CC BY
79
- © В.В. Пшснин, В.И. Климко,
2013
УДК 622.692.4.058
В.В. Пшенин, В.И. Климко
ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОДОГРЕВА ПРИ "ГОРЯЧЕЙ" ПЕРЕКАЧКЕ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ
Б результате анализа задачи оптимизации при неизотермическом транспорте нефти и нефтепродуктов, с учетом условий реального промышленного процесса, получен алгоритм поиска оптимальной температуры подогрева. Полученный алгоритм является обобщенным, поскольку позволяет находить оптимальную температуру подогрева для различных критериев оптимальности. Б полученном решении исправлены недостатки существующих методик, в частности такой важный недостаток как поиск решения при фиксированном расходе перекачки. Предложен критерий максимальной выгоды, который позволяет получить нефтетранспортр-ной компании максимальную выгоду от транспорта нефти и нефтепродуктов. Ключевые слова: "горячий" нефтепровод, оптимальная температура подогрева, неизотермическое течение, энергосбережение.
При решении любой оптимизационной задачи следует четко выделить критерий оптимальности, назначив при этом целевую функцию. Выбор того или иного критерия оптимальности осуществляется эксплуатирующей или проектной организацией в зависимости от решаемой технико-экономической задачи.
В комплексе затрат энергии при трубопроводном транспорте нефти с подогревом можно выделить две основных части: затраты энергии на работу насосного оборудования и затраты на подогрев нефти. Поэтому в отечественной практике в качестве критерия оптимальности принято использовать минимум общих эксплуатационных затрат на перекачку и подогрев. Тогда целевая функция запишется в виде [1]:
5 = QpgH ^ + QpCp (Тн - Тк) ^ ^ min
Пм Пп
где S - общие затраты на перекачку и подогрев, Q - секундный объемный расход, р - плотность, g - ускорение свободного падения, H - полные потери напора на участке, Ср - изобарная теплоемкость нефти, ом, от - стоимости единицы механической и тепловой энергии соответственно, т|м, % - коэффициенты полезного действия насосных агрегатов и подогревательных устройств соответственно, Тн и Тк - начальная и конечная температуры нефти на участке.
Классическое решение в случае целевой функции сформулированной как "минимум затрат на перекачку и подогрев" было получено профессором В.С. Яблонским. Решение В.С. Яблонского формулируется в следующем виде [2]:
QpgiH П + КнЖ0(Тн - T) П = QpgiK П + Knd(Тк - T) ^
П м Лп П м Лп
где iH - гидравлический уклон на начальном участке, iK - гидравлический уклон на конечном участке, KH - полный коэффициент теплопередачи от нефти
в окружающую среду на начальном участке, Кк - полный коэффициент теплопередачи от нефти в окружающую среду на конечном участке. Температура подогрева будет оптимальной в том случае, когда суммарные затраты на перекачку и подогрев на первой (начальной) единице длины нефтепровода равны суммарным затратам на перекачку и подогрев на последней (конечной) единице длины нефтепровода.
Несмотря на то, что был проведен подробный анализ данного соотношения различными исследователями, оно не лишено недостатков. Важнейшим недостатком обобщенного принципа Яблонского является то, что не учтена зависимость расхода от изменения начальной температуры, то есть задача решается исходя из Q=const, что является заведомо необоснованным допущением. В настоящее время, в том числе и на "горячих" нефтепроводах, на большинстве НПС установлены центробежные насосы. Центробежные насосы имеют сильно выраженную гидравлическую связь с нефтепроводом через уравнение баланса напоров. Таким образом, допущение что расход перекачки не зависит от температуры подогрева Q =const является ложным.
Также важно отметить тот факт, что обобщенный принцип Яблонского игнорирует выгоду, полученную от транспорта нефти. Оптимизация происходит при заданном расходе. В тоже время, если производительность участка нефтепровода увеличивается, то увеличивается и доход от транспорта нефти.
Методика выбора оптимальной температуры подогрева при неизотермическом транспорте нефти и нефтепродуктов разработана с целью повышения эффективности трубопроводного транспорта в случае использования технологии "горячей" перекачки. В методике исключены недостатки выбора оптимальной температуры по классическому методу (по обобщенному принципу Яблонского). Поскольку в разработанной методике используются численные методы, то она реализована в виде программы на встроенным языке математического процессора Maple.
В случае если стоит задача получить максимальный доход от транспорта нефти, авторами предложено записать целевую функцию в виде:
B = ^ставка LQp - QpgHП - QpCр (Тя - Тк ) П + ^ ШаХ
пм Пт
при условии технологических ограничений [ТШ„ ] < Топт < [Tmax ]
[Qmta ]< Q <[Qmax ]
где В - выгода от транспорта нефти по рассматриваемому участку за вычетом эксплуатационных затрат на перекачку и подогрев, остаВка - тарифная ставка на перекачку нефти по данному участку нефтепровода, L - длина нефтепровода, [Tmin] и [Tmax] - технологические ограничения на начальную температуру нефти на участке, [Qmin] и [Qmax] - технологические ограничения на расход перекачки на рассматриваемом участке.
