潘峰,柯華勝,張喆,賈賀坤
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成品油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究
潘峰1,柯華勝2,張喆2,賈賀坤1
(1. 東北石油大學(xué), 黑龍江 大慶 163318; 2. 中化泉州石化有限公司, 福建 泉州 362000)
管道運(yùn)輸是目前我國(guó)成品油運(yùn)輸最主要的方式。成品油管道同時(shí)運(yùn)輸多種油品,多采取順序輸送的方式,這就涉及到輸送油品的順序、油品批次大小、油品注入和分輸流量等問題。成品油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)是在保證油品安全可靠輸送的前提下,以投資及運(yùn)行費(fèi)用最低為主要目標(biāo)。首先論述了成品油管道運(yùn)行方案優(yōu)化設(shè)計(jì)模型的建立過程,包括目標(biāo)函數(shù)、約束條件和決策變量三部分。然后介紹了雜交差分進(jìn)化法等幾種有效算法,并歸納和分析其在成品油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)和不足之處。最后,給出了成品油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)研究建議。
成品油管道; 優(yōu)化設(shè)計(jì); 優(yōu)化模型; 優(yōu)化算法
目前,我國(guó)成品油管道正處于大發(fā)展時(shí)期[1]。成品油管道投資大,對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)效益也很大,一條成品油管道投資高達(dá)幾億乃至上百億元,其每年的運(yùn)行管理與維護(hù)費(fèi)用也相當(dāng)大,其優(yōu)化設(shè)計(jì)的潛力也很大,在設(shè)計(jì)方面一個(gè)微小的改善,就可以節(jié)省大量的費(fèi)用,因此對(duì)其進(jìn)行工藝方案優(yōu)化設(shè)計(jì)研究具有重要意義。
成品油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)是指在滿足各種內(nèi)、外部約束條件的前提下,合理選擇設(shè)計(jì)方案,使所設(shè)計(jì)的管道在計(jì)算期內(nèi)完成預(yù)期的輸油任務(wù),同時(shí)獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益。
成品油管道優(yōu)化模型與長(zhǎng)距離油氣輸送管道優(yōu)化模型相似,其一是要達(dá)到最優(yōu)的既定目標(biāo)(生產(chǎn)費(fèi)用最低或者投資總額最少);其二是在滿足現(xiàn)有的客觀約束的條件(資源、設(shè)備、能力等因素)下達(dá)到已定的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)。對(duì)于這些實(shí)際生產(chǎn)遇到的問題,可以將其抽象為理論數(shù)學(xué)模型式(1)來表述。
成品油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)包括管徑方案優(yōu)選設(shè)計(jì)和順序輸送批次及罐容計(jì)算兩部分。管徑方案優(yōu)選設(shè)計(jì)是管道順序輸送批次及罐容優(yōu)化和技術(shù)經(jīng)濟(jì)規(guī)律研究的基礎(chǔ);順序輸送批次及罐容優(yōu)化是成品油管道順序輸送的關(guān)鍵。具體內(nèi)容包括鋼管的管材等級(jí)、管外徑、管壁厚度、管線的最大允許操作壓力、設(shè)計(jì)壓力、沿線分輸站、泵站的數(shù)目與位置、在設(shè)計(jì)流量下各站的進(jìn)、出站壓力等。
成品油管道最優(yōu)設(shè)計(jì)在標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化模型式(a)的基礎(chǔ)上,需要確定目標(biāo)函數(shù)、約束條件和優(yōu)化變量三個(gè)部分。
(1)目標(biāo)函數(shù):成品油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的目標(biāo)是在滿足各種設(shè)計(jì)約束的前提下確定管道的工藝設(shè)計(jì)方案,使所設(shè)計(jì)的管道在其計(jì)算期內(nèi)經(jīng)濟(jì)效益最佳。
(2)約束條件:成品油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的約束條件很多,包括線路強(qiáng)度約束、鋼管規(guī)格約束、鋼管穩(wěn)定性約束、流態(tài)約束、水力約束、工藝操作條件約束(包括動(dòng)水壓力約束、進(jìn)站壓力約束等)。
(3)優(yōu)化變量:成品油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)的優(yōu)化變量主要包括管材、管徑、管壁厚度、操作壓力、泵站數(shù)目、泵站位置、油品輸送順序、順序輸送周期及批量、管道首站、末站及分輸站的各種油品儲(chǔ)罐設(shè)置等。
成品油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)模型及方法的研究比較多,但由于管道情況的多樣性,優(yōu)化設(shè)計(jì)模型的適用條件各有限制。其中還包含離散變量的優(yōu)化問題。在成品油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)研究中,動(dòng)態(tài)規(guī)劃法、雜交差分進(jìn)化算法和混合離散變量法是比較常用且優(yōu)化效果顯著的優(yōu)化算法,因此對(duì)三種優(yōu)化算法進(jìn)行深入調(diào)研,對(duì)其在成品油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)做全面分析。
