【正文】 ......................................... 34 附錄 1 軟件源代碼 .......................................................................................................... 35 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論 文 ) 1 1 前言 問題的提出 石油管道運輸是近三四十年發(fā)展起來的一種運輸方式，特別是近二十年來發(fā)展尤為迅速。隨著國民經(jīng)濟發(fā)展和石油工業(yè)的壯大，石油管道運輸已經(jīng)成為自己的運輸體系，并與鐵路、公路、水路、航空運輸一起成為五大運輸體系。目前的管道運輸已不僅僅運送石油，它已向多品種管道運輸發(fā)展，已經(jīng)使用和正在研究使用管道運輸?shù)奈锲酚衅w、成品油、水、糧食、煤槳、礦漿及 LPG 等不僅陸地廣泛使用管道運輸，海底油氣管道也得到大量運用，可以說管道運輸已在國民經(jīng) 濟發(fā)展中起著越來越重要的作用。 在現(xiàn)代管道工業(yè)中，優(yōu)化技術(shù)在管道規(guī)劃、設(shè)計、運行管理、控制等方面得到了廣泛的應(yīng)用。優(yōu)化技術(shù)是在現(xiàn)代計算機技術(shù)廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項新技術(shù)，是根據(jù)現(xiàn)代數(shù)學(xué)最優(yōu)化原理和方法，綜合各方面因素，在現(xiàn)有的工程條件下，從問題的眾多可行方案中選出最經(jīng)濟的方案 [1]。 輸油管道優(yōu)化運行就是在管線系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)、流程及其外部環(huán)境條件為給定的前提下，合理制定管線的輸油計劃及運行方案，使之在規(guī)定期內(nèi)完成給定輸油任務(wù)的同時運行費用最低 [2]。 輸油局是輸油企業(yè)，也是能源消耗大戶，在原油輸 送中每年就要消耗 萬噸燃料油， 億度動力電。因此，如何才能實現(xiàn)管道的安全運行、低耗、節(jié)能、提高系統(tǒng)的經(jīng)濟效益，這是科研攻關(guān)和運行管理的大目標(biāo) [3]。輸油管道優(yōu)化運行解決的也是這一問題，在確保完成輸油任務(wù)的前提下盡可能降低輸油能耗，尋求最經(jīng)濟的輸送條件。輸油管道在穩(wěn)態(tài) (包括準穩(wěn)態(tài) )工況下，給定管道流量及其他不可控因素，在滿足管道運行的約束條件下，要求選擇管道的最優(yōu)運行方式、設(shè)備組合以及運行參數(shù)使得單位時間內(nèi)的能耗費用最低 [4]。對正在運行中的輸油管道，通過降低熱能損失來降低總能耗對降低輸油成本、提 高經(jīng)濟效益影響重大，輸油管道優(yōu)化運行在現(xiàn)實生活中具有重大的意義。 但是，輸油管道優(yōu)化運行的研究是一項浩大的工程，需要耗費大量的人力物力，在科技飛速發(fā)展的今天，計算機技術(shù)日益發(fā)達，通過編制軟件不僅可以大大節(jié)省時間和資源，而且更能準確直觀的實現(xiàn)對管線參數(shù)的操作。目前，國內(nèi)尚無成熟的輸油管線優(yōu)化軟件可供使用，所以該軟件的編制具有降低輸油成本、提高經(jīng)濟效益 等重大意義。 輸油管道優(yōu)化運行研究及其軟件編制的發(fā)展?fàn)顩r 最優(yōu)化技術(shù)是研究和解決最優(yōu)化問題的一門學(xué)科，屬數(shù)學(xué)規(guī)劃的范疇，第二次世界大戰(zhàn)以前，處理最優(yōu)化問題 的數(shù)學(xué)方法主要是古典的微分法和變分法，二次大戰(zhàn)中，由于軍事上的需要產(chǎn)生了運籌學(xué)，提出了大量不能用上述經(jīng)典方法解決的最優(yōu)化問題，隨之產(chǎn)生了線性規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃、決策論、對策論、圖論等新的方法。