最優(yōu)化理論主要研究如何在眾多方案中選擇最佳方案，構(gòu)造尋求最佳的計(jì)算方法，被廣泛地應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)管理、工程應(yīng)用及最優(yōu)控制等領(lǐng)域。在油氣管道工程設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行和維護(hù)等方面，利用最優(yōu)化方法可以提高設(shè)計(jì)水平和施工效率、降低管道運(yùn)行成本、縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，從而節(jié)省工程投資，為油氣管道企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

一、生產(chǎn)運(yùn)行優(yōu)化

1.單油品輸送

王清根據(jù)孤東原油管道運(yùn)行現(xiàn)狀以及孤永東管道和孤羅東管道的運(yùn)行參數(shù)，在不改變現(xiàn)有設(shè)備和保證原油外輸量的前提下，制定優(yōu)化運(yùn)行方案，即把2條管道作為1個(gè)輸油系統(tǒng)，選擇以2條管道的最低進(jìn)站油溫為最低允許輸油溫度，將孤島首站總的輸油量合理匹配給2條管道，實(shí)現(xiàn)孤東管道全年壓力越站，減少首站的節(jié)流損失，提高孤羅東管道的輸送量，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

針對(duì)庫(kù)鄯輸油管道采用變頻調(diào)速主泵，孫勝戈以能耗最小為目標(biāo)函數(shù)，以輸油計(jì)劃的運(yùn)行時(shí)間和輸油量為約束條件，建立庫(kù)鄯輸油管道優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。采用線性規(guī)劃法（Lindo軟件）進(jìn)行求解，并對(duì)目標(biāo)函數(shù)系數(shù)進(jìn)行靈敏度分析。該方法操作簡(jiǎn)單，忽略非正常停輸?shù)挠绊?，能夠發(fā)揮變頻調(diào)速泵的節(jié)能效果。

徐嚴(yán)波等建立包括連續(xù)變量和離散變量的輸油管道優(yōu)化運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型，以熱力費(fèi)用和動(dòng)力費(fèi)用的總和為目標(biāo)函數(shù)，以出站油溫上下限、總壓頭、出站壓頭、加熱爐的熱負(fù)荷上下限、允許輸量的上下限為約束條件，利用混合離散變量組合形（MDCP）法求解數(shù)學(xué)模型。根據(jù)所求解問(wèn)題的規(guī)模、目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)的形態(tài)和復(fù)雜程度，在運(yùn)算過(guò)程中對(duì)所輸出的信息進(jìn)行人工干預(yù)或改變計(jì)算策略，能夠有效地解決離散變量約束非線性參數(shù)尋優(yōu)問(wèn)題。

高松竹等以所有增壓站投入運(yùn)行的泵機(jī)組消耗的總動(dòng)力費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)，以進(jìn)出站壓力、強(qiáng)度、水力、泵站特性﹑運(yùn)行泵效率和軸功率為約束條件，建立長(zhǎng)距離輸油管道優(yōu)化運(yùn)行模型，利用由模擬退火算法和遺傳算法結(jié)合構(gòu)成的混合遺傳算法對(duì)模型求解。結(jié)果表明，混合遺傳算法具有快速搜索、易收斂和魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)，動(dòng)力費(fèi)用最低。

嚴(yán)宏?yáng)|以燃料和動(dòng)力費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)，考慮輸油管道總基建投資、熱泵站和泵站的總投資、輸油管道動(dòng)力費(fèi)用和燃料費(fèi)用及全部職工工資支出，以強(qiáng)度約束、泵特性﹑熱力和水力為約束條件，建立熱油管道優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。改進(jìn)混沌綜合法對(duì)模型進(jìn)行求解。結(jié)果表明：該方法能夠節(jié)省工程投資，降低設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，綜合利用混沌搜索容易找到全局最優(yōu)解的近似解，復(fù)合型法局部收斂快，能將混沌優(yōu)化方法與復(fù)合型法的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)。

