成品油管道優化設計方法研究

潘峰，柯華勝，張喆，賈賀坤

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成品油管道優化設計方法研究

潘峰1，柯華勝2，張喆2，賈賀坤1

（1. 東北石油大學， 黑龍江 大慶 163318； 2. 中化泉州石化有限公司， 福建 泉州 362000）

管道運輸是目前我國成品油運輸最主要的方式。成品油管道同時運輸多種油品，多采取順序輸送的方式，這就涉及到輸送油品的順序、油品批次大小、油品注入和分輸流量等問題。成品油管道優化設計是在保證油品安全可靠輸送的前提下，以投資及運行費用最低為主要目標。首先論述了成品油管道運行方案優化設計模型的建立過程，包括目標函數、約束條件和決策變量三部分。然后介紹了雜交差分進化法等幾種有效算法，并歸納和分析其在成品油管道優化設計中的優勢和不足之處。最后，給出了成品油管道優化設計研究建議。

成品油管道； 優化設計； 優化模型； 優化算法

目前，我國成品油管道正處于大發展時期[1]。成品油管道投資大，對其進行優化設計的經濟效益也很大，一條成品油管道投資高達幾億乃至上百億元，其每年的運行管理與維護費用也相當大，其優化設計的潛力也很大，在設計方面一個微小的改善，就可以節省大量的費用，因此對其進行工藝方案優化設計研究具有重要意義。

成品油管道優化設計是指在滿足各種內、外部約束條件的前提下，合理選擇設計方案，使所設計的管道在計算期內完成預期的輸油任務，同時獲得最佳經濟效益。

1 優化模型的建立

成品油管道優化模型與長距離油氣輸送管道優化模型相似，其一是要達到最優的既定目標（生產費用最低或者投資總額最少）；其二是在滿足現有的客觀約束的條件（資源、設備、能力等因素）下達到已定的經濟目標。對于這些實際生產遇到的問題，可以將其抽象為理論數學模型式（1）來表述。

成品油管道優化設計包括管徑方案優選設計和順序輸送批次及罐容計算兩部分。管徑方案優選設計是管道順序輸送批次及罐容優化和技術經濟規律研究的基礎；順序輸送批次及罐容優化是成品油管道順序輸送的關鍵。具體內容包括鋼管的管材等級、管外徑、管壁厚度、管線的最大允許操作壓力、設計壓力、沿線分輸站、泵站的數目與位置、在設計流量下各站的進、出站壓力等。

成品油管道最優設計在標準優化模型式（a）的基礎上，需要確定目標函數、約束條件和優化變量三個部分。

（1）目標函數：成品油管道優化設計問題的目標是在滿足各種設計約束的前提下確定管道的工藝設計方案，使所設計的管道在其計算期內經濟效益最佳。

（2）約束條件：成品油管道優化設計問題的約束條件很多，包括線路強度約束、鋼管規格約束、鋼管穩定性約束、流態約束、水力約束、工藝操作條件約束（包括動水壓力約束、進站壓力約束等）。

（3）優化變量：成品油管道優化設計的優化變量主要包括管材、管徑、管壁厚度、操作壓力、泵站數目、泵站位置、油品輸送順序、順序輸送周期及批量、管道首站、末站及分輸站的各種油品儲罐設置等。

2 優化模型求解

成品油管道優化設計模型及方法的研究比較多，但由于管道情況的多樣性，優化設計模型的適用條件各有限制。其中還包含離散變量的優化問題。在成品油管道優化設計研究中，動態規劃法、雜交差分進化算法和混合離散變量法是比較常用且優化效果顯著的優化算法，因此對三種優化算法進行深入調研，對其在成品油管道優化設計中應用的優缺點做全面分析。

2.1 動態規劃法

20世紀50年代初美國數學家R.E.Bellman等在研究多階段決策過程的優化問題時，提出了著名的最優化原理，把多階段過程轉化為一系列單階段問題，利用各階段之間的關系，逐個求解，創立了解決這類過程優化問題的新方法—動態規劃。

1992年，國外學者Yasemin G.Bolkman[2]采用動態規劃方法求解最優設計方案。目標函數為每年的總成本（即泵站成本和管道成本之和）最小。通過把壓力、站間距變量離散化，建立變量之間的關系方程，把整個求解過程分解成若干階段，先假設一個最大泵站數目，當通過計算確定某一站不需要提供動力時，泵站數目減一。但該方法沒有考慮沿線分輸，只能對無分輸支線的輸油管道優化設計提供理論借鑒。

2005年，黃淑女、謝偉峰[3-4]建立了帶分支的長輸成品油管道工藝方案優化設計的數學模型。該模型是一個復雜的多目標綜合性規劃模型，目標函數為計算期內管線的費用現值最小?？傎M用現值包括管線初始投資、管線運行維護費用現值、站場投資現值、站場運行維護費用現值和站場能耗費用現值。約束條件有水力約束條件、流態約束條件、流量約束條件、鋼管規格約束條件（管徑約束、壁厚約束、管材集合）、壓力約束條件。決策變量為管徑（離散變量）、管材（離散變量）、出站壓力（連續變量）。在求解該模型時，將其分解為三個層次，每一層次對應一個決策變量，對這三個層次進行逐階優化，求得模型最優解。常用管材種類有限，采用枚舉法選取；管徑組合采用動態規劃法求解；分輸站和泵站合并，采用動態規劃法布站，但這種方法并未應用在實際中。

