付曉東, 王 岳, 付吉強, 王愛萍

(1.遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院,遼寧撫順 113001; 2.大連理工大學化工學院,遼寧大連 116023)

混油對成品油管網優(yōu)化設計的影響分析

付曉東1, 王 岳1, 付吉強1, 王愛萍2

(1.遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院,遼寧撫順 113001; 2.大連理工大學化工學院,遼寧大連 116023)

考慮成品油順序輸送中產生混油的特點,以管道生命周期內收益最高為目標,管徑、壁厚為決策變量,建立了成品油管網優(yōu)化設計的數學模型。分別利用擴散理論推導的變徑管混油量計算公式和經驗公式計算混油量,并采用遺傳算法求解該模型。計算表明,混油損失費用占整個設計的3%～10%,并且與年輸送批次數、每一批次輸送的油品種類數、單位體積的混油處理費用等因素相關,一般情況下不能忽略不計,可以采用權重系數法生成多種設計方案以供選擇。而不同的混油計算公式結果往往不同,在實際工程中應選擇與本工程最接近的公式進行計算。

混油; 成品油; 管網; 優(yōu)化設計; MA TLAB; 遺傳算法

成品油管網優(yōu)化設計是在滿足各種設計約束條件下,尋求最優(yōu)的管材、管徑、管壁厚度、操作壓力、泵站數目、油品輸送順序、順序輸送周期及批量、混油處理方案等因素的最優(yōu)組合,使所設計的管道在規(guī)定的計算期內獲得最佳經濟效益[1]。若不考慮泵站數量的影響,以管徑和壁厚為決策變量建立優(yōu)化模型時,主要考慮的是初始投資、管道維護費用以及能耗費用三者之間的平衡,而順序輸送過程中產生的混油損失對優(yōu)化設計的影響往往被人忽略。初飛雪等[2]采用了賦權有向圖來表示成品油管道工藝方案優(yōu)化設計問題,通過循環(huán)調用Dijkstra算法,求解出了前N條最短路徑作為最優(yōu)和次優(yōu)方案,但沒有考慮混油損失對優(yōu)化設計的影響。黃淑女等[3]利用動態(tài)規(guī)劃求解了成品油工藝方案優(yōu)化設計模型,沒有考慮混油損失,雖然也可以得到最優(yōu)解,但過程復雜、計算量大,若需要得到多種設計方案時則顯得效率不高。遺傳算法近年來在天然氣管網、給水管網等管網設計中的應用表明,該算法效率高,不依賴于目標函數,具有很強的適應性,適于應用到管網設計中[4]。

對于成品油管網來說,各管段的管徑與流速都不相同,影響混油的因素又比較多,目前還沒有公認的與實際完全相符的混油計算公式[5]。本文分別利用了不同的混油公式,并采用遺傳算法求解,通過比較計算為工程實踐提供理論依據。

1 數學模型的建立

按等溫輸油進行計算,采用現值法,以各管段的管徑為決策變量,總投資、管道維護費用現值、能耗費用現值以及混油損失現值之和為目標函數,建立數學模型[6]。

式中,ND-管段數;

Cpj-第j個管段線路初始投資,元;

Cpmj-第j個管段線路運行維護費用現值,元;

Cso-泵站年操作費用現值,元;

Co-混油貶值費用,元。

約束條件的處理采用罰函數法。

1.1 流態(tài)約束條件

為了避免增大混油量,雷諾數要大于臨界雷諾數

式中,Dj-第j個管段外徑,m;

δj-管道計算壁厚,m;

νm-第m種油品的運動粘度,m2/s;

Qj-第j個管段的流量,m3/s。

1.2 壓力約束條件

設計壓力約束:pmin≤p≤pmax;

進站壓力約束:pminin≤pin≤pmaxin。

1.3 鋼管規(guī)格約束條件

管徑約束Dj∈{Dj},壁厚約束δj∈{δj}Dj。

2 混油量的計算

對于成品油管道,在一定時期內,需要根據市場的變化順序輸送多種油品,無法避免的會產生混油,產生貶值費用。

式中,k-每年進行順序輸送的批次數;

q-每一批次中混油段的數量,q=2(m-1),m為每一批次輸送的油品種類;

ch-混油處理費用,元/m3;

