液化石油气管道优化设计.pdf

第 4 4卷第 3期 2 0 1 5年 3月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e mi c a l I n d u s t r y V o 1 ． 4 4．N 0 ． 3 M a r c h．2 0 1 5 液化石油气管道优化设计 毕 潆 ，韩 钢 ， 刘德俊 ，官学源 ，于德龙 i 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 i 1 3 0 0 1 ； 2 ． 舟山实华原油码头有限公司，浙江 舟山 3 3 0 9 0 0； 3 ． 新疆油 田公司工程技术研究院，新疆 克拉玛依 8 3 4 0 0 2 摘 要 液化石油气管道建设周期长，投资大，且影响总费用的因素众多，而管道的优化设计直接决定 着管线的经济性和可行性，因此，建立液化石油气管道数学模型，对液化石油气管道设计进行优化具有重要的 研究意义。 在综合考虑了影响液化石油气 L P G 管道总费用的各项因素， 并以此基础， 建立液化石油气管道的总 费用为最小目标函数，以管道的管道强度、水力、稳定性为约束条件建立数学模型。并用 v c 进行数值求解。 通过算例计算得出，当管径为 O1 1 4 x 3 ． 2时，可使总费用达到最小值。该数学模型能够全面反映出各因素对总 费用的影响 ，对相关的液化石油气管道优化设计具有一定的参考价值。 关键词 液化石油气；目标函数；数学模型；约束条件 中图分类号 T E 6 2 4 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 5 0 3 0 6 1 2 0 3 Opt i mi z a t i o n De s i g n o f Li que fie d Pe t r o l e um Ga s Pi pe l i n e B I Y i n g ， H A NG G a n g 2 ， L I UDe - j u n ，GU A NXu e - y u a n ，Y UDe l o n g 1 ． Co l l e g e o f Pe t r o l e u m E n g i n e e r i n g ， Li a o n i n g S h i h u a Un i v e r s i t y， L i a o n i n g F u s h u n 1 1 3 0 0 1 ， C h i n a ； 2 ． Z h o u s h a n S h i h u a C r u d e O i l D o c k C o ． ， L t d ． ， Z h e j i a n g Z h o u s h a n 3 3 0 9 0 0 ， C h i n a ； 3 ． T e c h n o l o g y R e s e a r c h I n s t i t u t e o f Xi i a n g Oi l fl e l d C o m p a n y , Xi i a n g K a r a ma y 8 3 4 0 0 2 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e c o n s t r u c t i o n o f l i q u e fie d p e t r o l e u m g a s p i p e l i n e h a s l o n g p e r i o d a n d l a r g e i n v e s t me n t ， a n d i t i s a f f e c t e d b y ma n y f a c t o r s ． Ec o n o my a n d f e a s i b i l i ty o f p i p e l i n e s a r e d i r e c t l y d e t e r mi n e d b y t h e o p t i mi z a t i o n o f d e s i g n ． T h u s ， i t i s s i g n i fic a n t t h a t e s t a b l i s h i n g l i q u e fi e d p e t r o l e u m g a s p i p e l i n e ma t h e ma t i c a l mo d e l s f o r o p t i mi z i n g t h e d e s i g n o f l i q u e fi e d p e tro l e u m g a s p i p e l i n e ．