成品油管道优化设计

发布时间：2017-08-29所属分类：科技论文浏览：1次

摘 要： 这篇管道工程师论文发表了成品油管道优化设计，我国成品油的运输主要依靠管道运输，论文介绍了成品油管道优化设计，论文介绍了杂交差分进化法等几种有效算法，并归纳和分析其在成品油管道优化设计中的优势和不足之处。最后，给出了成品油管道优化设计研究建议

　　这篇管道工程师论文发表了成品油管道优化设计，我国成品油的运输主要依靠管道运输，论文介绍了成品油管道优化设计，论文介绍了杂交差分进化法等几种有效算法，并归纳和分析其在成品油管道优化设计中的优势和不足之处。最后，给出了成品油管道优化设计研究建议。

　　关键词：管道工程师论文,成品油管道,优化设计,优化模型,优化算法

　　目前，我国成品油管道正处于大发展时期[1]。成品油管道投资大，对其进行优化设计的经济效益也很大，一条成品油管道投资高达几亿乃至上百亿元，其每年的运行管理与维护费用也相当大，其优化设计的潜力也很大，在设计方面一个微小的改善，就可以节省大量的费用，因此对其进行工艺方案优化设计研究具有重要意义。成品油管道优化设计是指在满足各种内、外部约束条件的前提下，合理选择设计方案，使所设计的管道在计算期内完成预期的输油任务，同时获得最佳经济效益。

　　1优化模型的建立

　　成品油管道优化模型与长距离油气输送管道优化模型相似，其一是要达到最优的既定目标(生产费用最低或者投资总额最少);其二是在满足现有的客观约束的条件(资源、设备、能力等因素)下达到已定的经济目标。对于这些实际生产遇到的问题，可以将其抽象为理论数学模型式(1)来表述。成品油管道优化设计包括管径方案优选设计和顺序输送批次及罐容计算两部分。管径方案优选设计是管道顺序输送批次及罐容优化和技术经济规律研究的基础;顺序输送批次及罐容优化是成品油管道顺序输送的关键。具体内容包括钢管的管材等级、管外径、管壁厚度、管线的最大允许操作压力、设计压力、沿线分输站、泵站的数目与位置、在设计流量下各站的进、出站压力等。成品油管道最优设计在标准优化模型式

　　(a)的基础上，需要确定目标函数、约束条件和优化变量三个部分。

　　(1)目标函数：成品油管道优化设计问题的目标是在满足各种设计约束的前提下确定管道的工艺设计方案，使所设计的管道在其计算期内经济效益最佳。

　　(2)约束条件：成品油管道优化设计问题的约束条件很多，包括线路强度约束、钢管规格约束、钢管稳定性约束、流态约束、水力约束、工艺操作条件约束(包括动水压力约束、进站压力约束等)。(3)优化变量：成品油管道优化设计的优化变量主要包括管材、管径、管壁厚度、操作压力、泵站数目、泵站位置、油品输送顺序、顺序输送周期及批量、管道首站、末站及分输站的各种油品储罐设置等。

　　2优化模型求解

　　成品油管道优化设计模型及方法的研究比较多，但由于管道情况的多样性，优化设计模型的适用条件各有限制。其中还包含离散变量的优化问题。在成品油管道优化设计研究中，动态规划法、杂交差分进化算法和混合离散变量法是比较常用且优化效果显著的优化算法，因此对三种优化算法进行深入调研，对其在成品油管道优化设计中应用的优缺点做全面分析。

　　2.1动态规划法

　　20世纪50年代初美国数学家R.E.Bellman等在研究多阶段决策过程的优化问题时，提出了著名的最优化原理，把多阶段过程转化为一系列单阶段问题，利用各阶段之间的关系，逐个求解，创立了解决这类过程优化问题的新方法—动态规划。1992年，国外学者YaseminG.Bolkman[2]采用动态规划方法求解最优设计方案。目标函数为每年的总成本(即泵站成本和管道成本之和)最小。通过把压力、站间距变量离散化，建立变量之间的关系方程，把整个求解过程分解成若干阶段，先假设一个最大泵站数目，当通过计算确定某一站不需要提供动力时，泵站数目减一。但该方法没有考虑沿线分输，只能对无分输支线的输油管道优化设计提供理论借鉴。

