輸油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)研究
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1輸油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)的決策變量
針對(duì)輸油管道系統(tǒng)而言，其主要由兩個(gè)部分組成，管道與沿線站場(chǎng)。影響管道部分的因素有管徑，管材，管壁厚度，保溫層厚度。影響站場(chǎng)部分的因素有泵的選型，加熱爐的選型，出站溫度的設(shè)定，泵機(jī)組分配，泵的轉(zhuǎn)速與調(diào)節(jié)等。對(duì)管道進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，上述決策變量不是單一的，決策變量之間也回相互影響。例如，保溫層厚度與加熱爐的溫度相互耦合，當(dāng)保溫層厚度增加時(shí)，管道的沿線傳熱系數(shù)減小，沿線油品溫降降低，因此，出站時(shí)的加熱爐的設(shè)定溫度可以降低。除此之外，如泵的選型，提供的能頭，泵機(jī)組的串并聯(lián)、轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，均是相互影響的決策變量，對(duì)管道進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，根據(jù)管道實(shí)際情況與優(yōu)化目標(biāo)的不同，選取合適的決策變量，需要進(jìn)行慎重的考慮。
2輸油管道優(yōu)化運(yùn)行研究現(xiàn)狀
2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀
20世紀(jì)60年代，蘇聯(lián)人契爾尼金第一個(gè)提出熱油管道最優(yōu)工況的概念。他針對(duì)出站溫度優(yōu)化，利用微分法進(jìn)行計(jì)算，以采用往復(fù)泵的站場(chǎng)為例，求解得到了最優(yōu)出站溫度。他的局限性在于所設(shè)流體為牛頓流體，流程為開(kāi)式流程，與現(xiàn)今的實(shí)際工況不吻合。20世紀(jì)70年代，Jefferson[1]就對(duì)熱油管道優(yōu)化的情況進(jìn)行了研究，對(duì)于熱油管道輸量及總壓力一定的情況下，根據(jù)不用泵站提供的能頭不同，采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法，求解得到了各個(gè)泵站的壓力分配。Cheeseman[2]等采用坐標(biāo)輪換法，以費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)，計(jì)算最優(yōu)管徑，并編寫了相關(guān)的管道優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，盡管此方法的效率較低，但可以減少管道設(shè)計(jì)時(shí)間，并且提高管道的設(shè)計(jì)質(zhì)量。Bhadur與Talachi[3]使用非線性約束條件來(lái)描述天然氣管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，利用非線性算法，對(duì)天然氣管道的壁厚、管徑以及壓縮機(jī)站場(chǎng)數(shù)目進(jìn)行了優(yōu)化。德州東部成品油管路公司[4,5]將泵功率和運(yùn)行時(shí)間組合，進(jìn)行優(yōu)化，得到了泵站功率優(yōu)化方案，節(jié)省了數(shù)百萬(wàn)美元的電力費(fèi)用。由德國(guó)PE公司開(kāi)發(fā)的PACOS，原油和成品油輸送管道均可以優(yōu)化，歐洲的許多大型管道，如AWP，NOW，ME-RO等，均采用了該軟件，并獲得了較好的優(yōu)化效果。這些研究使得計(jì)算機(jī)編程與管道優(yōu)化運(yùn)行得到了有機(jī)結(jié)合，為研究者提供了更廣闊的平臺(tái)。Gopal[6]等采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃的方法優(yōu)化出站壓力。利用數(shù)學(xué)規(guī)劃算法選擇最佳的泵組匹配，并根據(jù)每臺(tái)動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率，確定應(yīng)該打開(kāi)的泵組。在保證所需流量的前提下，合理調(diào)整站場(chǎng)內(nèi)的泵或壓縮機(jī)組合，將總?cè)剂铣杀窘档阶畹?。這成為以后管道運(yùn)行優(yōu)化研究的基礎(chǔ)。