I n t h i s p a p e r , v a r i o u s f a c t o r s t o a f f e c t t h e c o s t o f LP G p i p e l i n e s we r e c o n s i d e r e d d u r i n g t h e a n a l y s i s o f t o t a l o p e r a t i o n c o s t o f L P G p i p e l i n e ． T h e ma t h e ma t i c a l mo d e l wa s e s t a b l i s h e d wi t h t h e t o t a l c o s t o f L P G p i p e l i n e a s t h e mi n i mu m o b j e c t i v e f u n c t i o n ， a n d t h e s tr e n g t h ， h y d r a u l i c a n d s t a b i l i ty o f p i p e l i n e a s t h e c o n s tra i n t c o n d i t i o n s ． Th e mi n i mu m v a l u e o f t o t a l c o s t wa s o b t a i n e d b y e x a mp l e c a l c u l a t i o n wi t h VC ． W h e n t h e d i a me t e r o f p i p e l i n e i s 1 1 4 x 3 ． 2 ． t h e t o t a l c o s t i s t h e mi n i mu m v a l u e ． T h i s ma t h e ma t i c a l mo d e l c a n r e fl e c t t h e i n fl u e n c e o f v a r i o u s f a c t o r s o n t h e t o t a l c o s t ， a n d i t h a s c e r t a i n r e f e r e n c e v a l u e t o the r e l a t e d o p t i mi z a t i o n o f l i q u e fi e d pe t r o l e u m g a s p i pe l i ne ． Ke y w o r d s L i q u e fi e d p e t r o l e u m g a s ；Ob j e c t i v e f u n c t i o n ；Ma t h e ma t i c a l mo d e l ； C o n s tr a i n t c o n d i t i o n s 液化石油气管道建设具有投资大 ， 建设运行周期 长 ， 经营费用高的特点， 能否确定较优的方案直接关 系到管线的经济性和可行性。 液化石油气管道总运行 费用包括管道建设费用和泵所需的电费 。管道的压 力对管道的建设费用和动力费用有一定的影响 ， 为防 止液化石油气在管内气化， 管内的每一点压力必须大 于输送温度下的饱和蒸汽压， 但是压力越大 ， 壁厚就 越大，对所需费用有显著的影响 。 本文在给定输量的前提下， 求解变量， 使管道在 其寿命期 内总费用最低 。并 以总费用最低为 目标 函 数， 提出一个合理的液化石油气管道设计经济模型 。 1 数学模型 液化石油气管道总运行费用主要 由管道建设费 用和泵的电费用组成 。 1 ． 1 液化石油气管道寿命期内总费用为目标函数 Fm F1 1 ． 1 ． 1管道的建设费用” “ F l m [ l,％ a,D a2fiLiI ，Il 1 0 ‘ I 收稿 日期 2 0 1 4 - 1 0 1 3 作者简介 毕漾 1 9 8 9 一 ，女，辽宁抚顺人 ，硕士，毕业于辽宁石油化2 [ - 大学，研究方向液化石油气管输研究。E - m a i l 3 5 8 4 8 1 0 5 6 q q ． c o rn ． ． 通讯作者 刘德俊 1 9 6 7 一 ，男，副教授 ，硕士，研究方向原油及成品油管道输送技术研究。E - m a i l I d j 8 4 4 8 1 6 3 ． c o m 。 第4 4卷第3期 毕 潆，等液化石油气管道优化设计 6 1 3 1 ． 1 ． 