【文章內(nèi)容簡介】 的工程系統(tǒng)抽象成數(shù)學(xué)模型時(shí)，設(shè)計(jì)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(gè)至關(guān)重要的問題。較理想的數(shù)學(xué)模型應(yīng)盡可能準(zhǔn)確地反映工程實(shí)際問題，同時(shí)又便于處理。已投產(chǎn)運(yùn)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(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，如溫度、泵組合等。這樣影響輸油能耗的只有熱、動(dòng)力費(fèi)用，一般都以兩者費(fèi)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(yán)大凡、吳長春等考慮了油品的溫度沿管線真實(shí)分布及熱機(jī)和泵效率的影響，建立了包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(jí)子問題的動(dòng)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?jiān)鰪?qiáng)等建立了秦京輸油管道優(yōu)化運(yùn)行的動(dòng)態(tài)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，把全線總壓頭和全線總熱負(fù)荷在各站間進(jìn)行了最優(yōu)分配，提出了一種二維動(dòng)態(tài)規(guī)劃求解方法，在求解時(shí)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(diǎn)又兼顧了數(shù)學(xué)上的嚴(yán)密性。（2）優(yōu)化方法 [9，1315]用于優(yōu)化的方法很多,主要有：①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(yùn)算法等。②非線性規(guī)劃問題：計(jì)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(diǎn)法、黃金分割法、Fibonacci 法）、爬山法（變量輪換法、復(fù)合形法） 、隨機(jī)試驗(yàn)法等。數(shù)值法包括牛頓法、變尺度法、可行方向法、鞍點(diǎn)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(dòng)西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）6限制）近似規(guī)劃法（MAP）等。③動(dòng)態(tài)規(guī)劃問題：動(dòng)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(yùn)行研究所要解決的是如何確定各站最佳的進(jìn)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(yùn)行上的方法還不是很多。在我國輸油管道優(yōu)化運(yùn)行方面使用過的方法有：1991 年，嚴(yán)大凡、吳長春使用了動(dòng)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(jī)搜索產(chǎn)生 Powell 法的初始點(diǎn)，采用改進(jìn)的 法進(jìn)行一維搜索的方法；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） ，又有離散變量（泵組合） ，將 MDCP 法（混合離散變量組合型法）應(yīng)用到了輸油管道的優(yōu)化運(yùn)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(jìn)行尋優(yōu)，以期獲得最佳運(yùn)行方案。 論文研究的目的及意義能源的開發(fā)和合理利用是社會(huì)發(fā)展的源泉和戰(zhàn)略依據(jù)，并標(biāo)志和決定著一個(gè)國家的競爭實(shí)力和綜合實(shí)力。優(yōu)化能耗結(jié)構(gòu),節(jié)約能源是國家能源政策的重要內(nèi)容。