孟凡臣，周海莲

（1. 渤海钻探工程公司 油气合作开发分公司，天津 300280； 2. 吉林油田勘察设计院 工艺所油建室，吉林 松原 138000）

原油储运库的全能流模型

孟凡臣1，周海莲2

（1. 渤海钻探工程公司 油气合作开发分公司，天津 300280； 2. 吉林油田勘察设计院 工艺所油建室，吉林 松原 138000）

将过程系统分析理论应用于原油储运库的用能分析，提出原油储运库全能流模型概念。按照分解—综合—分解的模式，将系统分解为最基本的单元设备，分析用能实质、划分用能过程，建立单元模型；以原油、能量在系统中的转移为线索，结合工艺流程将单元设备综合为系统结构模型；最终给出系统计算框图，结合实际运行数据，确定系统各个节点的水力、热力参数，可为进一步实现节能减排，合理优化工艺流程提供一定的理论基础。

原油储运库；能流模型；用能单元；用能过程

原油储运库作为面向油田生产与消费的纽带，是由若干用能单元按照一定拓扑关系衔接而成的对原油、能量、信息进行输送、转换和存储的用能系统，其输油泵、管道、油罐等装置之间不仅存在着耦合、制约关系。同时，多个储运库又将原油汇集于同一外输泵站进行加压外输，这样就形成了一个更庞大的油田原油储运系统。目前，对于这种复杂、动态用能系统的研究多为针对输油泵或油罐等主要用能设备，缺乏一定的系统性和全面性。

过程系统工程是以处理物料—能量—资金—信息流的过程系统为研究对象的现代交叉学科[1]，已具有成熟的系统建模、分解、计算、优化和综合的理论可供使用。尽管过程系统工程主要针对化工过程，但原油库中能流是客观存在的，且包含着能量的转换，因此对原油储运过程也具有适用性。本文将过程系统分析理论应用于原油储运库中，在对大庆油田所辖油库全面调研的基础上，提出全能流模型的概念。这将为确定稳态及非稳态状况下系统各节点温度、压力等参数分布，掌握油库运行参数波动规律及控制生产运行奠定基础。

1 全能流模型

能流模型是对用能系统的本质描述，模型的正确与否将直接影响系统的分析结果。目前，国内外学者对能流模型进行了大量的研究。并取得了一些有意义的成果。城子克夫提出了简单方框模型[2]，梅田富雄给出了双子系统模型、Townsend和Linnhoff提出三子系统交互模型、学者华贲给出了三环节模型[3]，成庆林等提出了用能过程模式分析模型[4]。

基于以上能流模型，结合原油储运库的工艺流程及实际用能特点，提出原油储运库的全能流模型概念。其涵义包括以下几个方面。

（1）“全”体现的是相对的概念，同以往的原油储运库用能分析相比，全能流模型涵盖了储油系统的各种主要耗能设备。

（2）对各单元设备的用能本质进行分析，归纳为能量传输、能量转换、能量利用三种用能过程。能量传输过程包括：直接输送物流的蒸汽管道、热水伴热管道、输油管道和油罐车；能量转换过程包括：将燃料化学能转换为热能的加热炉、锅炉，将电能转换为介质压力能的输油泵；能量利用过程：将高温介质的能量传递给低温介质的换热器及储油罐。

（3）建立表征单元间联接关系的系统结构模型。

（4） 确定系统结构模型中各单元流股的制约关系，并予以适当的断裂，给出合理的计算顺序。

（5） 结合有效的求解方法可以得到整个过程系统稳态及非稳态的温度、压力等参数分布。

2 划分用能过程

油田原油储运系统作为一个相互关联的多层次系统，是由不同功能的单元设备按照物理集合的方式逐级构成的。对其进行分析时，就应该在不同的层次上分析其最基本的组成要素。单元设备作为原油储运库最小的用能单元，通过分析它的用能本质，结合过程系统能量流结构模型，可将所有用能设备的用能过程划分如下。