2泵设备的电费 一 P Q Hye o 一 台 1 0 0 0 式中F l 一 管道建设费用，元 ； 一 泵设备用电费用 ，元 a O ，口 l ，口 2 一管道投资因数 ； P 一贷款，元； 卜一 年利率； n 一年限 p 一液态 L P G密度 ，t ／ m ； 一 流量 ，m ／ s ； 程 ，J ／ k g ； 卜 运行时间，h ； e 0 一电价，／ k W h 。 ； 一 泵组效率。 3 在运输过程中， 要求管道中任何一点的压 3 力都必须高于管道中液化石油气所处温度下的饱和 蒸汽压。 P任P饱 1 2 式中P 一管道内任意一点的压力，M P a ； P 一液化石油气所处温度下的饱和蒸汽压 ，M P a 。 总数学模型为 mi nFmF1 十 根据雷诺数判断液化石油气的流态 。 牛顿流体雷诺数 R 。 4 7 c y 式中 一液化石油气的运动粘度，m 2 ／ s 。 s 5 d e 一管壁的绝对当量粗糙度 ，m。 R e 等 6 R 。 二 7 S 根据各流态管段的摩阻选择泵 牛顿流体沿程摩阻损失 三 8 9 4 7 c g 1 ． 2 约束条件 1 管道强度约束 管道的压力必须不大于管子的允许最大操作压力。 一2 o ， 1 0 P ⋯ 式中6 一管壁计算厚度 ，mm； 一 管材最低屈服强度 ，MP a ； 一 强度设计系数； 一 管道纵向焊缝系数。 2稳定性约束条件 管道设计时所选择的壁厚 ，在任何情况下 ，不 得小于根据刚性要求确定的最小壁厚。钢管的外直 径与壁厚的比值不应大于 1 4 0 。 里 c 1 1 式中 c 一管径与壁厚比值限制。 D 2 ％F g D 旦 c 尸 饱 依据图 1 程序求解该数学模型。 厂 l 图 1 液化石油气管道运行费用数学模型求解程序框图 F i g ． 1 S o l v i n g p r o g r a m mo d e l d i a g r a m o f g a s p i p e l i n e l i que fie d pe t r ol e um m a t he mat i ca l o pe r a t i on c o s t 2 算 例 某液化石油气管道 ，已知管道长为 3 1 ． 4 k m， 由 于地势平缓 ，站 间高差忽略不计 ，输量为 1 ． 71 0 t／ a 。 在恒定温度为 2 0℃下输送， 液化石油气液态的 密度为 4 4 9 k g ／ m3 ，饱和蒸汽压为 O ． 8 2 MP a ，管道投 资因数 a o ， a 1 ， a 2分别为一 2 ．6 0 4 、 4 0 ．3 5 、 3 7 1 ．2 ， 当 地电费 1 元／ k w h 。根据上面的分析 ，对液化石油 气管道的总费用进行优化设计 。优化结果见图 2和 表 l 。 6 1 4 当 代 化 工 2 0 1 5年 3月 室 f 一 _ l 4 9 6 6 K m 图 2 管道的压降线 F i g ． 2 P i p e l i n e p r e s s u r e d r o p l i n e ’ _ o ． 8 2 M P I 表 1 算例管道的最优运行方案 T a b l e 1 Th e o p t i ma l o p e r a t i o n s c h e me f o r e x a mp l e 1 p i p e l i n e 3 结 语 目前 ， 关于液化石油气管道设计优化 的研究较 少 ，多为石油运输管道的优化设计。液化石油气管 道建设具有运行周期长 ，投资大等特点 ，且液化石 油气容易气化，对压强和温度的要求较高 ，因此 ， 影响因素更加复杂 。本文在综合考虑各项因素的前 提下 ， 列举三个约束条件 一是管道强度约束条件 ， 管道的压力必须不大于管子的允许最大操作压力 ； 二是稳定性约束条件，管道壁厚在任何情况下， 不 得小于刚性要求确定的最小壁厚 ；三是管道中任何 一 点的压力都必须高于管道 中液化石油气所处温度 下的饱和蒸汽压，最终以石油天然气管道总费用的 最小值为 目 标函数确定数学模型。经算例可知，在 管径为 1 1 4 ．3 X 3 ． 2 时，可使总费用达到最小值。 研究证明，本文得出的数学模型和算法切实可行 ， 以期为相关的设计研究提供参考。 参考文献 [ 1 ] 孙伟栋． 海底输油管道传热模拟计算【 D 】 ． 大庆 大庆石油学院， 2 0 0 7 ． [ 2 ] 严铭卿．论 L P G管道供应的关键技术[ J ] ． 煤气与热力． 1 9 9 5 ， 4 堪一 2 2 [ 3 ] 严铭卿．液化石油气露点的直接计算 煤气与热力，1 9 9 8 ， 1 8 1 2 0 2 3 ． [ 4] 尹正中． 液化石油气浅埋管道输送再液化的分析与计算[ J 】 ．煤气与热 力， 1 9 9 8 3 2 7 ～ 2 9 ； 3 7 ． [ 5 ] 严铭卿． 液化石油气管道供气无凝动态分析明．