隨著近代科技與生產(chǎn)的發(fā)展，工程與技術(shù)的復(fù)雜化，使得一個決策的好壞，對經(jīng)濟效益有著重大的影響，這就要求人們必須尋求最優(yōu)化決策，以獲得最好的經(jīng)濟效益，但由于最優(yōu)化的任務(wù)是要在一切可能的方案中尋求最佳方案，常常需要大量的計算，若僅依靠手西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論 文 ) 2 工計算，則不僅工作量大，計算時間長，而且往往難于實現(xiàn)，令人欣慰的是，由于電子計算機的飛速發(fā)展， 為最優(yōu)化技術(shù)提供了強有力的計算工具，使其迅速發(fā)展成為一門新興的學(xué)科。自 60年代以來，最優(yōu)化理論和方法不斷得到豐富和發(fā)展，其應(yīng)用幾乎已深入到各個生產(chǎn)科研領(lǐng)域，成為促進國民經(jīng)濟多快好省發(fā)展的有效方法 [7]。 國外輸油管道優(yōu)化運行及其軟件編制研究的發(fā)展?fàn)顩r [9][8] 油氣管道系統(tǒng)最優(yōu)化技術(shù)國外研究較早，水平相對較高。早在 50年代，蘇聯(lián)學(xué)者切爾尼金就提出了熱油管道最優(yōu)加熱溫度這一概念。他針對當(dāng)時采用的往復(fù)泵開式的流程，流型為牛頓流的熱油管線，用微分法導(dǎo)出了確定最優(yōu)出站各參數(shù)的關(guān)系式。六十年代初，美國殼 牌石油公司的杰斐遜將動態(tài)規(guī)劃法用于等溫密閉輸油管道的站間壓力分配，隨后又提出了隱枚舉法確定站內(nèi)最優(yōu)泵組合。隨后，由于計算機技術(shù)和應(yīng)用數(shù)學(xué)的飛速發(fā)展，國外油氣管道最優(yōu)化技術(shù)迅猛發(fā)展，涉及油氣管道系統(tǒng)設(shè)計、運行、擴建、控制等領(lǐng)域。尤其在最優(yōu)運行與最優(yōu)設(shè)計領(lǐng)域碩果累累，且達到了相當(dāng)?shù)纳疃?。?Cheesernan用坐標(biāo)輪換法優(yōu)化管道。程序有兩條主線 :站位和壓縮比優(yōu)化。站位程序的核心是壓降計算。費用程序包括兩個主要參數(shù) :動力費和材料投資。假設(shè)對每一個搜索的參數(shù)只有一個最小費用。從不同起點出發(fā)看有無相同局部優(yōu)化值，如果 有就認為它是全局優(yōu)化值。雖然這對于有約束的非線性問題并不是一個高效的算法，仍使設(shè)計時間減少 70%，設(shè)計費用減少 30%，設(shè)計質(zhì)量得到提高。 Grelli和 Gilmou:設(shè)計的管線優(yōu)化程序用于太平洋輸氣公司和阿爾伯達天然氣公司的一條輸氣管線。程序采用穩(wěn)態(tài)分析和動態(tài)規(guī)劃。 1985年 1月和 8月進行了試驗，節(jié)約燃料 8%12%。在國外油氣動力系統(tǒng)中，有不少是采用熱機 (如蒸汽機，燃氣輪機等 )作為原動力的。為使油氣管道中的泵和壓縮機運轉(zhuǎn)，每年用于燃料的費用是很可觀的。因此，不少管道公司開始對壓縮機站和泵站的燃料消耗進行了最 優(yōu)化研究。 1980年，美國的德克薩斯氣體運輸公司的 Copal提出了一種管道泵站優(yōu)化運行的方法。目標(biāo)是根據(jù)每一原動機的燃料消耗率，決定要開動哪些泵機組，在保證所需流量的前提下使總?cè)剂腺M用最少 。用整數(shù)規(guī)劃算法來選擇最優(yōu)的泵機組搭配，僅需對很少幾種組合進行計算。此外，還用動態(tài)規(guī)劃的方法對出站壓力進行優(yōu)化。 Singh(美， 1981年 )則對此問題提出了一種簡便的算法。蘇聯(lián)學(xué)者在這方面的研究主要集中在如何選擇油管的最佳工況上。 國內(nèi)輸油管道優(yōu)化運行研究的發(fā)展?fàn)顩r 對輸油管道優(yōu)化運行的研究是輸油工作者研究的重 點，建國以來，我國的石油工業(yè)和管道事業(yè)有了很大的發(fā)展，在管道優(yōu)化運行研究方面所做的工作也很多，取得了較令人滿意的成果。 (1) 優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型 [10][4][8] 把一個復(fù)雜的工程系統(tǒng)抽象成數(shù)學(xué)模型時，設(shè)計者常常面臨多種可供選擇的數(shù)學(xué)模型，恰當(dāng)?shù)倪x擇數(shù)學(xué)模型是一個至關(guān)重要的問題。較理想的數(shù)學(xué)模型應(yīng)盡可能準確的反映工程實際問題，同時又便于處理。 