Обобщенный алгоритм работы программы по расчету оптимальной температуры подогрева нефти
1. Выбирается критерий оптимальности при перекачке с предварительным подогревом. Например, критерий максимальной выгоды:
B = —ставка LQP - QPgH- QpCр Тн - Тк ) П + ^ ШаХ
Пм Пт
при условии технологических ограничений [ТШт ]< Топт < \Тшах ]
[Qmin ]< Q <[Qmax ]
2. Присваиваются значения параметрам (исходным данным), необходимым для теплогидравлического расчета нефтепровода. Задается диапазон начальных температур подогрева, и диапазон расходов, при которых функционирует нефтепровод (в данной области будет произведен поиск оптимальной температуры).
Исходные данные, необходимые для расчета выбираются по РД-75.180.00-КТН-198-09.
Технологические ограничения накладываются в виде: [Т. ]< Т <[Т ]
L шгп J опт L шах J
[ОТ ]< Q <[Qmax ]
2. Присваивается значение начальной температурой подогрева на данном шаге цикла:
Т:=Тн[1]
3. Проводится итеративная процедура поиска установившегося в нефтепроводе расхода:
1). Задается расход перекачки
2). Проводится теплогидравлический расчет нефтепровода согласно нормативному документу РД-75.180.00-КТН-198-09.
3). Решается уравнение баланса напоров: H = H + H + (z - z )
станции l местн У к н'
4). В случае если расход, полученный из уравнения баланса напоров, отличается от расхода заданного на предыдущем шаге более чем на 0,1% , расчет повторяется для нового значения расхода до тех пор пока сходимость не будет достигнута.
5). После того, как установившийся расход в нефтепроводе найден, итеративная процедура поиска прерывается
4. При найденном установившемся расходе в нефтепроводе, и заданной начальной температуре вновь проводится теплогидравлический расчет нефтепровода согласно РД-75.180.00-КТН-198-09.
5. Вычисляются потери напора на трение по длине нефтепровода, распределение температуры на участке нефтепровода. Определяются затраты на перекачку, на подогрев, и общие затраты на перекачку и подогрев. Определяется выгода от транспорта нефти при установившемся расходе.
S = QpgH —- - затраты на работу насосного оборудования
МеХ Пм
Srnem = QPCp (Тн - Тк ) — - затраты на подогрев Пт
5 = QpgH —— + ОрСр (Т — Т) —— - общие эксплуатационные затраты на ра-
П— П—
боту насосного оборудования и на подогрев
В =—ставка ЩР — QpgH —— — QpC„ (Т — Т)—— - выгода от транспорта неф-
П— П—
ти при установившемся расходе
6. Задается новое значение начальной температуры подогрева, расчет повторяется с пункта 2.
Т:= Тп[п+1]
7. После вычисления всех параметров в заданном диапазоне температур, формируется массив данных, состоящий из начальных температур подогрева нефти и соответствующих им значений параметров.
Массив данных представлен в виде матрицы
Шаг цикла Начальная температура подогрева Установившийся расход перекачки Затраты на работу насосного оборудования Затраты на работу теплового оборудования Общие экс-плуатацион-ные затраты на перекачку и подогрев Выгода
1 Тп[1] Р[1] Бмех[ 1 ] Бтепл[1] Б [1] В[1]
п Тп[п] д[п] Бмех[п] Бтепл[п] Б [п] В[п]
8. Из полученного массива выбирается искомое значение оптимальной температуры подогрева нефти исходя из выбранного критерия оптимальности:
Т опт • ] | выбранный критерий оптимальности
Выводы
На основе анализа задачи оптимизации "горячей" перекачки предложен обобщенный алгоритм поиска оптимальной температуры подогрева. Полученный алгоритм позволяет находить оптимальную температуру подогрева для различных критериев оптимальности. Полученный алгоритм учитывает изменение расхода перекачки при изменении температуры подогрева нефти, что являлось существенным недостатком использовавшихся ранее методик.
Сформулирован критерий максимальной выгоды, который позволяет получить нефтетранспортрной компании максимальную выгоду от транспорта нефти и нефтепродуктов с подогревом.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Тепловой и гидравлический расчеты 2. Марон В.И. Гидродинамика однофаз-
трубопроводов для нефти и нефтепродук- ных и многофазных потоков в трубопрово-
тов / В.М. Агапкин, Б.Л. Кривошеин, В.А. де: Учебное пособие / В.И. Марон. - М.:
Юфин. - М.: Недра, 1981,- 256 с. МАКС Пресс, 2009. - 344 с. ЕНЭ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Пшенин Владимир Викторович - аспирант, [email protected], Климко Василий Иванович - аспирант, [email protected], Национальный минерально-сырьевой университет "Горный".
