CN113673746A

CN113673746A - 一种基于成品油优化配泵的变时间步长建模方法

Info

Publication number: CN113673746A
Application number: CN202110816557.2A
Authority: CN
Inventors: 田中山; 廖兴万; 林武斌; 徐烺; 李斌; 李苗
Original assignee: China Oil and Gas Pipeline Network Corp
Current assignee: China Oil and Gas Pipeline Network Corp
Priority date: 2021-07-19
Filing date: 2021-07-19
Publication date: 2021-11-19

Abstract

本发明公开了一种基于成品油优化配泵的变时间步长建模方法，涉及管网输油技术。针对现有技术中配泵方案不理想的问题提出本方案，包括获取各基础信息的步骤；利用各信息计算相邻输油批次间的油头到站时间，加入时间步长划分；计算管道沿程的水力情况判断各个站场是否越限；在没有在压力没有越限情况下判断主输泵的配泵方案是否为全线输油泵运行成本最小状态，若为最小状态则以当前配泵方案为最优方案确定配泵模型。优点在于，经优化决策后的开泵方案能够实现整个成品油管网的节流最小，最大限度的降低主输泵的发电成本，而从实现了节本降费、降低能耗的目的。

Description

一种基于成品油优化配泵的变时间步长建模方法

技术领域

本发明涉及管道输油技术，尤其涉及一种基于成品油优化配泵的变时间步长建模方法。

背景技术

随着中国各类产业发展迅速，成品油的需求量大幅增长，传统铁路、公路、水路等成品油运输方式存在受季节性约束，运输成本高，耗时长等问题。管道运输具有运量大、占地面积小、环境污染小、损耗低等优势，成品油管道运输已逐渐成为国内外成品油输油的主流运输方式。国内长距离、大流量、多卸油点的复杂成品油管道相继投产。

在管道输送成品油过程中，流量随着时间变化，某时刻各站的开泵方案由管道的输量、耗能(沿程摩阻)及高程来决定。成品油采用批次顺序输送，随着各批次油头的移动，管内的油品种类必然会发生改变。成品油管道运行过程中沿线各泵站开泵方案的优化对于降低成品油管道的运行能耗具有重要作用。

以往针对此问题大多采用动态规划及人工智能算法进行求解，具有一定的局限性，很少从整体上建立MILP模型(Mixed Integer Linear Programming，MILP)。但是成品油输油批次时间差异很大，在划分好的时间间隔内泵的启停状态不变。若每一个时段用一个0-1变量(0表示停泵，1表示启泵)表征一台泵的起停，那么0-1变量的个数等于划分的时间步长数乘以泵的总台数，此时会产生模型精度与求解效率难以权衡的问题：若选取步长太大，即时间间步长数少，则决策精度低，泵的启停变化不能充分体现；若选取步长太小，即时间间步长数多，由于优化模型中在启停泵决策时刻泵的启停状态需要使用0-1变量表示因此在成品油优化配泵建模过程，导致模型规模过大，难以求解，因此合理的选取时间显得尤为重要。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于成品油优化配泵的变时间步长建模方法，以解决上述现有技术存在的问题。

本发明所述基于成品油优化配泵的变时间步长建模方法，包括以下步骤：

S1、获取输油计划的生产计划表、成品油管网的管道参数以及主输泵参数；其中生产计划表至少包含：各个站场的批次输入时间、流量信息；

S2、根据管道参数、批次输入时间以及流量信息计算相邻输油批次间的油头到站时间，加入时间步长划分；将流量信息按照新划分的时间步长列出，确保重新划分的时间步长内，所有含有主输泵的站场中泵的启停状态、各站场过泵流量和过泵密度、各管段中流量以及各管段中油品种类均不变，得到主输泵的杨程和效率；