已投產(chǎn)運行的輸油管道，其設(shè)備、管徑、管長、站間距等己確定，我們只能對運行參數(shù)進行優(yōu)化，如溫度、泵組合等。這樣影響輸油能耗的只有熱、動力費用，一般都以二者費用之和最小 來建立模型。最初建立的是線性穩(wěn)態(tài)模型，后來，石油大學(xué)的嚴大凡、吳長春考慮了油品的溫度沿管線真實分布及熱機和泵效率的影響，建立了包西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論 文 ) 3 含全線泵組合與管路的最優(yōu)匹配和輸油溫度的最優(yōu)化兩級子問題的動態(tài)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，該模型適合于我國大多數(shù)輸油管道。 1998年，張增強等建立了秦京輸油管道優(yōu)化運行的動態(tài)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，把全線總壓頭和全線總熱負荷在各站間進行了最優(yōu)分配，提出了一種二維動態(tài)規(guī)劃求解方法，在求解時用逐次逼近法降維，這種方法既充分考慮了輸油管道的特點又兼顧了數(shù)學(xué)上的嚴密性。 (2) 優(yōu)化方法 用于優(yōu)化的方法很多。 線性規(guī)劃問題 : 單純形法可以用來解決所有線性規(guī)劃問題，線性離散優(yōu)化問題可以使用割平面法、分枝定界法及 01規(guī)劃的布爾運算法等。 非線性規(guī)劃問題 : 計算方法有解析法、搜索法、數(shù)值法、線性規(guī)劃或二次規(guī)劃逐步逼近非線性規(guī)劃的方法等。解析法亦稱間接法，包括古典微分法、古典變分法、極值原理和庫恩一塔克定理。搜索法亦稱直接法，包括消去法 (格點法、黃金分割法、 Fibonacci法 )、爬山法 (變量輪換法、復(fù)合形法 )、隨機試驗法等。數(shù)值法包括牛頓法、變尺度法、可行方向法、鞍點迭代法、梯度法、梯度投影法、簡約梯度法、制約函數(shù)法 等，線性規(guī)劃或二次規(guī)劃逐步逼近非線性規(guī)劃的方法有序列線性規(guī)劃法 (SLP)和 (移動限制 )近似規(guī)劃法 (MAP)等。 動態(tài)規(guī)劃問題 : 動態(tài)規(guī)劃法是一種能很好的解決所謂多階段決策過程最優(yōu)化問題的方法。輸油管道優(yōu)化運行研究所要解決的是如何確定各站最佳的進出站油溫，各種加熱、加壓設(shè)備的最優(yōu)組合，可以十分有效的利用這種方法來解決。盡管優(yōu)化的方法很多，而應(yīng)用到輸油管道優(yōu)化運行上的方法還不是很多。在我國輸油管道優(yōu)化運行方面使用過的方法有 :1991年，嚴大凡、吳長春使用了動態(tài)規(guī)劃法 :1992年，吳長春又提出了所謂的 DFS(深度 優(yōu)先搜索法 )，提高了搜索過程效率 。1994年，吳長春又提出了先以隨機搜索產(chǎn) Powell法的初始點，采用改進 :1996年，撫順石油學(xué)院的吳明使用了二分法，相繼牛頓 拉普森法也得到了應(yīng)用； 1997年，張其敏使用了 MDOD(混合離散變量直接搜索法 )，該方法優(yōu)化效果好，速度快 :1991年，吳立峰考慮到數(shù)學(xué)模型中既有連續(xù)變量 (溫度 )，又有離散變 f (泵組合 )，將 MDCP法 (混合離散變 A組合型法 )應(yīng)用到了輸油管道的優(yōu)化運行上，該方法優(yōu)化速度快、優(yōu)化結(jié)果顯著 。后來有人采用幾種功能不同的算法進 行尋優(yōu)，以期獲得最佳運行方案。 (3) 泵組合和溫度優(yōu)化方面 1980年，吳長春等人對熱含蠟原油管道的經(jīng)濟運行方案的求解方法進行了探討，鄭國華等人也討論過低輸量管道的安全經(jīng)濟運行，金德馨則應(yīng)用動態(tài)規(guī)化算法闡述了輸油管道最佳運行方案的選擇方法訓(xùn)。 1986年起，東北輸油管理局與華東石油學(xué)院對鐵秦線輸油優(yōu)化運行進行了協(xié)作研究。同期，華東石油管理局也開始了對魯寧線 (山東臨邑至南京儀征 )低耗節(jié)能 (即開式流程優(yōu)化運行 )的工業(yè)試驗研究。由于鐵秦線和督寧線自投產(chǎn)后一直處于不滿負荷狀態(tài)下運行，而且實際輸量波動較大，因而在 輸量安排、輸油溫度選擇、管線與泵組合的合理匹配等方面，均為優(yōu)化運行提供了較寬的決策面，一但實現(xiàn)優(yōu)化運行，其效益就相當(dāng)可觀。