2.多油品輸送

王立貴在成品油輸油管道的結(jié)構(gòu)與配置信息和每個(gè)分銷中心儲(chǔ)油罐的信息已知，在調(diào)度計(jì)劃時(shí)域末每個(gè)分銷中心所下訂單全部滿足，沿管道運(yùn)送中的油品順序已知，泵入管道各油品的體積已知，煉油廠的生產(chǎn)調(diào)度計(jì)劃已知，煉油廠和各分銷中心油罐的可用儲(chǔ)存量已知，煉油廠和各分銷中心油罐的最大、最小儲(chǔ)存能力已知，以及油品泵入管道的最大速率、管道向分銷中心供應(yīng)油品的最大速率、分銷中心向油品市場(chǎng)輸送油品的最大速率已知，調(diào)度計(jì)劃的時(shí)域已知等前提條件下，以管道的總運(yùn)行成本費(fèi)用最小為目標(biāo)，建立17個(gè)約束條件，應(yīng)用軟件ILOG OPL Studio3.6對(duì)模型進(jìn)行求解。

蔣仕章等給出多油品混油“界面”處于管道某特殊點(diǎn)時(shí)全線壓能平衡方程和各校核點(diǎn)動(dòng)壓方程的計(jì)算公式。根據(jù)格爾木－拉薩管道改造方案，以尋求最大輸量為目標(biāo)，對(duì)其工況進(jìn)行優(yōu)化研究。在尋求最優(yōu)調(diào)節(jié)方案時(shí)，采用上游調(diào)節(jié)優(yōu)先，先停運(yùn)泵機(jī)組、后分配節(jié)流壓力的方法。對(duì)格爾木－拉薩管道線路縱斷面疑點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)壓校核，搜索解算油品“界面”處于管道各特殊點(diǎn)時(shí)滿足工藝約束條件的最大可行輸量，最終找到貼近實(shí)際的最優(yōu)工況。并對(duì)“旁接油罐”油品混輸方式進(jìn)行優(yōu)化研究。

對(duì)東北含蠟輸油管網(wǎng)，高延寧考慮熱力費(fèi)用、動(dòng)力費(fèi)用和清管費(fèi)用，建立以輸油成本為目標(biāo)函數(shù)，以余蠟厚度、清蠟周期為決策變量的數(shù)學(xué)模型，并用對(duì)分?jǐn)?shù)值方法進(jìn)行求解。通過(guò)調(diào)度運(yùn)行數(shù)據(jù)優(yōu)化，計(jì)算季節(jié)因素影響的輸油成本。該模型適合低輸量下高含蠟原油管道的清蠟周期和余蠟厚度計(jì)算。

孟振虎就輸油管道運(yùn)行優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行討論，認(rèn)為要想獲得全局最優(yōu)解的前提條件是目標(biāo)函數(shù)必須為凸函數(shù)，對(duì)單變量?jī)?yōu)化此條件可降低為單峰，對(duì)不滿足前提條件的優(yōu)化運(yùn)行目標(biāo)函數(shù)必須進(jìn)行處理，包括圖形處理法、調(diào)整尋優(yōu)區(qū)間搜索法、曲線方程擬合法。他提出長(zhǎng)輸管道加熱輸送原油時(shí)對(duì)泵特性的影響及特性黏度換算的動(dòng)態(tài)處理方法，進(jìn)行修正系數(shù)的動(dòng)態(tài)搜尋及泵性能自動(dòng)換算。優(yōu)化結(jié)果表明，進(jìn)泵原油粘度對(duì)泵流量和揚(yáng)程影響較小，但對(duì)泵效影響較大。采用先泵后爐工藝時(shí)，泵的黏性影響在優(yōu)化分析時(shí)不可忽略；若采用先爐后泵工藝，可消除泵的黏性影響。