S3、计算管道沿程的水力情况；结合计算出的水力情况、主输泵的杨程和效率判断各个站场是否越限；

S4、在没有在压力没有越限情况下判断主输泵的配泵方案是否为全线输油泵运行成本最小状态，若为最小状态则以当前配泵方案为最优方案确定配泵模型。

所述全线输油泵运行成本最小状态的目标函数为min F＝f₁+f₂；

其中，f₁为泵运行成本，f₂为泵启停成本。

泵运行成本f₁为所有泵运行所产生总的电费成本，表达式为：

其中，E_t，i，k为第t个时间步长第i个站场第k台泵的功率，ΔT_t为第t个时间步长所持续的时长，F_t，i为第t个时间步长内第i个站场当地的电量单价。

泵启停成本f₂为计划使用的泵站内所有泵启停所消耗的人工及其他成本，表达式为：

其中，SA_t，i，k为表示第t个时间步长内第i个站场中第k台泵启停状态变化的0/1变量，C_t，i，k为第t个时间步长内第i个站场中第k台泵的启停成本。

配泵方案的决策变量分别为第t个时间步长内第i个站场中第k台泵的启停状态变量SP_t，i，k、以及第t个时间步长内第i个站场中第k台泵的启停状态变化变量SA_t，i，k；

启停状态变化变量SA_t，i，k的约束表达式为：SA_t，i，k之|SP_t，i，k-SP_t-1，i，k|；

同时两个决簧变量还乎到累计启停时间约束：

TL_t′-TL_t≥(SP_t，i，k+SP_t′，i，k-2)M+T_Si，k t′≥t；

其中TL_t、TL_t′分别代表第t及t′个时间步长开始的时间，T_Si，k代表第i个站场中第k台泵的最小启停时间，M为一个无穷大的常数。

管道沿程的水力情况包括沿程摩擦阻力。沿程摩擦阻力计算公式为达西公式。

管道沿程的水力情况包括管道总压头损失。管道总压头损失包括沿程摩阻损失h₁，站内摩阻损失、管道起点与终点高程差Δz。

本发明所述基于成品油优化配泵的变时间步长建模方法，其优点在于，经优化决策后的开泵方案能够实现整个成品油管网的节流最小，最大限度的降低主输泵的发电成本，而从实现了节本降费、降低能耗的目的。

附图说明

图1是本发明所述变时间步长建模方法的流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述基于成品油优化配泵的变时间步长建模方法具体流程如下。

首先，收集输油计划的生产计划表、成品油管网管道参数及主输泵参数。

生产计划表包括如下信息：每个批次各站场开始输送或接收油品的时间T_st，各站场开始输送或接受油品的流量Q_s，t，各站场输送或接收油品种类Type，批次总量M。

油品参数、管道参数包括如下信息：

1)输送各类油品的密度ρ，输送各类油品的运动粘度μ；

2)以I＝{1，2，...，I_max}表示管道沿线站场编号的集合，站场编号用i表示，各站场高程Z_i，各站场油品进站压力下限P_OUTi，min，各站场油品进站压力下限P_INi，min，各站场油品出站压力上限P_OUTi，max；

3)输油管道段数S，各段管道直径D_s，各段管道长度L_s，各段管道连接的站场编号i，j，管内壁绝对(当量)粗糙度e，管道当地重力加速度g；

4)成品油管道启输前各管道内油品种类Type信息。

站场主输泵参数包括如下信息：以K＝{1，2，...，K_max}表示站场i内所有输油泵编号的集合，输油泵编号用k表示，若第i站场为非泵站，其K_max＝0；输油首站给油泵的扬程H_IN。站场主输泵参数包含过泵流量与泵扬程关系参数a_i，k、b_i，k、m_i，k，以及过泵流量与泵效率关系参数a_0i，k、a_1i，k、b_1i，k、a_2i，k、b_2i，k、a_3i，k、b_3i，k、ω。