這兩個研究項目都獲得了可喜的成果。 1991年，西南石油學(xué)院吳立峰的碩士論文對熱含蠟原油管道進行了優(yōu)化設(shè)計，采用的方法是混合離散變量復(fù)合形法，西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論 文 ) 4 有一定的研究價值。 1992年，蒲家寧運用動態(tài)規(guī)劃原理，針對密閉輸送工藝，簡明、扼要、具體的闡述了長輸管道優(yōu)化運行的分析與計算方法，有助于對輸油管道優(yōu)化運行的研究。 1992年，金崗、張心等對熱油管道優(yōu)化運行技術(shù)進行了探討，指出輸油管道的能耗及運行費用 除受油泵壓力和油品溫度變化影響外，還必須考慮動力和熱力設(shè)備在不同負荷下系統(tǒng)效率變化的影響。通過計算機系統(tǒng)的反饋驗證，找出了偏差并制定了能控制最小運行費用的新優(yōu)化運行方案。 1993年，重慶大學(xué)的王勇勤等將線性規(guī)劃法用于油田輸油泵站原油外輸機組的優(yōu)化運行，減少了原油外輸中油泵工況搭配和搭配機組運行時間的盲目性，有利于優(yōu)化運行。 1995年，王鑒光根據(jù)泵的機械特性，提出了泵站節(jié)能運行方案和泵速最優(yōu)節(jié)能控制算法，節(jié)約了電能，帶來了經(jīng)濟效益。目前遼河油田考慮到運行溫度決定了能耗費用，而運行費用中可變的參數(shù)就是能耗費用 ，所以對沱一鞍輸油管道的運行溫度進行了優(yōu)化計算，將中間加熱站改成了熱泵站，同時，也提高了沱 鞍輸油管道輸油能力，設(shè)計輸量為 500X104噸，優(yōu)化前輸量僅有 350 X104噸，優(yōu)化后輸量達到 7450 X104噸。通過實踐證明，優(yōu)化了運行溫度后，每年可節(jié)省能耗費用 ，如果管道較長，輸量較大，經(jīng)濟效果會更加明顯。 1998年，吳明等用最優(yōu)化方法計算了熱油輸送的經(jīng)濟溫度，對節(jié)能有重要意義。 2021年，魏安河等以慶鐵線新廟和牧羊泵站為例，提出通過運用降低進站溫度的方法，對降低油電消耗總費用的可行性進行了具 體分析，通過計算證明在保證低輸量的安全運行的前提下，降低進站溫度的方法對減少節(jié)流損失，降低輸油成本是完全可行的。我國雖然在輸油管道優(yōu)化運行方面的研究起步較晚，但其進步很快，儲運科技人員在不斷的朝著這個方向努力，建立了許多數(shù)學(xué)經(jīng)濟模型，尋求最優(yōu)運行鄉(xiāng)數(shù)和最優(yōu)運行方案，為節(jié)能降耗做出了重大貢獻。目前在這方面的研究還不是很完善，建立的模型都比較簡單，求解的方法也不是很先進，還有待于我們后來之人繼續(xù)研究和探討。 (4)軟件編制方面 1999年，清華大學(xué)的張信榮等以東辛含硫管道為例，對孤島原油和清河原油相混后的流變 性進行了研究，提出了一種計算東辛管道輸送混合原油粘度的新模型。將管道運行參數(shù)優(yōu)選和節(jié)能技術(shù)方案的研究相結(jié)合，建立了節(jié)能優(yōu)化的改造模型，開發(fā)了東辛管道優(yōu)化運行軟件，既考慮了管道運行能耗費用又考慮了投資改造費用，實現(xiàn)了優(yōu)化與改造方案相結(jié)合，該模型既可用于尋求最優(yōu)運行參數(shù)又可指導(dǎo)最優(yōu)改造方案。對我們的優(yōu)化運行研究很有幫助。 2021年，長江大學(xué)石油工程學(xué)院 張頂學(xué)等受長慶油田分公司第二輸油處委托，編制了集輸管線優(yōu)化軟件。該軟件界面友好、操作方便，功能全面，但其不足之處是在停輸時間的計算上還不夠準確，需要進一步完善。 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論 文 ) 5 管道優(yōu)化 及其軟件編制 的意義 節(jié)約能源 節(jié)約能源及提高經(jīng)濟效益是當(dāng)前國家對工交部門的兩項重要要求。石油企業(yè)既是能源生產(chǎn)企業(yè)，又是能源消耗大戶，僅輸油的能源消費就占生產(chǎn)成本的 50%,能源消耗費用是企業(yè)生產(chǎn)成本中重要的可控部分，降低單位產(chǎn)品的能源消耗是企業(yè)能否有效的控制生產(chǎn)成本的重要因素。能源的開發(fā)和合理利用是社會發(fā)展的源泉和戰(zhàn)略依據(jù)，并標(biāo)志和決定著一個國家的競爭實力