美國(guó)CNGT輸氣公司[7]利用動(dòng)態(tài)閉環(huán)、實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù)，對(duì)其名下某條管道，通過(guò)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的搭配方式，進(jìn)行燃料費(fèi)用方面的優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，通過(guò)優(yōu)化運(yùn)行工藝，可以令管道的實(shí)際運(yùn)行能耗費(fèi)用降低約十分之一。縱觀國(guó)外的優(yōu)化運(yùn)行設(shè)計(jì)，主要集中在如何調(diào)試進(jìn)出站壓力，對(duì)泵或壓縮機(jī)的組合方式，從而消耗更少的電力和燃料費(fèi)用。國(guó)外的優(yōu)化設(shè)計(jì)，幾乎沒(méi)有涉及到保溫層厚度，傳熱系數(shù)方面的研究。這跟國(guó)外的油品大多流動(dòng)性好，含蠟量低，有著密切的關(guān)系。國(guó)內(nèi)的油品復(fù)雜多變，大部分為易凝高黏高含蠟原油，油品輸送需要采用加熱輸送方式，需要考慮熱力費(fèi)用。
2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
20世紀(jì)80年代，嚴(yán)大凡、吳長(zhǎng)春[8]首次提出了熱油管道穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的典型代表性模型——兩級(jí)階梯模型，該模型研究的對(duì)象是單根熱油管道穩(wěn)態(tài)運(yùn)行優(yōu)化問(wèn)題。該模型中采用兩種不同的模型，各站間管段與權(quán)限泵組合的最佳匹配是基礎(chǔ)模型，輸油溫度的優(yōu)化作為高一級(jí)的模型，將前者嵌套入后者中進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化的最終目的為降低輸油能耗，以獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益。吳立峰[9]建立了含蠟加熱輸送原油管道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，該模型中考慮到了輸送過(guò)程中原油中有蠟晶析出，文中采用混合離散變量組合形法對(duì)所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了求解。姜海斌、袁運(yùn)棟等[10]對(duì)主泵調(diào)速、計(jì)劃恒速和間歇輸送運(yùn)行這三種運(yùn)行方式對(duì)管道節(jié)能效果的影響進(jìn)行了比較。運(yùn)行方案中考慮了隨季節(jié)變化，管道摩阻產(chǎn)生相應(yīng)變化，并通過(guò)計(jì)算得出以下結(jié)論：為獲取最大利益，需要在不同季節(jié)采用不同輸送運(yùn)行方式。嚴(yán)宏?yáng)|[11]使用改進(jìn)混沌綜合法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。這種方法很好地解決了約束非線性混合離散變量的優(yōu)化問(wèn)題。但是，在他的模型建設(shè)過(guò)程中的兩項(xiàng)假設(shè)與實(shí)際情況差距頗大：假設(shè)加熱站站間距相等，管道經(jīng)過(guò)的地理位置的地理?xiàng)l件相同；各泵站的所配置的泵機(jī)組相同，進(jìn)站壓力均相同。但是就實(shí)際情況而言，管道所經(jīng)過(guò)的地域的地理?xiàng)l件一定不同，由于地溫不同，散熱會(huì)不均，考慮到高程的起伏，地質(zhì)條件對(duì)于建站的限制，沿線相鄰兩座熱站之間的距離不可能全部相同。同時(shí)，不同的高程，流態(tài)，導(dǎo)致管道沿線的水力摩阻不同，所以各泵各站的配置情況也不同。因此，在這樣的假設(shè)條件下做出的全線建模與計(jì)算與實(shí)際情況是有偏差的。以上是國(guó)內(nèi)輸油管道優(yōu)化運(yùn)行研究人員在建立了模型的基礎(chǔ)上，利用傳統(tǒng)的線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、改進(jìn)混沌綜合法等方法進(jìn)行求解優(yōu)化的過(guò)程。而隨著智能優(yōu)化算法的逐步成熟，智能優(yōu)化算法逐漸被用來(lái)求解有關(guān)管道優(yōu)化運(yùn)行的問(wèn)題。陳娟[12]首次在原油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)中加入了減阻劑的研究。加入減阻劑后，管道沿線水頭損失降低，從而各泵站需要提供的能頭，加熱爐的溫度，設(shè)備的選型，站場(chǎng)的投資都需要重新考慮。其將數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)與混合離散變量遺傳算法、混合離散變量復(fù)合形法結(jié)合起來(lái)，求解模型。但是，該論文中對(duì)于泵站的處理采用同型號(hào)定速泵串并聯(lián)模型，限制了該方法的應(yīng)用范圍。