因此，如何才能實(shí)現(xiàn)管道的安全運(yùn)行、低耗、節(jié)能、提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，這是科研攻關(guān)和運(yùn)行管理的大目標(biāo)。輸油管道的優(yōu)化運(yùn)行是降低輸油能耗的有效措施。在確保完成輸油任務(wù)的前提下通過對運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化，盡可能降低輸油能耗、降低輸送成本，尋求最經(jīng)濟(jì)的輸送條件。我國一些地區(qū)的輸油管道的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，對運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化完全可以使管道系統(tǒng)的能耗費(fèi)用降低。對一條輸油管道進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，主要是考慮動(dòng)力和熱力兩方面的能量損失。對應(yīng)某一個(gè)流量，一條熱油管道必然存在一個(gè)能耗最低的輸油溫度和輸油壓力，論文研究的目的就是確定最低能耗下合理的出站溫度和出站壓力。 除此之外，對于熱含蠟輸送管線，不可避免地要出現(xiàn)石蠟的沉積。一放面，蠟沉積層增大了油流至管壁的熱阻，使總傳熱系數(shù)增大，起到保溫的作用；另一方面，蠟沉積使管道流通面積減小，摩阻增大，嚴(yán)重時(shí)甚至形成“蠟堵” 。發(fā)生蠟堵以后壓力急劇上升，并可能造成管線停輸事故。管線中的蠟沉積層達(dá)到一定厚度時(shí)，就需要進(jìn)行清管，增大了管線的運(yùn)行費(fèi)用。然而，通過對蠟沉積規(guī)律以及管線沿程溫降規(guī)律進(jìn)行研究，將兩者結(jié)合起來進(jìn)行分析，就能得出管線出現(xiàn)集中析蠟的位置。這樣，提高輸送溫度或加設(shè)加熱站就能預(yù)西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）7防和解決“蠟堵”的問題。針對慶咸管線的管輸實(shí)際，提出這樣一系列問題：目前管道實(shí)施的運(yùn)行方案是否為最優(yōu)方案；現(xiàn)有的運(yùn)行參數(shù)是否合理；運(yùn)行參數(shù)的改善能否一定會(huì)導(dǎo)致管道的能耗費(fèi)用降低；在現(xiàn)有泵配置條件下，能否通過優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)改善該管道的運(yùn)行狀況；對于慶咸輸油管線，管線各個(gè)輸油站是否有必要在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上降低輸油溫度；從經(jīng)濟(jì)角度考慮，慶咸輸油管線的最優(yōu)出站溫度、出站壓力是多少；由于沿程溫降的影響，管線是否會(huì)發(fā)生蠟堵；如果有可能發(fā)生蠟堵，蠟堵的位置如何確定。要準(zhǔn)確回答這問些題，就必須對慶咸輸油管線進(jìn)行比較系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化研究。 論文的主要研究內(nèi)容為了對慶咸管線的出站溫度和壓力進(jìn)行優(yōu)化，并確定出可能發(fā)生蠟堵的位置，本文的設(shè)計(jì)研究做了以下的工作： 收集慶咸管線管輸?shù)南嚓P(guān)資料、含蠟原油管道輸送的設(shè)計(jì)理論與方法的參考資料以及加熱站、泵站在各種工況下的運(yùn)行參數(shù)等基礎(chǔ)資料。結(jié)合目前國內(nèi)外研究各項(xiàng)成果，參考相關(guān)文獻(xiàn)資料，利用油品物性等基礎(chǔ)參數(shù)和管線資料對整個(gè)輸油管線系統(tǒng)進(jìn)行全面地分析。在保證管道安全運(yùn)行前提下，以管道系統(tǒng)單位能耗費(fèi)用最小為目標(biāo)，考慮熱力損失和動(dòng)力損失兩方面的能量消耗，結(jié)合熱力學(xué)和流體力學(xué)的相關(guān)理論，對輸油管線系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析。根據(jù)實(shí)際情況確定優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，再編制程序，將慶咸管線的管輸實(shí)際參數(shù)帶入程序，計(jì)算出不同溫度、壓力下管線運(yùn)行的單位能耗。