輸油管道優化設計研究

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1輸油管道優化設計的決策變量

針對輸油管道系統而言，其主要由兩個部分組成，管道與沿線站場。影響管道部分的因素有管徑，管材，管壁厚度，保溫層厚度。影響站場部分的因素有泵的選型，加熱爐的選型，出站溫度的設定，泵機組分配，泵的轉速與調節等。對管道進行優化時，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，當保溫層厚度增加時，管道的沿線傳熱系數減小，沿線油品溫降降低，因此，出站時的加熱爐的設定溫度可以降低。除此之外，如泵的選型，提供的能頭，泵機組的串并聯、轉速的調節，均是相互影響的決策變量，對管道進行優化時，根據管道實際情況與優化目標的不同，選取合適的決策變量，需要進行慎重的考慮。

2輸油管道優化運行研究現狀

2.1國外研究現狀

20世紀60年代，蘇聯人契爾尼金第一個提出熱油管道最優工況的概念。他針對出站溫度優化，利用微分法進行計算，以采用往復泵的站場為例，求解得到了最優出站溫度。他的局限性在于所設流體為牛頓流體，流程為開式流程，與現今的實際工況不吻合。20世紀70年代，Jefferson[1]就對熱油管道優化的情況進行了研究，對于熱油管道輸量及總壓力一定的情況下，根據不用泵站提供的能頭不同，采用動態規劃方法，求解得到了各個泵站的壓力分配。Cheeseman[2]等采用坐標輪換法，以費用最小為目標函數，計算最優管徑，并編寫了相關的管道優化設計軟件，盡管此方法的效率較低，但可以減少管道設計時間，并且提高管道的設計質量。Bhadur與Talachi[3]使用非線性約束條件來描述天然氣管網的運行狀態，利用非線性算法，對天然氣管道的壁厚、管徑以及壓縮機站場數目進行了優化。德州東部成品油管路公司[4,5]將泵功率和運行時間組合，進行優化，得到了泵站功率優化方案，節省了數百萬美元的電力費用。由德國PE公司開發的PACOS，原油和成品油輸送管道均可以優化，歐洲的許多大型管道，如AWP，NOW，ME-RO等，均采用了該軟件，并獲得了較好的優化效果。這些研究使得計算機編程與管道優化運行得到了有機結合，為研究者提供了更廣闊的平臺。Gopal[6]等采用動態規劃的方法優化出站壓力。利用數學規劃算法選擇最佳的泵組匹配，并根據每臺動力發動機的燃油消耗率，確定應該打開的泵組。在保證所需流量的前提下，合理調整站場內的泵或壓縮機組合，將總燃料成本降到最低。這成為以后管道運行優化研究的基礎。美國CNGT輸氣公司[7]利用動態閉環、實時優化技術，對其名下某條管道，通過調節壓縮機的搭配方式，進行燃料費用方面的優化。實驗數據表明，通過優化運行工藝，可以令管道的實際運行能耗費用降低約十分之一。縱觀國外的優化運行設計，主要集中在如何調試進出站壓力，對泵或壓縮機的組合方式，從而消耗更少的電力和燃料費用。國外的優化設計，幾乎沒有涉及到保溫層厚度，傳熱系數方面的研究。這跟國外的油品大多流動性好，含蠟量低，有著密切的關系。國內的油品復雜多變，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，需要考慮熱力費用。