　　2005年，黄淑女、谢伟峰[3-4]建立了带分支的长输成品油管道工艺方案优化设计的数学模型。该模型是一个复杂的多目标综合性规划模型，目标函数为计算期内管线的费用现值最小。总费用现值包括管线初始投资、管线运行维护费用现值、站场投资现值、站场运行维护费用现值和站场能耗费用现值。约束条件有水力约束条件、流态约束条件、流量约束条件、钢管规格约束条件(管径约束、壁厚约束、管材集合)、压力约束条件。决策变量为管径(离散变量)、管材(离散变量)、出站压力(连续变量)。在求解该模型时，将其分解为三个层次，每一层次对应一个决策变量，对这三个层次进行逐阶优化，求得模型最优解。常用管材种类有限，采用枚举法选取;管径组合采用动态规划法求解;分输站和泵站合并，采用动态规划法布站，但这种方法并未应用在实际中。

　　2.2杂交差分进化法

　　传统数值算法比如离散复合形法及外部近似法等，存在求解非线性混合整数规划问题的局部搜索性及对初值敏感性强等缺陷，差分进化算法作为一种有效的全局搜寻方法，具有鲁棒性、并行性等特点，但其具有易陷于局部极小值等缺陷。1998年，Chou等在差分算法的基础上发展了杂交差分进化算法，能够实现全局寻优且收敛速度也较快。

　　2006年，初飞雪[5]选取具有掺入和分输的成品油管道干线系统进行分析，并以管道系统计算期内总费用现值最小为目标函数，在考虑管道强度约束、钢管稳定性约束、流态约束等约束条件下建立了工艺方案优化设计数学模型，引进杂交差分进化方法，并对算法做了局部改进，采取动态处理约束条件。该方法对其它油气管道工艺方案优化设计也具有指导意义。在泵站位置候选点确定的条件下，采用了赋权有向图表示成品油管道工艺方案优化设计问题，通过调用Dijkstra算法，求解出了最短路径作为最优方案。同时将最短路径问题扩充为N条最短路径问题，相应可求得次优、再次优等工艺方案，以供设计人员做多方案比选。

　　2.3混合离散变量法

　　混合离散变量法适合于求解既有连续变量又有离散变量的工程实际问题的数学规划。2004年，张其敏[6]根据最优化理论和成品油管道输送特点建立了成品油顺序输送管道优化设计数学模型。该模型的目标函数是：顺序输送管道在其寿命期内的终值费用(即管道、泵站和油罐的建设投资费用，以及各年运行管理费用均按相同的年利率折算到设备寿命末年时的费用)最小。约束条件包括：水力约束条件、强度约束条件、流态约束条件、管道运行稳定约束条件、首末站罐容约束、管道规格约束条件、泵站数约束条件。然而，其优化模型流态约束条件要求雷诺数大于第二临界雷诺数，管道都在粗糙区工作。实际运行中，轻油管道的流态多在水力光滑区，输送低粘油品的较小直径管道可能进入混合摩擦区，管道运行很难满足该约束，故该约束条件的合理性有待论证。

　　3建议

　　(1)由于成品油管道优化设计模型的复杂性，开发具有编码简单、收敛速度快、可靠性强等特点的算法十分重要，易于人们理解和编程。(2)模型实际应用过程中设计人员不单一的从总费用现值角度出发优选方案，还需要考虑施工难度、技术可行性、环境影响、运行维护、可靠性等多方面因素，经综合考虑确定最优工艺方案，因此建立一个综合考虑诸因素的工艺方案综合评价体系是必要的。(3)开发更为广泛及适用性强的成品油管道优化设计软件势在必行。

　　作者：潘峰 柯华胜 张喆 贾贺坤 单位：东北石油大学 中化泉州石化有限公司

　　推荐阅读：《化工设备与管道》(双月刊)创刊于1964年，由全国化工设备设计技术中心站、全国化工、工艺配管设计技术中心站联合主办。