煤气与热力，1 9 9 8 5 2 3 2 6 ． 1 9 1 1 6 6 7 2 ． [ 6 ]孙伟．气态液化石油气管道供气再液化分析『J ] l煤气与热力， 2 0 0 1 1 7 8 8 1 [ 7] Ma n n i n g T J ． Wh a t a r e f u t u r e p e t r o c h e mi c a l f e e d s t o c k s [ J ] ． H y d r o c a r b o n P r o c e s s ，1 9 9 7 ， 7 6 5 1 8 5 9 0 ． 8 J T h i C h a n g．E t h y l e n e c a p a c i t y g r o w t h fi a t i n 1 9 9 9 [ J ] ． 1 a r g e i n c r e a s e e x p e c t e d i n 2 0 0 0 ． O i l ＆G a s J o u r n a l ， 2 0 0 0 ， 9 8 1 4 5 6 - 6 7 ． [ 9] 杨廷觉．输气管道的简单经济模型『 J ] 由 田地面工程， 1 9 8 6 ，5 6 1 7 ． [ 1 0] 张其敏．有分支天然气管道的优化设计[ J J ． 油气储运，2 0 0 9 ， 1 9 3 1 3 1 5 ． [ 1 1 ] 董正远． 长距离输气管道设计优化经济模型I J I ．油气储运， 1 9 9 6 ， 1 5 1 1 6 -1 9 ． [ 1 2 ]王国付．干线输气管道优化设计『 J 1 l油气储运，2 0 0 6 ，2 5 5 2 3 2 5 [ 1 3 ]朱华峰等． 干线输气管道的优化设计 油气储运， 2 0 0 0 ， 1 9 8 1 8 2 2 ． 环保趋严推高印染上游的染料价格 2 0 1 4年 9月左右，国内还原物主要生产厂家一宁夏明盛染化有限公司r F 称 “ 明盛染化” 老厂区因非法排污而被勒令永久性关闭，而公司新J 一 在短期内又无法投产，导致还原物价格暴涨。还原物为生产分散染料的重要中间体，因此分散染料由此进入持续上涨行情 。 2 0 1 5年 1 O 月底 ，染料龙头企业浙江龙盛及闰土股份等皆率先上调了分散深蓝产品价格 2 0 0 0元／ 吨。相对于其他分散染料 ，还原物在分散深蓝生 产成本中所占比重最大。 去年年底 ，分散深蓝系列染料价格再次上涨 5 0 0 0 1 0 0 0 0元／ 吨， 涨幅高达 1 2 ％～ 2 3 ％。占分散染料约 5 0 ％的黑系列也随着跟涨。今年 1 月 1 9日， 分散染料蓝系列主要规格再度涨价 5 0 0 0元／ 吨，分散红系列同步涨价 2 0 0 0元／ 吨。至此 ，分散染料已基本完成全面提价的目标 ，其中分散深蓝系列染 料累计涨价逾 1 0 0 0 0元／ 吨，目前均价已在 5 ． 5 万元／ 吨以上； 分散黑系列已普涨 5 0 0 0 元／ 吨左右。 除了分散染料 ，纺织印染另一必需的活性染料也进入上涨行情。2 0 1 4年上半年，受江苏地区环保核查趋严影响 ，位于该区域的国内两家主要 h 酸生产企业江苏明盛、江苏吉华均被停产，导致 h酸市场供应紧张，价格大幅上涨。 h酸为生产活性染料的主要原料，占比总成本的 3 0 ％一 5 0 ％。受成本推动，活性染料价格去年底开始进入上涨行情。今年 1 月 1 1日，国内另一主 要活性染料及 中间体企业湖北省楚源化工集 团旗下染料公司发生锅炉管道泄漏事故，引发大火，使原本供求紧张的染料生产链雪上加霜。楚源化工 集团年产 h 酸 4 万吨、对位酯 4 万吨和活性染料 5万吨，是全球最大的染料中间体及活性染料生产企业之一。 近期 ，浙江龙盛和闺土股份也上调活性染料价格 ，涨幅高达 5 0 0 0 8 0 0 0元／ 吨，目前，活性染料价格已经达到 3 万元／ 吨以上 ，相比去年底涨幅高 达 1 6 ％。 据安信证券研究报告分析，染料产品价格上涨主要是受到环保压力的影响 ，中小企业将在此期 间被逐步淘汰。染料身处高污染行业减排压力将 持续存在，在此严峻形势下 ，未来行业整合速度有望加快 ，染料价格有望进一步上涨。 染料涨价给印染企业带来了新考验。据 中国纺织工业联合会统计 ，去年前 1 1个月受染料暴涨等因素影响 ，印染企业利润下降了大约 6 ． 5 ％。去 年底到今年 ，染料产品价格更是暴涨，印染企业利润或将被吞噬殆尽。 不过分析人士指出，长期以来 ，印染行业上游染料企业产能集中，而下游印染企业产能分散 ，导致下游企业对染料价格上涨没有议价能力。随 着 排放标准即将出台，印染企业的行业集中度有望提升，有利于印染上下游议价平衡 。 _I 一 一 L吼 一 a ～ l_ l ___ ‰