然后设置模型时间步长：根据收集的生产计划表，根据各站场开始输送或接收油品的时间划分时间步长并确定各时间步长内各管段中的油品流量Q_t，i。由于在每个时间步长内，各批次混个分界面的油头在管道中移动，当出现油头过站的情况时，管道中油品的种类有可能发生改变，导致难以确定压力损失。于是根据管道参数、批次输入时间以及流量情况计算相邻输油批次间的油头到站时间T_b，并将这些时刻加入时间步长划分，同时将流量信息Q_st，i按照新划分的时间步长列出，确保重新划分的时间步长内，所有含有主输泵的站场中泵的启停状态、各站场过泵流量和过泵密度、各管段中流量以及各管段中油品种类均不变，此时可以更加准确进行管道水力计算。

进行管道水力的计算：

1)沿程摩擦阻力计算基本公式

管道沿程摩阻计算按照GB 50253-2014《输油管道工程设计规范》推荐使用达西公式：

式中，h₁为计算管段的沿程摩阻损失(单位m)，λ为水力摩阻系数，L_S为计算管道的长度(单位m)，D_S为管道内直径(单位m)，v为流体在管道内的平均流速(单位 m/s)，Q为流体在平均温度下的体积流量(单位m3/s)。

管道水力摩阻系数λ反映了在不同流动状态下各参数(如介质流速、粘度、管内径及内壁粗糙度)与摩阻损失数值的关系。在不同流态下λ的计算方法不同，不同流态下的摩擦阻力系数应按表中的雷诺数Re划分流态范围，选择对应公式计算。

其中Re是输油平均温度下管内的流体的雷诺数：

式中，μ为介质平均温度下的运动粘度(单位m2/s)，e为管内壁绝对(当量)粗糙度(单位mm)。

2)管道总压头损失

管内的总压头损失包括沿程摩阻损失h₁，站内摩阻损失(忽略)、管道起点与终点(或翻越点)高程差Δz。当输送一定量的油品时，油品从起点输送到终点(或翻越点)的总压头为：

H＝h₁+Δz (4)

下一步，进行成品油优化配泵模型建立步骤：

以全线输油泵运行成本最小为优化模型的目标函数，其表达式为式，

min F＝f₁+f₂ (5)

式中，f₁为泵运行成本，f₂为泵启停成本。

泵运行成本f₁为所有泵运行所产生总的电费成本，与运行效率、启停状态、扬程、过泵流量、油品密度、重力加速度运行时长及电量单价有关，表达如下式，

式中，E_t，i，k为第t个时间步长第i个站场第k台泵的功率(单位KW)，ΔT_t为第t个时间步长所持续的时长(单位h)，F_t，i为第t个时间步长内第i个站场当地的电量单价 (单位元/kWh)。

泵启停成本为计划使用的泵站内所有泵启停所消耗的人工及其他成本，其表达如下式，

式中，SA_t,i,k为表示第t个时间步长内第i个站场中第k台泵启停状态变化的0/1变量(当SA_t，i，k为1时，表示第t个时间窗内进行了一次泵的启停切换，当SA_t，i，k为0时，表示第t个时间步长内没有发生泵的启停切换)，C_t，i，k为第t个时间步长内第i个站场中第k台泵的启停成本(单位元/次)。启停成本的引入是由于在基于批次调度计划制定相应开泵方案时，以节流损失最小为目标，可能导致同一台输油泵频繁启停，此情况下产生的强电流会对泵内叶轮、轴承、电机等部件造成较大损伤。所以频繁启停在增加调度人员操作难度的同时也破坏了整个输油系统运行的稳定性与连续性，甚至导致跳泵事故，造成管道全线停输。

在已知成品油管道批次输油计划的条件下，开泵方案优化约束主要分为：压力约束、上下限约束、泵特性约束、泵启停时间约束、泵流量约束、泵功率约束。

压力约束：

P_OUTt，i＝P_INt，i+P_Ht，i (9)

P_INt，i+1＝P_OUTt，i-P_Ft，i (10)

PF_t，i＝α_t，iTA_t+β_t，i (11)

P_INt，1＝PG (12)

