输油管道优化设计研究

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1输油管道优化设计的决策变量

针对输油管道系统而言，其主要由两个部分组成，管道与沿线站场。影响管道部分的因素有管径，管材，管壁厚度，保温层厚度。影响站场部分的因素有泵的选型，加热炉的选型，出站温度的设定，泵机组分配，泵的转速与调节等。对管道进行优化时，上述决策变量不是单一的，决策变量之间也回相互影响。例如，保温层厚度与加热炉的温度相互耦合，当保温层厚度增加时，管道的沿线传热系数减小，沿线油品温降降低，因此，出站时的加热炉的设定温度可以降低。除此之外，如泵的选型，提供的能头，泵机组的串并联、转速的调节，均是相互影响的决策变量，对管道进行优化时，根据管道实际情况与优化目标的不同，选取合适的决策变量，需要进行慎重的考虑。

2输油管道优化运行研究现状

2.1国外研究现状

20世纪60年代，苏联人契尔尼金第一个提出热油管道最优工况的概念。他针对出站温度优化，利用微分法进行计算，以采用往复泵的站场为例，求解得到了最优出站温度。他的局限性在于所设流体为牛顿流体，流程为开式流程，与现今的实际工况不吻合。20世纪70年代，Jefferson[1]就对热油管道优化的情况进行了研究，对于热油管道输量及总压力一定的情况下，根据不用泵站提供的能头不同，采用动态规划方法，求解得到了各个泵站的压力分配。Cheeseman[2]等采用坐标轮换法，以费用最小为目标函数，计算最优管径，并编写了相关的管道优化设计软件，尽管此方法的效率较低，但可以减少管道设计时间，并且提高管道的设计质量。Bhadur与Talachi[3]使用非线性约束条件来描述天然气管网的运行状态，利用非线性算法，对天然气管道的壁厚、管径以及压缩机站场数目进行了优化。德州东部成品油管路公司[4,5]将泵功率和运行时间组合，进行优化，得到了泵站功率优化方案，节省了数百万美元的电力费用。由德国PE公司开发的PACOS，原油和成品油输送管道均可以优化，欧洲的许多大型管道，如AWP，NOW，ME-RO等，均采用了该软件，并获得了较好的优化效果。这些研究使得计算机编程与管道优化运行得到了有机结合，为研究者提供了更广阔的平台。Gopal[6]等采用动态规划的方法优化出站压力。利用数学规划算法选择最佳的泵组匹配，并根据每台动力发动机的燃油消耗率，确定应该打开的泵组。在保证所需流量的前提下，合理调整站场内的泵或压缩机组合，将总燃料成本降到最低。这成为以后管道运行优化研究的基础。美国CNGT输气公司[7]利用动态闭环、实时优化技术，对其名下某条管道，通过调节压缩机的搭配方式，进行燃料费用方面的优化。实验数据表明，通过优化运行工艺，可以令管道的实际运行能耗费用降低约十分之一。纵观国外的优化运行设计，主要集中在如何调试进出站压力，对泵或压缩机的组合方式，从而消耗更少的电力和燃料费用。国外的优化设计，几乎没有涉及到保温层厚度，传热系数方面的研究。这跟国外的油品大多流动性好，含蜡量低，有着密切的关系。国内的油品复杂多变，大部分为易凝高黏高含蜡原油，油品输送需要采用加热输送方式，需要考虑热力费用。