Vh-每個混油段中產生的混油量,m3;

n-壽命期,取10～15年;

i-折現率,取8%～15%。

對于成品油管網,各管段的直徑不同,流速也不同,混油量的計算方法也不同于等管徑等流速條件下的計算,一般采用由擴散理論推導的公式或經驗公式進行計算[7-9]。

2.1 由擴散理論推導的變徑管混油量計算公式

在混油擴散理論中,引入了湍流擴散系數DT,它綜合了油品交替過程中各種因素對擴散速度的影響,計算DT的可以采用雅勃隆斯基-希茲基洛夫公式。

式中,νpj-兩種相互交替油品運動粘度的算術平均值,m/s;

Repj-按νpj計算的雷諾數。

設某成品油管網由n+1段不同管徑的管段組成,則各管段湍流擴散系數在其時間段的積分之和An為

式中,di-第i+1個管段的內徑,m;

DTi-第i+1個管段的湍流擴散系數,m2/s;

ti-ti-1-混油的起始接觸界面流過各管段的時間,s。

管道終點處,若為對稱濃度范圍的混油段,則混油體積為

式中,α-修正系數;

Z-與油品濃度有關的變量,對在99%～1%內的混油量,取Z=1.645。

2.2 混油量的經驗計算公式

根據《輸油管道工程設計規(guī)范》中推薦的Austin-Palf rey經驗公式,利用當量管徑法計算變徑管的混油量過程如下:

(1)混油的運動粘度采用以下經驗公式計算:

式中,νA-A油在輸送溫度下的運動粘度,m2/s; νB-B油在輸送溫度下的運動粘度,m2/s;

ν-混油的計算運動粘度,m2/s。

(2)利用Austin-Palfrey經驗公式計算油品在第1個管段中流動所產生的混油長度C1。

式中,C1-第1個管段的混油長度,m;

d1-第1個管段的管徑,m;

L1-第1個管段的長度,m;

Re1-第1個管段的雷諾數。

(3)如果油品在第2個管段的條件下流動,當產生相同混油量時的管段長度即為當量長度L1′。

(4)求在L1′+L2條件下的混油長度C2。

(5)求L1′+L2的當量長度L2′,繼續(xù)(4)步驟,直到求得最終混油長度Cn。

3 數學模型的求解

由于成品油管網優(yōu)化設計的數學模型是非線性、多變量的復雜問題,采用常規(guī)的優(yōu)化方法很難高效的求出最優(yōu)解。而近年來蓬勃發(fā)展的智能算法在解決該類管網優(yōu)化問題中有很大優(yōu)勢,所以本文利用遺傳算法進行求解。

遺傳算法是通過模擬自然選擇和遺傳中發(fā)生的復制、交叉和變異等現象,從任一初始種群出發(fā),通過隨機選擇、交叉和變異等操作,產生一群更適應環(huán)境的個體,使群體一步一步進化到最適應環(huán)境的個體,求得問題的最優(yōu)解[10]。其主要流程如下:

(1)編碼。將解空間的解數據表示成遺傳空間的基因型串結構數據。由于本數學模型的決策變量管徑為離散變量,決定采用整數編碼的方式。

(2)初始群體的形成。隨機產生N個初始串結構數據。

(3)適應度值評價檢測。適應度函數表明個體的優(yōu)劣性,將目標函數用罰函數法改進后作為適應度函數。

(4)選擇、交叉、變異。通過這一系列操作生成新的群體。

(5)對新群體進行終止條件判斷。如符合所要求的終止條件,則得出最優(yōu)解,否則轉到步驟(3)。

4 算例與結果分析

圖1為具有多油源(1、2、8號點為油源)的某管網示意圖,在穩(wěn)態(tài)下輸送成品油。已知管道價格5 500元/t,管道涂層費用100元/m2,施工費用250元/m,電費0.5元/(kW·h)。各管段的輸油量、長度見表1,可供選擇的管徑規(guī)格見表2。試確定在以下條件下使總收益最大的管徑最優(yōu)組合:

(1)不計混油損失;

(2)每一批次有兩種油品進行順序輸送;

(3)每一批次有四種油品進行順序輸送。

Fig.1 A product pipeline network diagram圖1 某成品油管網示意圖

表1 各管段參數Table 1 Parameters of each pipeline section

表2可選管徑Table 2 Optional diameter

利用MA TLAB遺傳算法工具箱進行求解,結果如表3所示。

表3 在不同混油條件下計算得到的管徑最優(yōu)組合Table 3 The optimal combination of the diameters in differentm ixed oil conditions