2.2 雜交差分進化法

傳統數值算法比如離散復合形法及外部近似法等，存在求解非線性混合整數規劃問題的局部搜索性及對初值敏感性強等缺陷，差分進化算法作為一種有效的全局搜尋方法，具有魯棒性、并行性等特點，但其具有易陷于局部極小值等缺陷。1998年，Chou等在差分算法的基礎上發展了雜交差分進化算法，能夠實現全局尋優且收斂速度也較快。

2006年，初飛雪[5]選取具有摻入和分輸的成品油管道干線系統進行分析，并以管道系統計算期內總費用現值最小為目標函數，在考慮管道強度約束、鋼管穩定性約束、流態約束等約束條件下建立了工藝方案優化設計數學模型，引進雜交差分進化方法，并對算法做了局部改進，采取動態處理約束條件。該方法對其它油氣管道工藝方案優化設計也具有指導意義。在泵站位置候選點確定的條件下，采用了賦權有向圖表示成品油管道工藝方案優化設計問題，通過調用 Dijkstra 算法，求解出了最短路徑作為最優方案。同時將最短路徑問題擴充為 N 條最短路徑問題，相應可求得次優、再次優等工藝方案，以供設計人員做多方案比選。

2.3 混合離散變量法

混合離散變量法適合于求解既有連續變量又有離散變量的工程實際問題的數學規劃。

2004年，張其敏[6]根據最優化理論和成品油管道輸送特點建立了成品油順序輸送管道優化設計數學模型。該模型的目標函數是：順序輸送管道在其壽命期內的終值費用（即管道、泵站和油罐的建設投資費用，以及各年運行管理費用均按相同的年利率折算到設備壽命末年時的費用）最小。約束條件包括：水力約束條件、強度約束條件、流態約束條件、管道運行穩定約束條件、首末站罐容約束、管道規格約束條件、泵站數約束條件。然而，其優化模型流態約束條件要求雷諾數大于第二臨界雷諾數，管道都在粗糙區工作。實際運行中，輕油管道的流態多在水力光滑區，輸送低粘油品的較小直徑管道可能進入混合摩擦區，管道運行很難滿足該約束，故該約束條件的合理性有待論證。

3 建議

（1）由于成品油管道優化設計模型的復雜性，開發具有編碼簡單、收斂速度快、可靠性強等特點的算法十分重要，易于人們理解和編程。

（2）模型實際應用過程中設計人員不單一的從總費用現值角度出發優選方案，還需要考慮施工難度、技術可行性、環境影響、運行維護、可靠性等多方面因素，經綜合考慮確定最優工藝方案，因此建立一個綜合考慮諸因素的工藝方案綜合評價體系是必要的。

（3）開發更為廣泛及適用性強的成品油管道優化設計軟件勢在必行。

［1］初飛雪. 成品油管道工藝方案優化設計研究及軟件開發[D]. 北京：中國石油大學, 2006.

［2］Yasemin G,Bolkman.Development of an Efficient Algorithm for Optimal Pipeline Design and Operation[J].Pipeline Technology ASME 1992, Volume V-B: 517-524.

［3］黃淑女, 楊承漢, 謝偉峰. 動態規劃在成品油管道優化布站中的應用[J]. 油氣儲運, 2005, 24 (7): 6-9.

［4］黃淑女，謝偉峰．成品油管道工藝方案優化設計[J]．能源技術，2005，26（2）：47-48+69.

［5］初飛雪，吳長春．成品油管道工藝方案優化設計研究[J]. 石油學報, 2006, 27（2）: 116-124.

［6］張其敏, 陳寧. 成品油順序輸送管道優化設計[J]. 油氣儲運, 2004, 23（3）：5-7.

Study on Optimized Design Method of Product Oil Pipeline

1,2,2,1

（1. Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China；2. Sinochem Quanzhou Petrochemical Co., Ltd., Fujain Quanzhou 362000, China）

Pipeline transportation is the most important way of China's refined oil transportation. The oil pipeline also carries a variety of oil products at the same time, and takes the process of batching transportation which involves the problems such as the order of conveying oil, the size of oil batches, the oil injection and the sub-flow. Finished oil pipeline optimization design is to ensure the safe and reliable transportation of oil under the premise of the minimum investment and operating costs as the main objective. In this paper, the establishment process of the optimal design model of the oil pipeline operation plan was discussed, including the objective function, the constraint condition and the decision variable. Then, several effective algorithms such as dynamic programming algorithm, hybrid differential evolution algorithm and so on were introduced, and their advantages and disadvantages were summarized and analyzed. Finally, some suggestions for the optimization design of refined oil pipeline were put forward.

product oil pipeline; optimization design; optimization model; optimization algorithm

2016-03-01

潘峰（1993-），男，滿族，東北石油大學油氣儲運工程專業在讀研究生，遼寧撫順人，從事儲運系統優化及節能降耗技術相關方面的研究。

柯華勝（1990-），男，助理工程師，目前從事儲運系統優化運行方面的工作。

TE 832

A

1004-0935（2017）07-0696-03