在各式中，若出现第i+1个站场，则i＜i_max。(8)式为站场提供压力的约束，g为重力加速度，K_i为第i个站点的主输泵集合，ρ_t，i为第t个时间窗内第i个站场的油品过泵密度；(9)式与(10)式分别为第t个时间步长开始时刻相邻两站点进出站压力之间的连接关系约束；(11)式为计算管段压力损失值的约束；(12)式为首站进站压力的边界条件约束。

上下限约束：

PIN_min≤PIN_t，i≤PIN_max (13)

POUT_min≤POUT_t，i≤POUT_max (14)

在(13)式、(14)式中，如果第i个站场没有下载或接收任务，那么就不对进出站压力进行约束。(13)式、(14)式分别为各站场在第t个时间步长开始时刻进出站压力上下限约束。

泵特性约束：

(15)式为第t个时间步长内第i个站场中第k台泵的扬程与第t个时间步长内第i个站场过泵流量的函数关系约束；(16)式为第t个时间步长内第i个站场中第k台泵的效率与第t个时间步长内第i个站场过泵流量的函数关系约束。

泵启停时间约束：

SA_t，i，k≥|SP_t，i，k-SP_t-1，i，k| (18)

TL_t′-TL_t≥(SP_t，i，k+SP_t′，i，k-2)M+T_Si，k t′≥f (19)

(18)式为第t个时间步长内第i个站场中第k台泵启停状态变化约束，无论是泵由启动到停止还是由停止到启动，均视为一次启停状态变化；(19)式为泵累计启停时间约束，TL_t、TL_t′代表第t个时间步长开始的时间，T_Si，k代表第i个站场中第k台泵的最小启停时间，M为一个无穷大的常数。

泵流量约束：

(20)式与(21)式分别为第t个时间步长内第i个站场过泵流量上下限约束，K_i为第i 个站场主输泵集合，应当注意只有当该站有主输泵且该站是油品流经的站场时该约束才起作用。

泵功率约束：

-SP_t，i，kM≤E_t，i，k≤SP_t，i，kM (22)

式中，η_t，i，k为第t个时间步长第i个站场的第k台泵的效率。只有当该站有主输泵且该站是油品流经的站场时该约束才起作用。

综上所述，优化模型中的变量包括第t个时间步长第i个站场进站压力P_INt，i、第t个时间步长第i个站场出站压力P_OUTt，i、第t个时间步长内连接第i个站场与第i+1个站场管段中的压力损失P_Ft，i、第t个时间步长内第i个站场中第k台泵的扬程H_t，i，k、第t个时间步长内第i个站场所提供的压力P_Ht，i、第t个时间步长内第i个站场中第k台泵启停状态变量SP_t，i，k、第t个时间步长内第i个站场中第k台泵启停状态变化变量SA_t，i，k。上述变量中的决策变量为SP_t，i，k和SA_t，i，k也即是最终需要的开泵方案。

最后计算所有与输送计划有关站场进出站压力值，并进行越限判断：依据各式可以递推计算得到各时间步长内，时间步长开始和结束时刻各站场进出站的压力值，然后进行站场进出站压力的越限判断，进而通过分支定界的方法得到可行的配泵方案，通过对比所有可行解的输油成本，选择最终最优的配泵方案。

进一步，本实施例以实际管网输送的工作为例：南沙站为输油首站，中山站为中间站，北沙阀室、珠海站、斗门站为输油末站。分别记为站场1、2、3，4，其中南沙站配置了四台主输泵，分别记为P1-1，P1-2，P1-3，P1-4。

1、获取输油批次的生产计划表，收集管道的常规参数，获取站场以及其中泵的有关技术参数。

输油管道段数S＝3，各段管道直径为D_s，各段管道长度为L_s，各段管道连接的站场编号为i，j，管内壁绝对(当量)粗糙度e＝0.00006，管道当地重力加速度g＝9.81；管道连接的站场个数I＝4，各站场高程为Z_i，各站场油品进站压力上限为P_INi，max，各站场油品进站压力下限P_INi，min，各站场油品出站压力上限P_OUTi，max，各站场开始输送或接收油品的时间T_st，各站场开始输送或接受油品的流量Q_st；各站场中的泵数为 K_i，输油给油泵扬程为H_IN。站场主输泵参数包含过泵流量与泵扬程关系参数a_i，k、 b_i，k、m_i，k，以及过泵流量与泵效率关系参数a_0i，k、a_1i，k、b_1i，k、a_2i，k、b_2i，k、a_3i，k、b_3i，k、 ω；输送各类油品的密度为ρ，输送各类油品的运动粘度为μ，节点电价为1元/kWh。以上参数具体数值由表1-表8展示。

