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油气集输系统生产运行方案优化方法

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油气集输 集输工艺 集输工程 集输安全
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大 庆 石 油 学 院 学 报 第 29 卷 第 3 期 2005 年 6 月F E 29 3 J 2005收 稿 日 期 :2005 01 13 ;审 稿 人 :刘 晓 艳 ;编 辑 :任 志 平基 金 项 目 :黑 龙 江 省 自 然 科 学 基 金 ( 02) ,石 油 科 技 中 青 年 创 新 基 金 (2001 36)作 者 简 介 :魏 立 新 (1973 - ) ,博 士 生 ,讲 师 ,主 要 从 事 油 田 地 面 工 程 优 化 与 节 能 降 耗 方 面 的 研 究 集 输 系 统 生 产 运 行 方 案 优 化 方 法魏 立 新 , 刘   扬( 大 庆 石 油 学 院 石 油 工 程 学 院 ,黑 龙 江 大 庆   163318 )摘   要 :为 降 低 生 产 运 行 成 本 ,以 油 气 集 输 系 统 生 产 运 行 费 用 最 小 为 目 标 函 数 ,将 井 口 回 压 、 井 口 掺 水 压 力 和 原 油 进站 温 度 等 作 为 约 束 条 件 ,建 立 了 系 统 运 行 方 案 优 化 数 学 模 型 ;根 据 优 化 数 学 模 型 的 结 构 特 点 ,采 用 了 序 列 二 次 规 划 法 求解 ,编 制 了 油 气 集 输 系 统 生 产 运 行 优 化 软 件 . 某 区 块 的 现 场 应 用 结 果 表 明 :每 年 按 300 d 计 ,年 节 约 耗 气 1. 70 × 106 耗 电 4. 50 × 104 键   词 :油 气 集 输 ; 优 化 ; 模 型 ; 序 列 二 次 规 划 法中 图 分 类 号 : 6       文 献 标 识 码 :A       文 章 编 号 :1000 1891 (2005) 03 0047 03油 田 开 发 的 中 后 期 ,产 油 量 、 产 液 量 与 开 发 初 期 相 比 发 生 较 大 变 化 ,含 水 率 不 断 上 升 ,地 面 工 程 系 统 的负 荷 普 遍 下 降 ,系 统 效 率 降 低 ,生 产 运 行 能 耗 升 高 . 为 降 低 生 产 成 本 ,必 须 优 化 油 田 地 面 工 程 系 统 生 产 运行 方 案 . 针 对 油 气 集 输 系 统 生 产 运 行 工 艺 流 程 特 点 ,拟 建 立 相 应 的 生 产 运 行 优 化 数 学 模 型 ,并 给 出 求 解 方法 优 化 数 学 模 型油 气 集 输 系 统 生 产 运 行 方 案 优 化 是 建 立 在 现 有 生 产 基 础 上 ,通 过 调 整 生 产 设 备 的 运 行 参 数 ,以 达 到 降低 生 产 运 行 能 耗 为 目 的 . 对 于 掺 水 流 程 ,可 以 调 整 的 参 数 主 要 包 括 加 热 炉 的 出 站 温 度 、 泵 (输 油 泵 和 掺 水泵 )的 扬 程 和 油 井 掺 水 量 ,其 运 行 优 化 数 学 模 型 为( H , T, = 1 6Np 1( p 1 6N 1( 1)s. t . po i ≤ [ , (2) [ , (3) [ , (4) H ≤ (5) T ≤ (6) (7)式 中 : H 为 泵 的 扬 程 向 量 ; 体 出 加 热 炉 温 度 向 量 ; 油 井 掺 水 量 向 量 ; M 为 站 (接 转 站 和 集 中 处 理站 ) 的 数 量 ; Np i 站 内 泵 的 运 行 台 数 ; 第 i 站 内 第 j 台 泵 的 出 口 压 力 ; i 站 内 第 j 台 泵 的入 口 压 力 ; 第 i 站 内 第 j 台 泵 的 排 量 ;η p 第 i 站 内 第 j 台 泵 的 效 率 ;η 第 i 站 内 第 j 台 泵 所 用 电机 的 效 率 ; N i 站 内 加 热 炉 的 数 量 ; 第 i 站 内 第 j 座 加 热 炉 的 出 口 温 度 ; i 站 内 第 j 座 加热 炉 的 入 口 温 度 ; 第 i 站 内 第 j 座 加 热 炉 加 热 介 质 流 量 ; 第 i 站 内 第 j 座 加 热 炉 加 热 介 质 热 容 ;η 第 i 站 内 第 j 座 加 热 炉 的 效 率 ; 常 系 数 ; po 井 i 处 的 井 口 回 压 ; [ 为 井 口 回 压 许 用 值 ; 井 节 点 集 合 ; 水 管 线 在 i 节 点 处 的 掺 水 压 力 ; [ 为 掺 水 压 力 许 用 值 ; 掺 水 压 力 约 束·74·节 点 集 合 ; To 油 管 线 在 i 节 点 处 进 站 温 度 ; [ 为 原 油 许 用 进 站 温 度 ; 油 进 站 温 度 约 束 节 点 集合 ; 别 为 泵 出 口 扬 程 约 束 上 、 下 限 ; 别 为 热 水 出 供 热 站 温 度 约 束 的 上 、 下 限 ; 别为 井 口 掺 水 量 约 束 的 上 、 下 限 函 数 为 系 统 运 行 能 耗 费 用 ,其 中 第 1 项 为 动 力 能 耗 费 用 ,第 2 项 为 热 力 能 耗 费 用 . 