20世紀(jì)50年代初美國(guó)數(shù)學(xué)家R.E.Bellman等在研究多階段決策過程的優(yōu)化問題時(shí),提出了著名的最優(yōu)化原理,把多階段過程轉(zhuǎn)化為一系列單階段問題,利用各階段之間的關(guān)系,逐個(gè)求解,創(chuàng)立了解決這類過程優(yōu)化問題的新方法—?jiǎng)討B(tài)規(guī)劃。
1992年,國(guó)外學(xué)者Yasemin G.Bolkman[2]采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法求解最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。目標(biāo)函數(shù)為每年的總成本(即泵站成本和管道成本之和)最小。通過把壓力、站間距變量離散化,建立變量之間的關(guān)系方程,把整個(gè)求解過程分解成若干階段,先假設(shè)一個(gè)最大泵站數(shù)目,當(dāng)通過計(jì)算確定某一站不需要提供動(dòng)力時(shí),泵站數(shù)目減一。但該方法沒有考慮沿線分輸,只能對(duì)無分輸支線的輸油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論借鑒。
2005年,黃淑女、謝偉峰[3-4]建立了帶分支的長(zhǎng)輸成品油管道工藝方案優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型。該模型是一個(gè)復(fù)雜的多目標(biāo)綜合性規(guī)劃模型,目標(biāo)函數(shù)為計(jì)算期內(nèi)管線的費(fèi)用現(xiàn)值最小??傎M(fèi)用現(xiàn)值包括管線初始投資、管線運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用現(xiàn)值、站場(chǎng)投資現(xiàn)值、站場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用現(xiàn)值和站場(chǎng)能耗費(fèi)用現(xiàn)值。約束條件有水力約束條件、流態(tài)約束條件、流量約束條件、鋼管規(guī)格約束條件(管徑約束、壁厚約束、管材集合)、壓力約束條件。決策變量為管徑(離散變量)、管材(離散變量)、出站壓力(連續(xù)變量)。在求解該模型時(shí),將其分解為三個(gè)層次,每一層次對(duì)應(yīng)一個(gè)決策變量,對(duì)這三個(gè)層次進(jìn)行逐階優(yōu)化,求得模型最優(yōu)解。常用管材種類有限,采用枚舉法選?。还軓浇M合采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法求解;分輸站和泵站合并,采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法布站,但這種方法并未應(yīng)用在實(shí)際中。
傳統(tǒng)數(shù)值算法比如離散復(fù)合形法及外部近似法等,存在求解非線性混合整數(shù)規(guī)劃問題的局部搜索性及對(duì)初值敏感性強(qiáng)等缺陷,差分進(jìn)化算法作為一種有效的全局搜尋方法,具有魯棒性、并行性等特點(diǎn),但其具有易陷于局部極小值等缺陷。1998年,Chou等在差分算法的基礎(chǔ)上發(fā)展了雜交差分進(jìn)化算法,能夠?qū)崿F(xiàn)全局尋優(yōu)且收斂速度也較快。
2006年,初飛雪[5]選取具有摻入和分輸?shù)某善酚凸艿栏删€系統(tǒng)進(jìn)行分析,并以管道系統(tǒng)計(jì)算期內(nèi)總費(fèi)用現(xiàn)值最小為目標(biāo)函數(shù),在考慮管道強(qiáng)度約束、鋼管穩(wěn)定性約束、流態(tài)約束等約束條件下建立了工藝方案優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型,引進(jìn)雜交差分進(jìn)化方法,并對(duì)算法做了局部改進(jìn),采取動(dòng)態(tài)處理約束條件。該方法對(duì)其它油氣管道工藝方案優(yōu)化設(shè)計(jì)也具有指導(dǎo)意義。在泵站位置候選點(diǎn)確定的條件下,采用了賦權(quán)有向圖表示成品油管道工藝方案優(yōu)化設(shè)計(jì)問題,通過調(diào)用 Dijkstra 算法,求解出了最短路徑作為最優(yōu)方案。同時(shí)將最短路徑問題擴(kuò)充為 N 條最短路徑問題,相應(yīng)可求得次優(yōu)、再次優(yōu)等工藝方案,以供設(shè)計(jì)人員做多方案比選。
混合離散變量法適合于求解既有連續(xù)變量又有離散變量的工程實(shí)際問題的數(shù)學(xué)規(guī)劃。
2004年,張其敏[6]根據(jù)最優(yōu)化理論和成品油管道輸送特點(diǎn)建立了成品油順序輸送管道優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型。該模型的目標(biāo)函數(shù)是:順序輸送管道在其壽命期內(nèi)的終值費(fèi)用(即管道、泵站和油罐的建設(shè)投資費(fèi)用,以及各年運(yùn)行管理費(fèi)用均按相同的年利率折算到設(shè)備壽命末年時(shí)的費(fèi)用)最小。約束條件包括:水力約束條件、強(qiáng)度約束條件、流態(tài)約束條件、管道運(yùn)行穩(wěn)定約束條件、首末站罐容約束、管道規(guī)格約束條件、泵站數(shù)約束條件。然而,其優(yōu)化模型流態(tài)約束條件要求雷諾數(shù)大于第二臨界雷諾數(shù),管道都在粗糙區(qū)工作。實(shí)際運(yùn)行中,輕油管道的流態(tài)多在水力光滑區(qū),輸送低粘油品的較小直徑管道可能進(jìn)入混合摩擦區(qū),管道運(yùn)行很難滿足該約束,故該約束條件的合理性有待論證。
