優(yōu)化系統(tǒng)的構(gòu)建及求解分析

趙振宇，吳 明，張默思，王 昊，王錫玉

（遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001）

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展意味著對(duì)于能源的需要，近年來(lái)多條跨國(guó)境、長(zhǎng)距離輸油管線(xiàn)相繼投產(chǎn)[1-3]。在接下來(lái)的10年中，我國(guó)將計(jì)劃新建約6.5×103km的原油管道，加上在役原油管道，管道總長(zhǎng)度將達(dá)到約2×104km，將完成約每年5×108t管道總輸油能力，對(duì)大型綜合原油運(yùn)輸系統(tǒng)的最終形式將涵蓋全國(guó)大多數(shù)石化企業(yè)[4-7]。面對(duì)管道建設(shè)如此巨大的投資和管道的優(yōu)化運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)管道運(yùn)行的可持續(xù)發(fā)展和節(jié)能降耗具有重要的意義[8-11]。

20世紀(jì)90年代，美國(guó)CNGT[12]公司，進(jìn)行動(dòng)態(tài)閉環(huán)、實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù)等相關(guān)實(shí)驗(yàn)，在役運(yùn)行管道應(yīng)用該方法后管道運(yùn)行能耗減少了10%左右。

2003年，高松竹等[13]等建立了基于免疫遺傳算法求解的等溫輸油管道的優(yōu)化運(yùn)行數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證，結(jié)果表明該數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化有較高的效率和較好的性能，該模型等溫輸油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中有較好的應(yīng)用。

2008年，支淑民等[14]從節(jié)省能源和減少輸油成本的目標(biāo)出發(fā)，以石油運(yùn)輸成本最低為優(yōu)化目標(biāo)，建立了基于線(xiàn)性規(guī)劃的兩級(jí)階梯管道優(yōu)化模型。以東辛輸油管線(xiàn)為實(shí)例進(jìn)行大輸量試驗(yàn)，完成管路和泵機(jī)組的最優(yōu)匹配參數(shù)及最優(yōu)輸油溫度的計(jì)算，并對(duì)得到的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，制定了該輸油管線(xiàn)最佳運(yùn)行方式。

1 決策變量的確立

（1）工藝參數(shù)

管徑D：其大小直接決定管線(xiàn)的鋪設(shè)費(fèi)用與管材投資費(fèi)用以及影響熱力損耗。管道壁厚gd：主要決定管道承壓情況。加熱站進(jìn)、出站溫度Rt，Zt：加熱站進(jìn)、出站溫度Rt。加熱站數(shù)Rn泵站數(shù)Cn：加熱站數(shù)Rn泵站數(shù)Cn：主要受水利條件、熱力條件的約束。保溫層厚度bd：直接影響保溫層投資費(fèi)用。泵站機(jī)組揚(yáng)程CH ：由管道能量H損失和管道輸量G所決定，而且要充分利用管道承壓能力。

（2）油品物性參數(shù)

油品的物性參數(shù)受溫度的影響較大的有：油品的密度r、比熱容 c、動(dòng)力粘度m等，都與溫度有函數(shù)關(guān)系。

（3）水力參數(shù)：管線(xiàn)摩阻損失 H、管道水力坡降i受管道運(yùn)行溫度T、管徑D、流量G的影響。

（4）設(shè)備參數(shù)：加熱爐效率Rh，泵機(jī)組效率Bh受設(shè)備型號(hào)以及組合方式，流量G的影響。

（5）熱力參數(shù)：管道總傳熱系數(shù)K受保溫層厚度db、管徑D、管道內(nèi)油品的流動(dòng)狀態(tài)、管線(xiàn)埋深h的影響。

（6）經(jīng)濟(jì)和其他參數(shù)：保溫層，電力，管材，輸油泵，燃料油及隨著市場(chǎng)價(jià)格變化的加熱爐等設(shè)備的價(jià)格參數(shù)；管線(xiàn)沿線(xiàn)的地形及水文參數(shù)，年任務(wù)輸量 GN，管線(xiàn)總長(zhǎng)度L，土壤性質(zhì)等參數(shù)都不能隨便改變的。

本文以管徑D，管壁厚度dg，保溫層厚度db，泵站數(shù) nC，供熱站數(shù) nR，泵的揚(yáng)程 HC，入口溫度作為熱輸原油管道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的決策變量[15]。

2 目標(biāo)函數(shù)的確立及求解

熱油管道優(yōu)化的財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值是指：根據(jù)輸油管道的建設(shè)項(xiàng)目基準(zhǔn)利率，期間每年資金管道建設(shè)工程的計(jì)算流程，包括管道施工段管道年運(yùn)行投資建設(shè)投資和年運(yùn)行期間，折現(xiàn)的管道建設(shè)和期初的現(xiàn)值。費(fèi)用現(xiàn)值的計(jì)算公式為[16]：

式中： In—第n年的全部投資；

C'—第n年的經(jīng)營(yíng)成本；

n

Sv—計(jì)算期末回收的固定資產(chǎn)余值；

W—計(jì)算期末回收的流動(dòng)資金；

N—計(jì)算期或管道的壽命期；

iC—行業(yè)基準(zhǔn)收益率。

第n年的全部投資費(fèi)用nI指管道建設(shè)期間的所有投資費(fèi)用總和。第n年的經(jīng)營(yíng)成本'nC 包括（1）全部職工工資支出（2）動(dòng)力費(fèi)用和燃料費(fèi)用和其他費(fèi)用。