2.2国内研究现状

20世纪80年代，严大凡、吴长春[8]首次提出了热油管道稳态运行的典型代表性模型——两级阶梯模型，该模型研究的对象是单根热油管道稳态运行优化问题。该模型中采用两种不同的模型，各站间管段与权限泵组合的最佳匹配是基础模型，输油温度的优化作为高一级的模型，将前者嵌套入后者中进行优化。优化的最终目的为降低输油能耗，以获得更高的经济效益。吴立峰[9]建立了含蜡加热输送原油管道系统优化设计的数学模型，该模型中考虑到了输送过程中原油中有蜡晶析出，文中采用混合离散变量组合形法对所建立的数学模型进行了求解。姜海斌、袁运栋等[10]对主泵调速、计划恒速和间歇输送运行这三种运行方式对管道节能效果的影响进行了比较。运行方案中考虑了随季节变化，管道摩阻产生相应变化，并通过计算得出以下结论：为获取最大利益，需要在不同季节采用不同输送运行方式。严宏东[11]使用改进混沌综合法进行优化设计。这种方法很好地解决了约束非线性混合离散变量的优化问题。但是，在他的模型建设过程中的两项假设与实际情况差距颇大：假设加热站站间距相等，管道经过的地理位置的地理条件相同；各泵站的所配置的泵机组相同，进站压力均相同。但是就实际情况而言，管道所经过的地域的地理条件一定不同，由于地温不同，散热会不均，考虑到高程的起伏，地质条件对于建站的限制，沿线相邻两座热站之间的距离不可能全部相同。同时，不同的高程，流态，导致管道沿线的水力摩阻不同，所以各泵各站的配置情况也不同。因此，在这样的假设条件下做出的全线建模与计算与实际情况是有偏差的。以上是国内输油管道优化运行研究人员在建立了模型的基础上，利用传统的线性规划、非线性规划、改进混沌综合法等方法进行求解优化的过程。而随着智能优化算法的逐步成熟，智能优化算法逐渐被用来求解有关管道优化运行的问题。陈娟[12]首次在原油管道优化设计中加入了减阻剂的研究。加入减阻剂后，管道沿线水头损失降低，从而各泵站需要提供的能头，加热炉的温度，设备的选型，站场的投资都需要重新考虑。其将数据库技术与混合离散变量遗传算法、混合离散变量复合形法结合起来，求解模型。但是，该论文中对于泵站的处理采用同型号定速泵串并联模型，限制了该方法的应用范围。黄善波等[13]采用模拟退火算法求解为热油管道优化设计所建立的数学模型，计算结果表明，该算法相较于其他方法而言，在求解管道模型方面具有明显的优势：初始条件的改变对计算结果的影响较小，计算效率高，搜索范围广，能够避免过早的局部收敛。高松竹等[14]采用免疫遗传算法，该算法是将生命科学中的免疫原理与传统的遗传算法相结合，具有较高的计算效率，以等温输油管道优化数学模型进行了计算，计算结果表明该算法性能好，适用于等温输油管道。其后，高松竹、汪玉春等人[15]又将遗传算法和模拟退火算法结合构成一种混合遗传算法，该算法计算效率高、易收敛，并且性能更好，与相同情况下采用动态规划法优化相比，动力费用减少了3%。严宏东、汪玉春[16]采用改进混沌综合法对建立的热油管道模型进行求解，该模型以最小年折合费用为目标函数。通过实例计算与其它优化算法（模拟退火算法、改进混沌法）的对比表明，该算法计算效率高，计算性能好，得出的最优方案成本最低。文章中得出结论，出站温度是影响投资总成本的主要影响因素，出站温度的波动对油品的黏度、沿线的摩阻损失、沿线各站泵所需提供的能头均会产生影响，进而对总投资成本及运行费用产生影响。李科星等[17]针对热油管道设计提出了新的两级阶梯模型，该模型将年输量模型与参数优化模型结合起来，这是是考虑到实际生产中的供需关系，随着油田的进一步开采，下游需求的波动，实际年输量也会发生变化，所以采用最佳平方逼近法，将油田的产量与市场波动加入考虑范围，求解管道的设计输量，并用混合微粒群算法求解参数优化模型，实现了热油管道的整体优化设计。

3结论

与国内相比，国外的输油管道运行优化研究起步较早，由于国外的油品大多流动性较好，其研究仅以优化输油过程中的动力消耗为目标，对管径进行优选，对泵机组的组合方式进行优化，其研究结果只适用于常温输送管道。国内油品多属高粘易凝原油，需采用热油输送工艺，需将热力费用一并计入到优化模型中。国内研究者建立了大量优化模型，模型主要考虑了结蜡影响、摩擦生热、泵组合方式的不同等条件，再利用多种优化算法寻求优化模型的最优运行参数和方案。目前在这方面的研究还不是很完善，设立的模型有与实际工况有不同程度的偏差存在。对于站间距、沿程地理位置的设定不尽完善，对于泵的选用过于单调机械，仅考虑了相同的泵型号的串并联。缺乏对影响总投资的因素的敏感性分析，对于影响总投资的如钢材价格、保温层价格，电力费用及燃料价格等没有进行详尽的分析研究。随着技术的进一步发展，调速泵在管道实际运行中的进一步应用，钢材等辅助材料的价格变化，今后的研究应当尽可能考虑如何在建模中考虑不同型号的泵的组合，考虑如何调速使泵保持在高效区，以及对各种总投资的影响因素进行敏感性分析，找出影响力最大的部分，进行优化。

作者：孙昊 单位：中国石油大学（北京）油气管道输送安全国家工程实验室