輸油管線的同步優(yōu)化設(shè)計

王 泉

（遼河油田曙光采油廠熱注作業(yè)二區(qū)，遼寧盤錦 124010）

輸油管線的同步優(yōu)化設(shè)計

王 泉

（遼河油田曙光采油廠熱注作業(yè)二區(qū)，遼寧盤錦 124010）

在輸油管道的設(shè)計中，管徑的確定與保溫層厚度的計算是相互關(guān)聯(lián)的、相互制約的。建立了外輸管道總體優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學模型，并運用 Matlab 軟件進行了編程求解，得到了最佳的管徑、保溫層厚度和起點溫度，同時對數(shù)學模型中的非優(yōu)化參數(shù)進行了敏感性分析。

優(yōu)化設(shè)計；同步設(shè)計；輸油管線

1 輸油管道的傳統(tǒng)設(shè)計法–分步設(shè)計法

輸油管道設(shè)計主要內(nèi)容包括：確定經(jīng)濟管徑、站址和設(shè)備選型、工藝流程設(shè)計及輸油成本計算；繪制首站及中間熱泵站的工藝流程圖、首站的平面布置圖、泵房安裝圖、管道的縱斷面圖。

管道工藝設(shè)計的目的是根據(jù)設(shè)計委托書或設(shè)計任務書規(guī)定的輸送油品的性質(zhì)、輸量及線路情況，確定管道的總體方案的主要參數(shù)：管徑、泵站數(shù)及其位置等。工藝設(shè)計主要有工藝計算（加熱輸送管道還包括熱力計算）及技術(shù)經(jīng)濟比較兩部分。設(shè)計初始參數(shù)有計算溫度、油品密度、油品黏度、計算流量、管道縱斷面圖、管材、保溫層及其主要設(shè)備規(guī)格型號、技術(shù)經(jīng)濟指標等。

1.1 輸油管道傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的過程

工藝設(shè)計時，首先根據(jù)經(jīng)濟流速范圍確定最佳管徑。下一步設(shè)計中還要對輸送工藝、管子鋼材等級和鋼管類型、管壁厚度等進一步優(yōu)選，以確定最佳設(shè)計方案。傳統(tǒng)輸油管道的優(yōu)化設(shè)計過程如下：

1.1.1 優(yōu)選管徑

設(shè)計計算中，首先要初選管徑。初選管徑，常根據(jù)經(jīng)濟流速來計算。經(jīng)濟流速的單位與國民經(jīng)濟中各項費用的比值有關(guān)，我國目前對這些經(jīng)濟參數(shù)還缺乏總結(jié)。對熱油管道而言，管徑增大使散熱量增大，熱能費用增加。故熱油管道的經(jīng)濟流速常比不加熱的管道更高些。目前熱油管道的經(jīng)濟流速為1.5～2.0m/s。此范圍只供方案初選參考用。

1.1.2 確定和布置加熱站、泵站

確定和布置加熱站、泵站，主要是進行管道的熱力計算和水力計算。

1.1.3 管道保溫的選擇

首先選定保溫材料。保溫材料確定后，保溫層的厚度是影響技術(shù)經(jīng)濟指標的重要參數(shù)。管道傳熱系數(shù)減小，保溫層厚度增大，都可以減少加熱站或泵站投資，降低能耗，節(jié)約運行費用，但保溫層的材料費、施工費增加。且保溫層厚度增加至一定程度后，保溫效果的提高就不太明顯了。應通過技術(shù)經(jīng)濟比較確定保溫層厚度。可選定幾種不同的保溫層厚度，計算相應的管道傳熱系數(shù)，對它們進行管道的熱力、水力工藝計算，確定泵站、加熱站及運行參數(shù)，計算其投資、經(jīng)營費用，再對各方案進行技術(shù)經(jīng)濟比較，以確定最佳保溫層厚度。

在某些特殊情況下，加熱站間距及運行油溫已定，求所需保溫層厚度時，可由管道沿程溫降公式計算所需求的管道傳熱系數(shù)之值，再根據(jù)管道的熱阻計算公式可求得所需的保溫層厚度。

2 輸油管線的同步優(yōu)化設(shè)計

2.1 基于熱經(jīng)濟學原理的同步優(yōu)化設(shè)計

2.1.1 同步優(yōu)化設(shè)計的過程

基于熱經(jīng)濟學原理的同步法是以熱油管道及保溫層的投資費用和運行費用最小為優(yōu)化目標，同步設(shè)計完成管道的管徑、壁厚和保溫層厚度的輸油管道優(yōu)化設(shè)計方法。輸油管道同步設(shè)計費用包括初始投資費用–管材投資、保溫層投資等必要的輔助材料投資和施工費用等；管道投入運行后的運行費用–動力損耗費用、熱力損耗費用及維修折舊費用等。同步設(shè)計法將管道管徑、壁厚和保溫層厚度這三個量的設(shè)計整合到同一個多目標非線性優(yōu)化模型中，通過優(yōu)化模型的求解，完成對輸油管道及保溫層的設(shè)計。

2.1.2 優(yōu)化設(shè)計數(shù)學模型的建立

保溫熱油管道的總費用包括初始投資費用和運行費用。初始投資費又用包括管材投資、保溫層投資、保溫層保護層投資和施工費用投資；運行費用則主要包括管道投入運行后的動力損失費用和熱力損失費用及施工費用等。以保溫管道的年運行費用和投資的年分攤費用之和為目標函數(shù)，其最小值可表示為

式中：α——資金回收系數(shù)；

2.1.3 同步優(yōu)化設(shè)計的特點

同步設(shè)計法克服了傳統(tǒng)輸油管道優(yōu)化設(shè)計分布確定管道管徑、壁厚和保溫層厚度難以到達整體最優(yōu)的問題。

但該方法也有相應的不足之處，其以經(jīng)濟最優(yōu)為目標，而經(jīng)濟優(yōu)化的難處在于各種費用的價格、貸款利率、還款年限等難于取準并且它們隨時間而變化，因而其結(jié)果也有相應的變化幅度。因此這些經(jīng)濟因素可能會對優(yōu)化結(jié)果造成一定的影響。

[1] 楊 筱 蘅 .輸 油 管 道 設(shè) 計 與 管 理 [M].東 營 ：中 國 石 油 大 學 出 版 社，2006.

[2] 黃善波，徐明海，邢曉凱 .外輸管道的總體優(yōu)化設(shè)計 [J].油氣儲運，2002，21（5）.

[3] 吳雙應 .對流換熱過程的熱力學分析及其應用 [D].重慶：重慶大學，2005.

Synchronous Optimization Design of Oil Pipeline

Wang Quan

In the design of the oil pipeline，the diameter of the determination and insulation layer thickness calculation is interrelated，mutual restraint.The mathematical model of the overall optimization design of the external pipeline is established and the optimal solution diameter，the thickness of the insulation layer and the starting point temperature are obtained by MATLAB software.The sensitivity analysis of the non-optimized parameters in the mathematical model is also carried out.

optimal design ；synchronous design ；oil pipeline

TP277

：A

：1003–6490（2017）07–0034–01

2017–05–22

王泉（1987—），男，遼寧盤錦人，助理工程師，主要從事石油工程方面的工作。