熱油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)如下[17]：

式中: L—管道總長(zhǎng)度，km；

D—管道外徑，m；

dg—管壁厚度，m；

db—保溫層厚度，m；

YB—保溫層價(jià)格，元/m3；

Ygl—每千米管道基礎(chǔ)建設(shè)投資，元/km。

作為管徑D及壁厚gd的函數(shù)每公里管道基礎(chǔ)建設(shè)投資glY，可以用多項(xiàng)式回歸求得：

式中：a0，a1，a2—回歸系數(shù)。

如果管道建設(shè)期k年，可依據(jù)總投資金額的百分比iq計(jì)算每年的石油管道基礎(chǔ)設(shè)施的投資1I。

加熱站與泵站的站場(chǎng)投資(2I)：

式中: SSZ—首站站場(chǎng)建設(shè)投資，萬(wàn)元；

SZZ—中間每座泵站建造投資，萬(wàn)元；

SRZ—每座加熱站站場(chǎng)建設(shè)投資，萬(wàn)元；

SMZ—末站站場(chǎng)建設(shè)投資，萬(wàn)元；

nC—泵站數(shù)；

nR—加熱泵站數(shù)。

若管道工程建設(shè)周期為k年，可按照總投資金額的百分比 qi完成泵站與加熱站建設(shè)的每年投資計(jì)算。

熱油管道年電力消耗費(fèi)用(C1)：

式中: G —輸送油品的質(zhì)量流量，kg/s；

HCi—各個(gè)泵站的揚(yáng)程，m；

YD—電價(jià)，元/(kW·h HCi)；

efc—機(jī)泵的總效率。

熱油管道燃料油消耗費(fèi)用(C2)：

式中: QRi—各個(gè)加熱站的有效熱負(fù)荷，J/s；

Y R —燃料油單價(jià)，元/t；

B H —燃料油的最低發(fā)熱值，kJ/kg；

hR —加熱爐效率。

總目標(biāo)函數(shù)確立：

圖1是擬設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)編程的示意圖：

圖1 計(jì)算機(jī)編程的示意圖Fig.1 Schematic diagram of computer programming

3 結(jié)束語(yǔ)

中國(guó)石油管道建在接下來(lái)的幾年里將會(huì)迎來(lái)快速發(fā)展階段, 不僅管道設(shè)計(jì)，以及建成后的管道運(yùn)行和維護(hù)過(guò)程，都需要對(duì)熱油管網(wǎng)或管道優(yōu)化運(yùn)行等方面進(jìn)行研究。在管道設(shè)計(jì)階段，將節(jié)能降耗作為輸油管道方案優(yōu)化的重要目標(biāo), 實(shí)現(xiàn)管道高效、經(jīng)濟(jì)輸油才能夠得到保證。

［1］吳明，王金華，劉建鋒,等．長(zhǎng)輸熱油管道運(yùn)行方案的優(yōu)化[J]．遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，26(1)：63-65.

［2］宮敬,等．成品油管道優(yōu)化運(yùn)行方法研究[J]．油氣儲(chǔ)運(yùn),2000，19(10)：22-25.

［3］劉武.基于層次分析法的天然氣長(zhǎng)輸管道設(shè)計(jì)方案優(yōu)選[J].石油規(guī)劃設(shè)計(jì),2002,13(3):22-24.

［4］黃善波,楊德偉,雷文賢,等.模擬退火算法在熱力管線(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].煤氣與熱力,2003,23(5):293-295.

［5］周詩(shī)崠，江國(guó)業(yè)，吳明,等．長(zhǎng)吉輸油管道優(yōu)化運(yùn)行研究[J]．撫順石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2003：23(2)：4-l0.

［6］吳長(zhǎng)春，李東風(fēng).秦京管道穩(wěn)態(tài)優(yōu)化運(yùn)行方案的分析與確定[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2002,21(12):4-11.

［7］高松竹，汪玉春,等．混合遺傳算法在輸油管道優(yōu)化運(yùn)行中的應(yīng)用[J]．油氣儲(chǔ)運(yùn)，2004，23(7)：34-37.

［8］將仕章，蒲家寧．輸油管線(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)研究[J]．油氣儲(chǔ)運(yùn)，2002，24(2)：15-19.

［9］嚴(yán)宏?yáng)|，汪玉春．用改進(jìn)混沌綜合法實(shí)現(xiàn)熱油管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]．油氣儲(chǔ)運(yùn)，2005，24(2)：15-19.

［10］李科星，汪玉春，楊洲，唐煌．應(yīng)用混合微粒群算法優(yōu)化設(shè)計(jì)熱油管道．西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29(3)：150-152.

［11］支淑民，史培玉．勝利東辛輸油管道生產(chǎn)運(yùn)行優(yōu)化的試驗(yàn)研究[J]．油氣田地面工程2008，27(3)：29-30.

［12］Ferber E P .CNGT Installs Fuel Minimization System to Reduce Operation Cost[J].Pipeline&Gas Industry, 1999, 23 (2): 97-102.

［13］高松竹，蔣忠,等.甚于免疫遺傳算法的等溫輸油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2004,24(12): 25-29.

［14］支淑民，史培玉.勝利東辛輸油管道生產(chǎn)運(yùn)行優(yōu)化的試驗(yàn)研究[J].油氣田地面工程,2008，27(3): 29-30.

［15］高書(shū)光. 熱油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)研究[D].青島：中國(guó)石油大學(xué),2011.

［16］李秀紅,張振英. 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化中的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較[J]. 石油規(guī)劃設(shè)計(jì),2005,06:45-47+55.

［17］胡偉. 樊學(xué)油區(qū)原油外輸管道優(yōu)化設(shè)計(jì)與可靠性分析[D].西安：西安石油大學(xué),2012.