崔慧等在管道日輸油量給定的條件下，合理選擇24h中不同時(shí)段的輸油流量，使該管道既能完成日輸油量，同時(shí)全天的總能耗費(fèi)用最低，考慮基于峰谷電價(jià)體制下的運(yùn)行現(xiàn)狀，建立線性規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，提出日輸油計(jì)劃優(yōu)化問(wèn)題，總結(jié)峰谷電價(jià)體制下日輸油計(jì)劃方式規(guī)律。結(jié)果表明，在該體制下東北管網(wǎng)具有一定的節(jié)能降耗潛力。由于容易受到管道本身運(yùn)行特性的約束影響，與熱油管道相比該方法更適合于等溫管道。

崔之健等以燃料費(fèi)和電費(fèi)之和最小為目標(biāo)函數(shù)，以出站溫度、進(jìn)站溫度、強(qiáng)度、水力、泵特性為約束條件，建立長(zhǎng)輸熱油管道運(yùn)行優(yōu)化模型，并采用自適應(yīng)模擬退火算法，編寫輸油管道運(yùn)行優(yōu)化軟件。該方法能夠降低燃料費(fèi)用，計(jì)算出站合理溫度，平衡燃料費(fèi)用和電力費(fèi)用結(jié)構(gòu)比例，實(shí)現(xiàn)節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行。

二、生產(chǎn)建設(shè)優(yōu)化

馬二龍等為解決由阿賽輸油管道供油量不均衡而導(dǎo)致的頻繁調(diào)整運(yùn)行方式和增大輸油成本的問(wèn)題，根據(jù)管輸方式、各站設(shè)備規(guī)格、原油物性和運(yùn)行參數(shù)等，進(jìn)行不同運(yùn)行方式下的輸油量、啟泵日耗電量、啟泵電單耗、啟泵電費(fèi)、組合后電費(fèi)、全線電單耗、全線組合電耗計(jì)算，對(duì)12種運(yùn)行方案進(jìn)行優(yōu)選，得到費(fèi)用最低的組合運(yùn)行方案。

李家強(qiáng)在劉坪—姚店輸油管道設(shè)計(jì)中，根據(jù)陜北黃土高原地區(qū)管道走向落差較大的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)中充分利用最高點(diǎn)與末站的650m落差位能，克服高點(diǎn)至末站沿程長(zhǎng)約104km的摩阻損失，采用變徑管的方式解決末站進(jìn)站壓力高的問(wèn)題。該方法是在已制造的管材基礎(chǔ)上進(jìn)行考慮的，沿程水力損失適中，降低管道壓力，可以實(shí)現(xiàn)一泵到底及選用揚(yáng)程較低的輸油泵，而不需要在管道沿途再增壓，充分利用輸油首站的壓能和管道沿線地形的勢(shì)能。

姚明岐根據(jù)秦京線輸油管道輸油泵機(jī)組的配置情況，為改進(jìn)工藝流程、增強(qiáng)輸油泵性能、提高管道水力運(yùn)行效率等，結(jié)合每臺(tái)輸油泵機(jī)組的性能，提出優(yōu)化組合的總體原則：一是優(yōu)先選用高效泵；二是充分發(fā)揮調(diào)速設(shè)備的作用；三是對(duì)DKS型輸油泵采用進(jìn)口調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。給出秦京線輸油泵機(jī)組優(yōu)化組合的3種運(yùn)行方式，對(duì)每種運(yùn)行方式的全線啟泵臺(tái)數(shù)、日輸油量及單位耗電量等進(jìn)行傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)方法優(yōu)選，并根據(jù)不同的當(dāng)量管內(nèi)徑，選擇不同的輸油量運(yùn)行方式。

朱坤鋒利用蘭成渝管道成品油順序輸送管道優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析順序輸送中不同混油處理方式，通過(guò)對(duì)蘭成渝成品油管道首、末站及分輸油庫(kù)罐容的確定及經(jīng)濟(jì)分析，實(shí)現(xiàn)分批次罐容的優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用不完全投資方法，即管道中相同部分不參與經(jīng)濟(jì)比較，對(duì)優(yōu)化結(jié)果有影響的部分參與比較，進(jìn)行方案的設(shè)計(jì)壽命動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)分析，以確定最優(yōu)的循環(huán)次數(shù)和全線需要設(shè)置的儲(chǔ)罐總?cè)萘?，這為管道的順序輸送提供了一種新思路。