表1 单元设备的用能过程划分Table1 Division of energy using process for unit equipments

对上述各单元设备进行建模时，最主要的是准确的物性参数和过程机理的正确描述。由于当前原油储运库记录的数据只为满足于生产，同时部分投产年限较早设备的技术参数已经缺失，因此，调研的过程中难以获得更全面的基础数据。这样在建立单元设备模型的时候，就需要采用机理模型与经验模型（黑箱模型）相结合的方法，将基础数据不足的设备视为黑箱来处理，根据输出变量与输入变量测定值之间的关系，采用回归分析的方法，建立经验模型。

3 系统结构模型

系统结构图是系统结构模型的一种，通过图形的形式来表达单元设备之间的逻辑关系，从而使复杂的系统中各个单元之间的关系以清晰、易于理解的方式表达出来。系统结构图由节点和边组成，节点代表过程系统的单元设备，边则代表单元之间的流股（物流、能流），若考虑到流股的方向则边也是有方向的，因此系统结构图也称为有向图。

以大庆油田北油库为例，忽略阀门、流量计等设备，建立其系统结构模型如图1。

图1 北油库系统结构图Fig.1 System structure diagram of north oil tank farm

图1中的实线代表原油的流向，虚线代表热水的流向。对于热水伴热模块（BR）仅指为原油提供热量，并不表示物流的掺混。

北油库油罐为双管流程，虽然可以实现静止储存、收油、发油和边进边出四种流程，但是在实际运行中采用两组油罐轮流进行收、发油操作，即：当1#油罐组（由8个2×104m3油罐组成）处于收油状态时，2#油罐组（由2个5×104m3的油罐组成）一定处于发油状态。1#油罐组因单个体积较小、投产年限较长，在冬季需锅炉提供热水维温；2#油罐组因罐内原油温度较高，原来设置的热油喷洒流程已停用。1#输油管道为该油库的主力外输管道，长年运行；2#输油管道负责向小炼化厂供油，间歇运行。

计算框图和计算结果分别见图 2、表 2，3。

图2 北油库计算框图Fig.2 Calculation block diagram of north oil tank farm

表2 16:00-24:00加热炉计算表Table 2 16:00-24:00 Calculation table of heating furnace

表3 油罐及输油泵计算表Table 3 Calculation table of oil tank and oil pump

4 结束语

将过程系统分析的基本思想应用于原油储运库的方法是可行的，通过全能流模型概念的阐述、系统结构模型及计算框图的建立，可以得出系统各单元的运行参数，为原油储运库安全运行、实施优化调度等奠定基础。

[1] 成思危，杨友麒.过程系统工程的发展和面临的挑战[J].现代化工，2007，27（4）：1-6.

[2] 邓毅.造纸企业能量系统三环节结构模型的建立和用能分析研究[D].华南理工大学,2003.

[3] 陈清林，尹清华，王松平,等.过程系统能量流结构模型及其应用[J].化工进展，2003，22（3）：239-241.

[4] 靳辛，成庆林，师祥洪.用能系统节能分析方法[M].北京：石油工业出版社，2008.53-63.37-40.

Total Energy Flow Model of Oil Tank Farm

MENG Fan-chen1， ZHOU Hai-lian2
(1. Bohai Drilling Engineering Company Petroleum AND Gas Cooperation Developing Branch Office, Tianjin 300280, China；2. Jilin Oilfield Survey Design Institute Petroleum Construction Department Processes Place, Jilin Songyuan 138000, China）

Mature system modeling and analysis theories of process systems engineering were applied to analyze energy using of oil tank farm, then the concept of energy flow model was put forward. In accordance with the decomposition-comprehensive–decomposition idea, the system was decomposed into basic units of equipment, the essence of energy using was analyzed and energy using process was divided, then element model was established. With the clue of oil and energy transfer in system, unit equipments were combined as system structure model which based on technological process. Finally, calculating frame was presented and thermo-hydro-parameters of each nodes were determined with actual data for further analysis in system,which can provide theory basis for realizing energy saving and emission reduction and optimizing technology processes.

Oil tank farm; Energy flow model; Unit of energy using; Process of energy using

TE 821

A

1671-0460（2011）02-0171-03

2010-11-30

孟凡臣（1983-），男，黑龙江双城人，助理工程师，2007年毕业于武汉理工大学油气储运工程专业，研究方向：主要从事原油库与天然气储运技术的研究。邮箱：mfc830129@163.com。