式 (2) 为 井 口回 压 约 束 ,式 (3) 为 井 口 掺 水 压 力 约 束 ,式 (4) 为 原 油 进 站 温 度 约 束 ,式 (5) ~ (7) 为 设 计 变 量 取 值 范 围 约 束 求 解 方 法油 气 集 输 系 统 生 产 运 行 方 案 优 化 数 学 模 型 属 于 高 度 非 线 性 数 学 规 划 问 题 ,其 模 型 中 的 压 力 、 温 度 等 参量 是 设 计 变 量 的 隐 函 数 . 而 设 计 变 量 又 通 过 系 统 分 析 方 程 关 联 在 一 起 . 为 了 保 证 求 解 过 程 的 稳 定 性 和 求解 效 率 ,采 用 序 列 二 次 规 划 法 求 解 [1 ,2 ] . 该 算 法 实 质 上 是 将 数 学 模 型 转 化 为 一 系 列 二 次 规 划 问 题 进 行 求解 ,其 基 本 迭 代 步 骤 为(1) 给 定 初 始 迭 代 点 ;(2) 解 二 次 规 划 子 问 题 ;(3) 判 断 是 否 满 足 收 敛 条 件 . 若 是 ,输 出 结 果 ,停 止 计 算 ;否 则 ,更 新 迭 代 点 ,返 回 步 骤 (2) 第 k 次 迭 代 ,有 近 似 二 次 规 划 问 题 :x ,                                            ( x) = ( x - + 12 ( x - T H( ( x - , (8)s. t . po i ( x) + po i ( x) ( x - ≤ [ , x) + x) ( x - ≥ [ , To i ( x) + o i ( x) ( x - ≥ [ , x ≤ 其 中x = [ H   T  T ,式 中 : 度 算 子 ; 变 量 的 约 束 界 ; H( 为 目 标 函 数 的 阵   大 庆 油 田 某 区 块 原 油 集 输 管 网3   计 算 实 例编 制 油 气 集 输 系 统 运 行 优 化 软件 ,并 对 大 庆 油 田 某 区 块 的 油 气 集 输系 统 运 行 参 数 优 化 设 计 . 该 区 块 的 原油 集 输 管 网 见 图 1 ,包 括 脱 水 站 1 座 ,转 油 站 4 座 ,计 量 站 42 座 ,油 井 399口 ,产 油 量 为 2. 42 × 103 t/ d ,优 化 前的 热 水 出 站 温 度 为 70. 0 ℃ ,每 口 井 掺水 量 为 24. 00 t/ d ,环 境 温 度 为 - 20. 0℃ ,天 然 气 价 格 为 0. 90 元 / 电 价为 0. 45 元 / ( h) . 为 了 分 析 热水 出 站 温 度 对 系 统 运 行 效 果 的 影 响 ,对 热 水 出 站 温 度 为 60. 0 ,62. 5 ,65. 0 ,67. 5 ,70. 0 ,72. 5 ,75. 0 ℃ 时 系 统 运 行情 况 进 行 优 化 ,优 化 计 算 结 果 见 表 1 ,·84·大   庆   石   油   学   院   学   报                             第 29 卷   2005 年优 化 后 的 掺 水 量 、 耗 气 量 、 耗 电 量 、 吨 油 运 行 成 本 与 热 水 出 站 温 度 的 关 系 分 别 见 图 2 -   掺 水 量 与 热 水 出 站 温 度 关 系 图 3   吨 油 耗 气 与 热 水 出 站 温 度 关 系图 4   吨 油 耗 电 与 热 水 出 站 温 度 的 关 系 图 5   吨 油 运 行 成 本 与 热 水 出 站 温 度 的 关 系表 1   优 化 计 算 结 果项   目 热 水 出 站 温度 / ℃ 总 掺 水 量 /(103 t · d - 1) 总 耗 气 /(103 d - 1) 吨 油 耗 气 /( t - 1) 总 耗 电 /( h · d - 1) 吨 油 耗 电 /( h · t - 1) 吨 油 运 行 成 本 /(元 · t - 1)优 化 前 70. 0 8. 21 41. 87 17. 3 22. 43 9. 3 19. 76优化后方 案 一 60. 0 8. 09 36. 21 15. 0 22. 28 9. 2 17. 63方 案 二 62. 5 7. 60 36. 65 15. 2 21. 63 9. 0 17. 67方 案 三 65. 0 7. 16 37. 07 15. 3 21. 04 8. 7 17. 72方 案 四 67. 5 6. 77 37. 49 15. 5 20. 52 8. 5 17. 78方 案 五 70. 0 6. 43 37. 93 15. 7 20. 07 8. 3 17. 86方 案 六 72. 5 6. 12 38. 33 15. 9 19. 66 8. 1 17. 93方 案 七 75. 0 5. 84 38. 71 16. 0 19. 30 8. 0 18. 01从 图 2 - 5 可 以 看 出 ,随 着 热 水 出 站 温 度 上 升 ,最 佳 掺 水 量 和 耗 电 量 下 降 ,但 耗 气 量 和 运 行 成 本 有 所 上升 . 