根據以上計算結果分析可知:

(1)成品油管網優(yōu)化設計模型屬于非線性、多變量的復雜數學模型,利用遺傳算法可以比較高效、準確的求出令人滿意的最優(yōu)解。而MA TLAB自帶的遺傳算法工具箱界面友好,操作簡便容易上手,可以用于工程實踐。

(2)由混油造成的費用占整個設計費用的3%～10%。順序輸送的每一批次的油品種類越少,對整個設計計算的影響越小,有可能沒有影響。這種情況下,可以在優(yōu)化設計中忽略混油的影響。

(3)當輸送的油品種類較多,造成的混油段數量也隨之增加,此時將會對設計產生影響,影響的程度與年輸送批次數、每一批次輸送的油品種類數、單位體積的混油處理費用等因素有關,一般情況下不能忽略不計。實際設計中可以采用權重系數法生成多種設計方案以供選擇。

(4)本例中,由混油擴散理論和經驗公式計算的結果不完全相同,在實際工程中應選擇與本工程最接近的公式進行計算。

[1] 初飛雪,吳長春.成品油管道工藝方案優(yōu)化設計研究[J].石油學報,2006,27(2):116-120.

[2] 初飛雪,吳先策,張宗偉.基于N條最短路徑的成品油管道優(yōu)化設計[J].石油化工高等學校學報,2008,21(2):84-88.

[3] 黃淑女,楊承漢,謝偉峰.動態(tài)規(guī)劃在成品油管道優(yōu)化布站中的應用[J].油氣儲運,2005,24(7):6-9.

[4] 朱家松,龔健雅,鄭皓.遺傳算法在管網優(yōu)化設計中的應用[J].武漢大學學報:信息科學版,2003,28(3):363-367.

[5] 楊筱蘅.輸油管道設計與管理[M].東營:中國石油大學出版社,2006:272-283.

[6] 張紅兵,盧亞萍.成品油管道工藝方案優(yōu)化設計研究[J].石油工程建設,2008,34(3):20-23.

[7] 陳峰,張國忠.順序輸送管道變流速下混油量的計算方法[J].油氣儲運,2002,21(9):23-25.

[8] 陳慶勛.成品油順序輸送分輸和變管徑混油量的計算[J].油氣儲運,1999,18(1):7-8.

[9] 陳世一,崔艷星,崔艷雨.成品油順序輸送管道混油量計算方法[J].油氣儲運,2007,26(8):16-19.

[10] 雷英杰,張善文,李續(xù)武,等.MA TLAB遺傳算法工具箱及應用[M].西安:西安電子科技大學出版社,2005:11-16.

(Ed.:W YX,Z)

M ixed Oil Influence Analysis in the Product Pipeline Netwo rk Op timal Design

FU Xiao-dong1,WANG Yue1,FU Ji-qang1,WANG Ai-ping2
(1.College of Petroleum Engineering,L iaoning Shihua University,Fushun L iaoning 113001,P.R.China; 2.School of Chem ical Engineering,Dalian University of Technology,Dalian L iaoning 116023,P.R.China)

7 M ay 2010;revised 25 June 2010;accepted 5 July 2010

Considered that the mixed oil would be p roduced in the batch transpo rtation of the p roduct oil pipeline,the highest revenue in the life cycle as the objective function,the diameter and the wall thickness as the decision variables,a p roduct pipeline network op timization model was set up.The calculation formula based on diffusion theory and empirical formula were used to calculatemixed oil quantity.And the genetic algo rithm was used to solve themodel.The results show that the design of mixed oil costs account fo r 3%to 10%,and it’s related to the factors as the transpo rtation batches per year,the number of species transpo rted in each batch and the cost on management of oilmixture per unit volume.Generally mixed oil loss can’t be ignored,and the weight coefficient method can be used for a variety of design options.Using different fo rmulation often got different result,so in p ractical engineering p rojects the closest fo rmulation can be chosen to calculate.

M ixed oil;Product oil;Pipeline network;Op timal design;MA TLAB;Genetic algorithm

.Te1.:+86-413-6861998;fax:+86-413-6861820;e-mail:fuxiaodong126@126.com

TE832

A

10.3696/j.issn.1006-396X.2010.03.021

1006-396X(2010)03-0090-04

2010-05-07

付曉東(1984-),男,河北任丘市,在讀碩士。

遼寧省自然科學基金資助(20082186)。