根據(jù)計(jì)算結(jié)果給出低單位能耗下經(jīng)濟(jì)合理的出站溫度和壓力等運(yùn)行參數(shù)。其次，考慮到由于沿程溫降而出現(xiàn)集中析蠟段有可能發(fā)生蠟堵的情況，根據(jù)溫降規(guī)律和蠟結(jié)晶規(guī)律，分析可能的蠟堵位置，并編制相應(yīng)的程序，計(jì)算出集中析蠟段在管道沿線所處的位置。 最后，根據(jù)程序運(yùn)行所計(jì)算出的數(shù)據(jù)提出合理的運(yùn)行參數(shù)，給出相應(yīng)的建議，為管線的現(xiàn)場運(yùn)行提供相應(yīng)的參考意見。西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）8第 2 章 慶咸管線基本參數(shù)的確定 慶咸管線基本數(shù)據(jù) 慶咸管線概況慶咸管線全長 248km，起點(diǎn)高程 1416m，終點(diǎn)高程 380m，全程高差 1036m，全線主要經(jīng)過了黃土塬、黃土殘塬、黃土梁塬溝壑、黃土臺(tái)塬、渭河平原、河谷臺(tái)階等 6 大地貌單元。沿線地形地勢較為平緩，全線敷設(shè)于陜西甘肅兩省，沿途經(jīng)慶城縣、慶陽市西峰區(qū)、寧縣、正寧縣、彬縣、旬邑、淳化、涇陽縣、咸陽化工區(qū)等2 區(qū) 7 縣。 管道外防腐采用環(huán)氧粉末涂層，不考慮內(nèi)襯；管道保溫采用聚氨酯泡沫塑料“黃夾克” ，保溫厚度 30mm。 距西二聯(lián) 104km 處設(shè)中間清管站一座，全線共設(shè)截?cái)嚅y室 12 座。 全線采用加劑加熱處理降凝密閉輸送工藝。管徑采用 L360Φ377 規(guī)格，綜合設(shè)計(jì)壓力為 10MPa，大泵輸油一泵到底，中間不設(shè)加溫加壓站。最高出站設(shè)計(jì)溫度為 60℃，加劑最低進(jìn)站溫度為 12℃，管道中心埋設(shè)地溫為 3℃。 2022 年底西一聯(lián)至西二聯(lián)起輸量為 3231t/d，2022 年年輸量為104t/a；2022 年底西二聯(lián)至咸陽末站起輸量為 5115t/d，2022 年年輸量為104t/a。原油含水 ％，原油密度 850kg/m3，平均比熱 2022J/kg℃。 管線高程慶咸管線縱剖面資料均按設(shè)計(jì)的管線里程—高程數(shù)據(jù)收集，由長慶油田第二輸油處提供。具體數(shù)據(jù)如表 21 所示。慶咸管線高程圖如圖 21 所示。表 21 慶咸管線里程—高程數(shù)據(jù)里程（km） 0 14 40 85 92 102 120 132西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）9高程（m） 1416 1367 1360 1140 1150 1193 1167 1153備注 西一聯(lián) 西二聯(lián)里程（km） 149 161 182 193 212 234 260高程（m） 1148 1083 1120 968 815 502 488 380備注 中間清管站圖 21 慶咸管線高程圖 環(huán)境地溫慶 咸 管 線 無 系 統(tǒng) 的 地 溫 觀 測 資 料 ， 第 二 輸 油 處 只 提 供 了 最冷時(shí)管道中心埋設(shè)地溫為 3℃，為此，本研究計(jì)算過程中只對最冷時(shí)期的工況進(jìn)行計(jì)算分析。 原油的平均溫度原油的平均溫度按下式計(jì)算： （21）PRZ12T= + 3——原油進(jìn)站油溫，℃；R——原油出站油溫，℃。Z西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）10 原油的物性參數(shù)油品在流動(dòng)過程中，其溫度不斷變化。粘度、密度、熱容均為溫度的函數(shù)。尤其是當(dāng)進(jìn)出站溫差較大時(shí)，油品物性的變化幅度也大，所以需要確定物性參數(shù)和溫度之間的關(guān)系，以保證水力計(jì)算和熱力計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。 油樣的制備（1）原始混合油樣的配制：慶咸管線所輸送的原油，前期為白馬、董志（1：1）的混合油，后期為西一聯(lián)、吳旗、靖二聯(lián)（16：4：1）的混合油。實(shí)驗(yàn)前，用現(xiàn)場提供的白馬、董志、西一聯(lián)、吳旗、靖二聯(lián)的油樣按照混合比進(jìn)行混合油樣的配制。