表1生产计划表

表2各个时间步长管段流量

表3各个时间步长过泵流量

表4管段信息

管段	管段长度(km)	管段内径(mm)	高度差(m)
				南沙-中山	48.6	260	5.51
中山-北沙	20.7	208	-4.43
				北沙-珠海	12.99	208	-7.88
北沙-斗门	54.88	208	2.84

表5各种类油品参数表

油品种类	油品密度(kg/m3)	运动粘度(m2/s)
			0#柴油	840	4*10-6
92#汽油	740	0.3*10-6
			95#汽油	740	0.3*10-6

表6各泵扬程、效率参数表

续表7各泵扬程、效率参数表

表8站场信息

2、针对建立成品油管道最优配泵的模型，采用分支定界算法求解，通过yalmip 工具箱调用cplex求解，求解优化模型得到配泵结果如下。

南沙站进出站压力变化以及中山站压力变化有实际测试可知，压力一直在限制范围内，不存在压力越限情况，说明配泵决策是符合安全性的。结果表明：该模型在较大程度上降低了管道的运行能耗，提高了运行稳定性，符合现场操作的工艺。在本实施例中实际使用的目标函数值为24440.6552971639元，计算耗时仅为7s。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种基于成品油优化配泵的变时间步长建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述基于成品油优化配泵的变时间步长建模方法，其特征在于，所述全线输油泵运行成本最小状态的目标函数为minF＝f₁+f₂；

其中，f₁为泵运行成本，f₂为泵启停成本。

3.根据权利要求2所述基于成品油优化配泵的变时间步长建模方法，其特征在于，泵运行成本f₁为所有泵运行所产生总的电费成本，表达式为：

4.根据权利要求2所述基于成品油优化配泵的变时间步长建模方法，其特征在于，泵启停成本f₂为计划使用的泵站内所有泵启停所消耗的人工及其他成本，表达式为：

5.根据权利要求2所述基于成品油优化配泵的变时间步长建模方法，其特征在于，配泵方案的决策变量分别为第t个时间步长内第i个站场中第k台泵的启停状态变量SP_t，i，k、以及第t个时间步长内第i个站场中第k台泵的启停状态变化变量SA_t，i，k；

启停状态变化变量SA_t，i，k的约束表达式为：SA_t，i，k≥|SP_t，i，k-SP_t-1，i，k|；

同时两个决策变量还受到累计启停时间约束：

TL_t′-TL_t≥(SP_t，i，k+SP_t′，i，k-2)M+T_Si，k t′≥t；

其中TL_t、TL_t′分别代表第t及t′个时间步长开始的时间，T_Si，k代表第i个站场中第k台泵的最小启停时间，M为一个常数。

6.根据权利要求5所述基于成品油优化配泵的变时间步长建模方法，其特征在于，M为一个无穷大的常数。

7.根据权利要求5所述基于成品油优化配泵的变时间步长建模方法，其特征在于，管道沿程的水力情况包括沿程摩擦阻力。

8.根据权利要求7所述基于成品油优化配泵的变时间步长建模方法，其特征在于，沿程摩擦阻力计算公式为达西公式。

9.根据权利要求5所述基于成品油优化配泵的变时间步长建模方法，其特征在于，管道沿程的水力情况包括管道总压头损失。

10.根据权利要求9所述基于成品油优化配泵的变时间步长建模方法，其特征在于，管道总压头损失包括沿程摩阻损失h₁，站内摩阻损失、管道起点与终点高程差Δz。