方 案 一 为 最 佳 运 行 方 案 ,与 优 化 前 相 比 ,热 水 出 站 温 度 降 低 10. 0 ℃ ,掺 水 总 量 减 少 114. 00 t/ d ,吨 油耗 气 减 少 2. 34 吨 油 耗 电 减 少 0. 06 h ,吨 油 运 行 成 本 降 低 1. 97 元 . 按 优 化 后 的 方 案 运 行 ,每 年 按300 d 计 ,年 可 节 约 耗 气 1. 70 × 106 耗 电 4. 50 × 104 结 论(1) 以 系 统 能 耗 最 小 为 目 标 ,建 立 的 原 油 集 输 系 统 生 产 运 行 参 数 优 化 数 学 模 型 ,属 于 非 线 性 数 学 规 划问 题 . 根 据 模 型 的 结 构 特 点 ,提 出 采 用 序 列 二 次 规 划 法 进 行 求 解 .(2) 编 制 原 油 集 输 系 统 模 拟 优 化 运 行 软 件 ,该 软 件 能 够 实 现 管 网 图 形 建 模 、 系 统 模 拟 计 算 、 运 行 参 数优 化 等 功 能 . 对 大 庆 油 田 某 区 块 原 油 集 输 系 统 运 行 参 数 进 行 优 化 ,与 优 化 前 相 比 ,热 水 出 站 温 度 降 低 10. 0℃ ,吨 油 耗 气 减 少 2. 34 吨 油 耗 电 减 少 0. 06 h ,吨 油 运 行 成 本 降 低 1. 97元 文 献 :[ 1 ]   汪   萍 ,侯 慕 英 . 机 械 优 化 设 计 [ M ] . 武 汉 :中 国 地 质 大 学 出 版 社 ,1991. 92 - 96.[ 2 ]   《 现 代 应 用 数 学 手 册 》 编 委 会 . 运 筹 学 与 最 优 化 理 论 卷 [ M ] . 北 京 :清 华 大 学 出 版 社 ,1998. 87 - 191.·94·第 3 期                                 魏 立 新 等 :油 气 集 输 系 统 生 产 运 行 方 案 优 化 方 法of I/γ - 3 in a f 2005 ,29 (3) :39 - 41 L I S ni y y , Ti i n 300130 , of f in a I/γ - 3 It is t I/γ - 3 in t he in 50 ℃ , PO . 11 1 . 276 s to be PO T Y C 3 % . 8 (L - h) . of t he t he to be of by 2005 ,29 (3) :42 - 44L I L I L I . D o. L t d. , D i 63316 , 2. ni y , Qi d 66004 , 3. D et D i 63318 , of t he of to t he × 1016 2 . , - , , of by . 39 t he . 1 he t no on t he of ; of 2005 ,29 (3) :45 - 462 , 2 , 1. D et D j i 2. i n gi H n ni y , H 3. l o. 10 , D il f d p . L t d. , D j i P C ( s , in of t s h of p P C. of t he p p t he on t he p p of on of p a of s to t s ; of of 2005 ,29 (3) :47 - 49 L et D et D j i 63318 , In to an is f is t he of 21·s                       29   3   J 2005 of to t of t he it’s Q P A is in a t it . 7 × 106 m3 . 50 × 104 h of 2005 ,29 (3) :50 - 52 1. Qi g i et Qi 066004 , ng ni y , Qi d 66004 , In to t he of EM t is in t of t he ab t he of t h s s by t he of t is to t he is . 0 % s s ; of 2005 ,29 (3) :53 - 54 Qi i n g Qi 66004 , is of in as t h in f of t he t he of t he t he t he of t he t he is it s lo in t of t he is it s in of in 2005 ,29 (3) :55 - 58L L D et D n g , j i of s on it to it s is up . 15 m. In t he is in t t he h’s 220 m 560 m , h 300 of is 2 3 1 of in t we s s t by is 2. 9 % of he s 2 we t he to st of by Q of is it s is It f Q 21·s                       29   3   J 2005
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