应满足的约束条件外，还应满足进、出站压力关系的约束条件。

即：

油气管道能效管理

式中：P_di为第i站的出站压力，Pa;P_si为第i+1站的进站压力，Pa;H_pi为第i站的增压值，Pa；ΔP_si为第i站的站内摩阻，Pa；ΔP_i为第i站与第i+1站之间的摩阻，Pa；ΔH_i为第i站与第i+1站间的高程差，m;g为重力加速度，m/s²;p为原油的密度，kg/m³;P_M为管线允许的最大工作压力，Pa。

（二）第二阶段的数学模型

设管道可在m种输量下运行，运行输量及对应的能耗费用分别为Q_i（t/h）和S_i（元/t）（i=1～m）。已知某月输油任务为G万t，该月的总天数为D天，根据生产工艺的要求，每月的总停输时间不得超过d天。取每种输量的运行时数x_i为决策变量，S表示全月的总能耗费用，则该问题的数学模型为

油气管道能效管理

下面介绍一下长输管道最优运行问题的求解方法。

1.开式流程第一阶段的求解

在前面已将球S的极小值问题转化为求

的极小值的问题，因此下面只讨论

的求解方法。

由数学模型得知，共有（k_i+1-k_i）个变量影响

，若将（k_i+1-k_i-1）个变量固定，只改变其中的一个变量T_zj（j=k_i,k_i+1，…，k_i+1-1）则

的变化规律如图5-4所示：

上图的实际意义为：在T_zj由[T_zmin]升高到[T_zmax]过程中，热力费用随之单调增加；T_zj由[T_zmin]升高到T₁过程中没有引起开泵方案的变化，电力费用保持不变；当T_zj高于T₁时，使摩阻继续变小引起开泵方案的变化，动力费用和总能耗费产生突变。由上图可以看出，总能耗费存在多个极小点，故若对总能耗费进行一次极小化，其结果只会是一局部极小点，不一定是全局极小点。

图5-4 目标函数分析图

2.下面介绍密闭流程第一阶段的求解

对于密闭流程，由于全线是一个统一的水力系统，不但全线温度是连续的，而且压力也是连续的，各个变量都是相关的，因此难以找到一种对目标函数一次求解的方法，只能分步进行求解。

（1）求解各站进站温度的初始值

在密闭流程条件下，压力是连续的，同时运行温度对摩阻又有影响，因此，通过调整各站的增压值及进站温度将全线节流量控制在最小是可能的，故实际的动力消耗S_p可用下式表示：

油气管道能效管理

式中：P为全线总摩阻；Q为输油量；C为常数。

假定各站的进站压力P_si（i=1～n）相同，求解使总能耗费用S=S_P+S_R最小的进站温度（即求解无压力约束的各站的最优进站温度），这是一个一维问题，可用黄金分割法（0.618法）求解。

（2）求解最佳开泵方案

确定了各站的进站温度，则各个站间的摩阻就相应确定了，这样就可以根据各站间的摩阻来求解各站的开泵方案，可采用动态规划方法求解。

1）计算各工作泵站可能提供的增压值。对于某一泵站，若有n_p台泵，则有

种泵组合，则该站所提供的增压值必须有

个可选值，这里的任务就是求出这

个可选值。

2）利用动态规划方法确定各站的增压值。可利用前面介绍的方法求解。

（3）求解最佳进站温度

该问题实际上是在上述确定的各站最佳升压值的前提下，重新确定各站的进站温度，以使全线的节流量和总热能费用最小。该问题的数学模型为：

决策变量：各站的进站温度T_zi（i=1～n）。

目标函数：总的热能费用S_R。

约束条件：各站进站压力约束P_si≥[P_smin]。（i=1～n）。

该模型可以用非线性规划方法求解。为加快计算速度，仍可采用分解的方法。即将求全线热力费用最小的问题分解为n_ps个求某一泵站间S_R最小的问题。然后分别求解即可求得各站的最佳进站温度T_zi（i=1～n_ps）。

第二阶段的求解。在第一阶段求解过程中，对于给定的输量，可以求出其能耗费用最低值及相应的运行参数。第二阶段的任务是在已知一组输量及其在该输量下的最低能耗费用的前提下，求出完成月输油计划且使总能耗费用最低的运行方案。该问题实际上是一个线性规划问题，可用单纯形式求解。

采用演绎法进行管道能效评价时，在利用最优化算法进行工艺仿真计算，得到理想状态下最低能耗数据后，一般需要参考归纳法能耗预测数据对仿真结果进行校正，然后对仿真计算所采用的数学模型进行修正。再经过反复校正、修正，使用经过充分训练的油气管道工艺仿真系统进行计算，可以得到精度较高的工艺仿真能耗计算结果。在目前的技术条件下，训练仿真系统使其达到演绎法管道能效评价精度，一般需要1到2年时间。

采用演绎法进行管道能效评价，在得到运行优化后的能效数据时，可参照归纳法能耗分析的相关方法开展其与报告期数据的对比分析。图5-5为采用某演绎法能效分析软件进行分析的对比图。

图5-5 演绎法能效评价分析图