黃善波等[13]采用模擬退火算法求解為熱油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)所建立的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算結(jié)果表明，該算法相較于其他方法而言，在求解管道模型方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)：初始條件的改變對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響較小，計(jì)算效率高，搜索范圍廣，能夠避免過(guò)早的局部收斂。高松竹等[14]采用免疫遺傳算法，該算法是將生命科學(xué)中的免疫原理與傳統(tǒng)的遺傳算法相結(jié)合，具有較高的計(jì)算效率，以等溫輸油管道優(yōu)化數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明該算法性能好，適用于等溫輸油管道。其后，高松竹、汪玉春等人[15]又將遺傳算法和模擬退火算法結(jié)合構(gòu)成一種混合遺傳算法，該算法計(jì)算效率高、易收斂，并且性能更好，與相同情況下采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法優(yōu)化相比，動(dòng)力費(fèi)用減少了3%。嚴(yán)宏?yáng)|、汪玉春[16]采用改進(jìn)混沌綜合法對(duì)建立的熱油管道模型進(jìn)行求解，該模型以最小年折合費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)。通過(guò)實(shí)例計(jì)算與其它優(yōu)化算法（模擬退火算法、改進(jìn)混沌法）的對(duì)比表明，該算法計(jì)算效率高，計(jì)算性能好，得出的最優(yōu)方案成本最低。文章中得出結(jié)論，出站溫度是影響投資總成本的主要影響因素，出站溫度的波動(dòng)對(duì)油品的黏度、沿線的摩阻損失、沿線各站泵所需提供的能頭均會(huì)產(chǎn)生影響，進(jìn)而對(duì)總投資成本及運(yùn)行費(fèi)用產(chǎn)生影響。李科星等[17]針對(duì)熱油管道設(shè)計(jì)提出了新的兩級(jí)階梯模型，該模型將年輸量模型與參數(shù)優(yōu)化模型結(jié)合起來(lái)，這是是考慮到實(shí)際生產(chǎn)中的供需關(guān)系，隨著油田的進(jìn)一步開(kāi)采，下游需求的波動(dòng)，實(shí)際年輸量也會(huì)發(fā)生變化，所以采用最佳平方逼近法，將油田的產(chǎn)量與市場(chǎng)波動(dòng)加入考慮范圍，求解管道的設(shè)計(jì)輸量，并用混合微粒群算法求解參數(shù)優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)了熱油管道的整體優(yōu)化設(shè)計(jì)。
3結(jié)論
與國(guó)內(nèi)相比，國(guó)外的輸油管道運(yùn)行優(yōu)化研究起步較早，由于國(guó)外的油品大多流動(dòng)性較好，其研究?jī)H以優(yōu)化輸油過(guò)程中的動(dòng)力消耗為目標(biāo)，對(duì)管徑進(jìn)行優(yōu)選，對(duì)泵機(jī)組的組合方式進(jìn)行優(yōu)化，其研究結(jié)果只適用于常溫輸送管道。國(guó)內(nèi)油品多屬高粘易凝原油，需采用熱油輸送工藝，需將熱力費(fèi)用一并計(jì)入到優(yōu)化模型中。國(guó)內(nèi)研究者建立了大量?jī)?yōu)化模型，模型主要考慮了結(jié)蠟影響、摩擦生熱、泵組合方式的不同等條件，再利用多種優(yōu)化算法尋求優(yōu)化模型的最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)和方案。目前在這方面的研究還不是很完善，設(shè)立的模型有與實(shí)際工況有不同程度的偏差存在。對(duì)于站間距、沿程地理位置的設(shè)定不盡完善，對(duì)于泵的選用過(guò)于單調(diào)機(jī)械，僅考慮了相同的泵型號(hào)的串并聯(lián)。缺乏對(duì)影響總投資的因素的敏感性分析，對(duì)于影響總投資的如鋼材價(jià)格、保溫層價(jià)格，電力費(fèi)用及燃料價(jià)格等沒(méi)有進(jìn)行詳盡的分析研究。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，調(diào)速泵在管道實(shí)際運(yùn)行中的進(jìn)一步應(yīng)用，鋼材等輔助材料的價(jià)格變化，今后的研究應(yīng)當(dāng)盡可能考慮如何在建模中考慮不同型號(hào)的泵的組合，考慮如何調(diào)速使泵保持在高效區(qū)，以及對(duì)各種總投資的影響因素進(jìn)行敏感性分析，找出影響力最大的部分，進(jìn)行優(yōu)化。
作者：孫昊 單位：中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室