2.2國內研究現狀

20世紀80年代，嚴大凡、吳長春[8]首次提出了熱油管道穩態運行的典型代表性模型——兩級階梯模型，該模型研究的對象是單根熱油管道穩態運行優化問題。該模型中采用兩種不同的模型，各站間管段與權限泵組合的最佳匹配是基礎模型，輸油溫度的優化作為高一級的模型，將前者嵌套入后者中進行優化。優化的最終目的為降低輸油能耗，以獲得更高的經濟效益。吳立峰[9]建立了含蠟加熱輸送原油管道系統優化設計的數學模型，該模型中考慮到了輸送過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所建立的數學模型進行了求解。姜海斌、袁運棟等[10]對主泵調速、計劃恒速和間歇輸送運行這三種運行方式對管道節能效果的影響進行了比較。運行方案中考慮了隨季節變化，管道摩阻產生相應變化，并通過計算得出以下結論：為獲取最大利益，需要在不同季節采用不同輸送運行方式。嚴宏東[11]使用改進混沌綜合法進行優化設計。這種方法很好地解決了約束非線性混合離散變量的優化問題。但是，在他的模型建設過程中的兩項假設與實際情況差距頗大：假設加熱站站間距相等，管道經過的地理位置的地理條件相同；各泵站的所配置的泵機組相同，進站壓力均相同。但是就實際情況而言，管道所經過的地域的地理條件一定不同，由于地溫不同，散熱會不均，考慮到高程的起伏，地質條件對于建站的限制，沿線相鄰兩座熱站之間的距離不可能全部相同。同時，不同的高程，流態，導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，在這樣的假設條件下做出的全線建模與計算與實際情況是有偏差的。以上是國內輸油管道優化運行研究人員在建立了模型的基礎上，利用傳統的線性規劃、非線性規劃、改進混沌綜合法等方法進行求解優化的過程。而隨著智能優化算法的逐步成熟，智能優化算法逐漸被用來求解有關管道優化運行的問題。陳娟[12]首次在原油管道優化設計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，設備的選型，站場的投資都需要重新考慮。其將數據庫技術與混合離散變量遺傳算法、混合離散變量復合形法結合起來，求解模型。但是，該論文中對于泵站的處理采用同型號定速泵串并聯模型，限制了該方法的應用范圍。黃善波等[13]采用模擬退火算法求解為熱油管道優化設計所建立的數學模型，計算結果表明，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勢：初始條件的改變對計算結果的影響較小，計算效率高，搜索范圍廣，能夠避免過早的局部收斂。高松竹等[14]采用免疫遺傳算法，該算法是將生命科學中的免疫原理與傳統的遺傳算法相結合，具有較高的計算效率，以等溫輸油管道優化數學模型進行了計算，計算結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合構成一種混合遺傳算法，該算法計算效率高、易收斂，并且性能更好，與相同情況下采用動態規劃法優化相比，動力費用減少了3%。嚴宏東、汪玉春[16]采用改進混沌綜合法對建立的熱油管道模型進行求解，該模型以最小年折合費用為目標函數。通過實例計算與其它優化算法（模擬退火算法、改進混沌法）的對比表明，該算法計算效率高，計算性能好，得出的最優方案成本最低。文章中得出結論，出站溫度是影響投資總成本的主要影響因素，出站溫度的波動對油品的黏度、沿線的摩阻損失、沿線各站泵所需提供的能頭均會產生影響，進而對總投資成本及運行費用產生影響。李科星等[17]針對熱油管道設計提出了新的兩級階梯模型，該模型將年輸量模型與參數優化模型結合起來，這是是考慮到實際生產中的供需關系，隨著油田的進一步開采，下游需求的波動，實際年輸量也會發生變化，所以采用最佳平方逼近法，將油田的產量與市場波動加入考慮范圍，求解管道的設計輸量，并用混合微粒群算法求解參數優化模型，實現了熱油管道的整體優化設計。

3結論

與國內相比，國外的輸油管道運行優化研究起步較早，由于國外的油品大多流動性較好，其研究僅以優化輸油過程中的動力消耗為目標，對管徑進行優選，對泵機組的組合方式進行優化，其研究結果只適用于常溫輸送管道。國內油品多屬高粘易凝原油，需采用熱油輸送工藝，需將熱力費用一并計入到優化模型中。國內研究者建立了大量優化模型，模型主要考慮了結蠟影響、摩擦生熱、泵組合方式的不同等條件，再利用多種優化算法尋求優化模型的最優運行參數和方案。目前在這方面的研究還不是很完善，設立的模型有與實際工況有不同程度的偏差存在。對于站間距、沿程地理位置的設定不盡完善，對于泵的選用過于單調機械，僅考慮了相同的泵型號的串并聯。缺乏對影響總投資的因素的敏感性分析，對于影響總投資的如鋼材價格、保溫層價格，電力費用及燃料價格等沒有進行詳盡的分析研究。隨著技術的進一步發展，調速泵在管道實際運行中的進一步應用，鋼材等輔助材料的價格變化，今后的研究應當盡可能考慮如何在建模中考慮不同型號的泵的組合，考慮如何調速使泵保持在高效區，以及對各種總投資的影響因素進行敏感性分析，找出影響力最大的部分，進行優化。

作者：孫昊 單位：中國石油大學（北京）油氣管道輸送安全國家工程實驗室