輸油管道優(yōu)化設計研究
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針對輸油管道系統(tǒng)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(jié)等。對管道進行優(yōu)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(shù)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(lián)、轉速的調節(jié)，均是相互影響的決策變量，對管道進行優(yōu)化時，根據(jù)管道實際情況與優(yōu)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(yōu)化運行研究現(xiàn)狀
2.1國外研究現(xiàn)狀
20世紀60年代，蘇聯(lián)人契爾尼金第一個提出熱油管道最優(yōu)工況的概念。他針對出站溫度優(yōu)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(yōu)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(xiàn)今的實際工況不吻合。20世紀70年代，Jefferson[1]就對熱油管道優(yōu)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(jù)不用泵站提供的能頭不同，采用動態(tài)規(guī)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(shù)，計算最優(yōu)管徑，并編寫了相關的管道優(yōu)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(wǎng)的運行狀態(tài)，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(shù)目進行了優(yōu)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(yōu)化，得到了泵站功率優(yōu)化方案，節(jié)省了數(shù)百萬美元的電力費用。由德國PE公司開發(fā)的PACOS，原油和成品油輸送管道均可以優(yōu)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(yōu)化效果。這些研究使得計算機編程與管道優(yōu)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(tài)規(guī)劃的方法優(yōu)化出站壓力。利用數(shù)學規(guī)劃算法選擇最佳的泵組匹配，并根據(jù)每臺動力發(fā)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(yōu)化研究的基礎。美國CNGT輸氣公司[7]利用動態(tài)閉環(huán)、實時優(yōu)化技術，對其名下某條管道，通過調節(jié)壓縮機的搭配方式，進行燃料費用方面的優(yōu)化。實驗數(shù)據(jù)表明，通過優(yōu)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?？v觀國外的優(yōu)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(yōu)化設計，幾乎沒有涉及到保溫層厚度，傳熱系數(shù)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(xiàn)狀
20世紀80年代，嚴大凡、吳長春[8]首次提出了熱油管道穩(wěn)態(tài)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(wěn)態(tài)運行優(yōu)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(yōu)化作為高一級的模型，將前者嵌套入后者中進行優(yōu)化。優(yōu)化的最終目的為降低輸油能耗，以獲得更高的經(jīng)濟效益。吳立峰[9]建立了含蠟加熱輸送原油管道系統(tǒng)優(yōu)化設計的數(shù)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(shù)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(jié)能效果的影響進行了比較。運行方案中考慮了隨季節(jié)變化，管道摩阻產(chǎn)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(jié)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(yōu)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(yōu)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(jīng)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(jīng)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(tài)，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(yōu)化運行研究人員在建立了模型的基礎上，利用傳統(tǒng)的線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、改進混沌綜合法等方法進行求解優(yōu)化的過程。而隨著智能優(yōu)化算法的逐步成熟，智能優(yōu)化算法逐漸被用來求解有關管道優(yōu)化運行的問題。陳娟[12]首次在原油管道優(yōu)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(shù)據(jù)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(lián)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(yōu)化設計所建立的數(shù)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(yōu)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(tǒng)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(yōu)化數(shù)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(tài)規(guī)劃法優(yōu)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(shù)。通過實例計算與其它優(yōu)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(yōu)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(chǎn)生影響，進而對總投資成本及運行費用產(chǎn)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(shù)優(yōu)化模型結合起來，這是是考慮到實際生產(chǎn)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(fā)生變化，所以采用最佳平方逼近法，將油田的產(chǎn)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(shù)優(yōu)化模型，實現(xiàn)了熱油管道的整體優(yōu)化設計。
3結論
與國內相比，國外的輸油管道運行優(yōu)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(yōu)化輸油過程中的動力消耗為目標，對管徑進行優(yōu)選，對泵機組的組合方式進行優(yōu)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(yōu)化模型中。國內研究者建立了大量優(yōu)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(yōu)化算法尋求優(yōu)化模型的最優(yōu)運行參數(shù)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(lián)。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(fā)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(qū)，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(yōu)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