魏立新等以支撐機(jī)具的數(shù)量最少為目標(biāo)函數(shù)，在強(qiáng)度約束、穩(wěn)定性約束等條件下，建立具有固定修復(fù)長(zhǎng)度的埋地輸油管道開(kāi)挖優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，采用遺傳算法對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解。結(jié)果表明：《管道修復(fù)規(guī)范》中制定的懸空段長(zhǎng)度偏于保守，可以根據(jù)修復(fù)段的實(shí)際工況適當(dāng)延長(zhǎng)懸空段長(zhǎng)度，減少支撐機(jī)具的使用數(shù)量，以提高管道修復(fù)效率和降低成本。

三、發(fā)展趨勢(shì)

每種優(yōu)化方法都各有其優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍，應(yīng)考慮采用綜合的優(yōu)化策略。傳統(tǒng)優(yōu)化方法應(yīng)用范圍受到一定程度的限制。

隨著曾經(jīng)簡(jiǎn)化的因素被重新引入到優(yōu)化數(shù)學(xué)模型中，使得模型從泵管解耦、單站計(jì)算逐漸發(fā)展到泵管耦合、逐站計(jì)算的全線系統(tǒng)優(yōu)化模型，求解算法從二階處理(先優(yōu)化加熱方案，再據(jù)此經(jīng)二次分析確定泵的運(yùn)行方式)，發(fā)展到全線泵爐設(shè)備綜合優(yōu)化的最佳運(yùn)行方案，越來(lái)越接近于生產(chǎn)實(shí)際。

優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)主要考慮動(dòng)力和熱力成本、工藝要求，無(wú)論是單變量還是多變量，若在尋優(yōu)區(qū)間不滿足模型數(shù)學(xué)性質(zhì)的凸性或至少為單峰條件時(shí)，無(wú)論采用何種非線性優(yōu)化方法，所得到結(jié)果多是局部最優(yōu)解，即使有些模型的求解算法經(jīng)過(guò)巧妙的改進(jìn)。

優(yōu)化約束條件越來(lái)越復(fù)雜，包括進(jìn)出站壓力、強(qiáng)度、水力、泵站特性﹑運(yùn)行泵效率、軸功率、熱阻損失、摩阻缺失、人員工資、電單耗，計(jì)算包括全線泵爐設(shè)備啟用位置、運(yùn)行組合、越站方式及啟用熱站原油出站加熱溫度，預(yù)測(cè)出各站油流進(jìn)出口溫度、壓力參數(shù)等，并通過(guò)引入泵的原油黏性影響處理，實(shí)現(xiàn)泵特性黏性曲線自動(dòng)換算。

運(yùn)用大型的工程計(jì)算軟件對(duì)輸油管道進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，應(yīng)該了解軟件自身優(yōu)化運(yùn)行原理及模型，否則有些計(jì)算結(jié)果對(duì)生產(chǎn)的指導(dǎo)可能有誤。

以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、模擬退火算法、混合遺傳算法、免疫遺傳算法、改進(jìn)混沌法等為代表的智能優(yōu)化算法成為求解優(yōu)化模型的主要方法，它們?cè)诜蔷€性規(guī)劃問(wèn)題方面能夠克服局部收斂，提高計(jì)算精度，減少迭代次數(shù)等缺陷，在獲得全局最優(yōu)解的能力方面具有突出的優(yōu)勢(shì)，代表求解算法的未來(lái)發(fā)展方向。

考慮結(jié)蠟狀況、管道承壓能力、進(jìn)站壓力、末站進(jìn)站油溫和泵特性等約束條件之間的相互影響因素，建立基于泵管耦合、逐站計(jì)算及泵特性為基礎(chǔ)的目標(biāo)函數(shù)及約束條件，是最優(yōu)化方法將來(lái)發(fā)展的主要方向。

（作者：中共四川省委組織部，

西南石油大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院博士）