①用電子秤（精度 克）按比例稱取油樣；②將該混合油用 HJ5 強(qiáng)力電動(dòng)攪拌器進(jìn)行間歇攪拌 3 小時(shí)。 ③混合油樣的預(yù)處理：為取得組成和構(gòu)成狀態(tài)相同的基礎(chǔ)油樣，保證室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性和可比性，需要對油樣進(jìn)行預(yù)處理以消除原油對以前的“記憶”效應(yīng)。將混合原油恒溫存放 24 小時(shí)。（2）降凝劑的配制現(xiàn)場提供的降凝劑為廊坊石油管道局生產(chǎn)的油溶性顆粒型降凝劑，需將降凝劑投放到原油中，加熱到 80℃以上，溶解 12 小時(shí)，配成藥劑使用?，F(xiàn)場降凝劑的使用濃度為：5115t/d 的輸量，輸送 210 天，共用降凝劑 20 噸，計(jì)算為 。實(shí)驗(yàn)中，降凝劑的配制使用按照現(xiàn)場的使用條件進(jìn)行。①按比例稱取原油和顆粒狀固體降凝劑。②倒入錐形燒瓶中，放在電熱電磁攪拌器上，溫度控制在 80℃，連續(xù)攪拌 24小時(shí)，直至顆粒狀固體降凝劑完全均勻地溶解。③按比例稱取混合油及降凝劑溶液，配成 的油樣。然后放在電熱電磁攪拌器上攪拌，溫度保持在 80℃上約 3 分鐘，然后，連續(xù)攪拌并緩慢至 15℃，制樣完成。 原油的基本物性參數(shù)（1）原油的密度任意溫度下油品的密度按式（22）換算： = － （t－20） （22t?20?）式中： ， ——溫度為 t 及 20℃時(shí)油品密度，kg/ ；t?20 3m——溫度系數(shù)，kg/（ ℃ ） ；?3=－ 20?本論文中的密度均以長慶油田提供的數(shù)據(jù) 進(jìn)行計(jì)算。3/850kg?西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）11（2）原油的運(yùn)動(dòng)粘度油品的粘溫特性一般呈指數(shù)關(guān)系，但不同油品的粘溫特性差別很大，有關(guān)文獻(xiàn)中所給出的粘溫公式的通用性是有限的。為了與管線的實(shí)際情況相匹配，在實(shí)際計(jì)算使用時(shí)，我們采用利用實(shí)測數(shù)據(jù)由Orign50 軟件擬合出的粘—溫關(guān)系式。（3）原油的比熱容原油的比熱容是一個(gè)隨溫度變化而變化的量，其變化規(guī)律取決于油品的化學(xué)成分，通過對我國幾個(gè)主要油田生產(chǎn)的原油的熱容特性分析，可將熱容隨溫度變化的特性分為三個(gè)區(qū)。對于含蠟原油:當(dāng)油溫低于析蠟溫度時(shí)，由于蠟晶析出放出結(jié)晶潛熱，將析蠟潛熱的影響記入在比熱容中，比熱容隨溫度的共同變化趨勢如圖 22：圖 22 含蠟原油比熱容隨溫度的變化根據(jù)含蠟原油比熱容隨溫度變化的趨勢，可以按析蠟點(diǎn)溫度 Tsl、最大比熱容溫度 Tcmax 將 c—T 曲線分為三個(gè)區(qū)域:①當(dāng)溫度高于析蠟溫度時(shí)為 I 區(qū)，此時(shí)熱容可由下式求得： C= （+ T）/ （23310?310154?）式中：C ——溫度為 T 時(shí)油品的熱容，kJ/(kg )；C?——溫度為 15 時(shí)油品的相對密度。154?C?②當(dāng)溫度低于析蠟溫度，高于達(dá)到熱容最大值的溫度時(shí)為 II 區(qū)，熱容可由下式求得: C= I－A （24nTe）③當(dāng)溫度低于達(dá)到熱容最大值溫度時(shí)為 III 區(qū)，熱容可由下式求得：西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）12 C= I－B （25mTe）式（24 ） 、 （25）中：I——常數(shù)，取 (kgK)；A、B——取決于油品化學(xué)組成的常數(shù)，kJ/(kgK)；m、n——取決于油品組成的常數(shù)，1/K。此外，油品熱容可通過實(shí)測數(shù)據(jù)采用多項(xiàng)式回歸求解： （2iniTAc??16）在原油輸送的熱力和水力計(jì)算過程中，需知道的參數(shù)有原油和管壁鋼材的比熱容。本論文中的比熱容均以長慶油田提供的數(shù)據(jù)計(jì)算，現(xiàn)場提供的常用值?。涸偷谋葻崛?c=2022 J/(kg℃)；鋼材的比熱容 cg=300J/(kg℃)。 油樣凝點(diǎn)的測定依據(jù) GB510