(1)由于成品油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)模型的復(fù)雜性,開發(fā)具有編碼簡(jiǎn)單、收斂速度快、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)的算法十分重要,易于人們理解和編程。
(2)模型實(shí)際應(yīng)用過程中設(shè)計(jì)人員不單一的從總費(fèi)用現(xiàn)值角度出發(fā)優(yōu)選方案,還需要考慮施工難度、技術(shù)可行性、環(huán)境影響、運(yùn)行維護(hù)、可靠性等多方面因素,經(jīng)綜合考慮確定最優(yōu)工藝方案,因此建立一個(gè)綜合考慮諸因素的工藝方案綜合評(píng)價(jià)體系是必要的。
(3)開發(fā)更為廣泛及適用性強(qiáng)的成品油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件勢(shì)在必行。
[1]初飛雪. 成品油管道工藝方案優(yōu)化設(shè)計(jì)研究及軟件開發(fā)[D]. 北京:中國(guó)石油大學(xué), 2006.
[2]Yasemin G,Bolkman.Development of an Efficient Algorithm for Optimal Pipeline Design and Operation[J].Pipeline Technology ASME 1992, Volume V-B: 517-524.
[3]黃淑女, 楊承漢, 謝偉峰. 動(dòng)態(tài)規(guī)劃在成品油管道優(yōu)化布站中的應(yīng)用[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn), 2005, 24 (7): 6-9.
[4]黃淑女,謝偉峰.成品油管道工藝方案優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].能源技術(shù),2005,26(2):47-48+69.
[5]初飛雪,吳長(zhǎng)春.成品油管道工藝方案優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J]. 石油學(xué)報(bào), 2006, 27(2): 116-124.
[6]張其敏, 陳寧. 成品油順序輸送管道優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn), 2004, 23(3):5-7.
Study on Optimized Design Method of Product Oil Pipeline
1,2,2,1
(1. Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China;2. Sinochem Quanzhou Petrochemical Co., Ltd., Fujain Quanzhou 362000, China)
Pipeline transportation is the most important way of China's refined oil transportation. The oil pipeline also carries a variety of oil products at the same time, and takes the process of batching transportation which involves the problems such as the order of conveying oil, the size of oil batches, the oil injection and the sub-flow. Finished oil pipeline optimization design is to ensure the safe and reliable transportation of oil under the premise of the minimum investment and operating costs as the main objective. In this paper, the establishment process of the optimal design model of the oil pipeline operation plan was discussed, including the objective function, the constraint condition and the decision variable. Then, several effective algorithms such as dynamic programming algorithm, hybrid differential evolution algorithm and so on were introduced, and their advantages and disadvantages were summarized and analyzed. Finally, some suggestions for the optimization design of refined oil pipeline were put forward.
product oil pipeline; optimization design; optimization model; optimization algorithm
2016-03-01
潘峰(1993-),男,滿族,東北石油大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)在讀研究生,遼寧撫順人,從事儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)優(yōu)化及節(jié)能降耗技術(shù)相關(guān)方面的研究。
柯華勝(1990-),男,助理工程師,目前從事儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行方面的工作。
TE 832
A
1004-0935(2017)07-0696-03