优化系统的构建及求解分析

赵振宇，吴 明，张默思，王 昊，王锡玉

（辽宁石油化工大学， 辽宁 抚顺 113001）

经济的发展意味着对于能源的需要，近年来多条跨国境、长距离输油管线相继投产[1-3]。在接下来的10年中，我国将计划新建约6.5×103km的原油管道，加上在役原油管道，管道总长度将达到约2×104km，将完成约每年5×108t管道总输油能力，对大型综合原油运输系统的最终形式将涵盖全国大多数石化企业[4-7]。面对管道建设如此巨大的投资和管道的优化运行，实现管道运行的可持续发展和节能降耗具有重要的意义[8-11]。

20世纪90年代，美国CNGT[12]公司，进行动态闭环、实时优化技术等相关实验，在役运行管道应用该方法后管道运行能耗减少了10%左右。

2003年，高松竹等[13]等建立了基于免疫遗传算法求解的等温输油管道的优化运行数学模型，并通过实例验证，结果表明该数学模型的优化有较高的效率和较好的性能，该模型等温输油管道优化设计过程中有较好的应用。

2008年，支淑民等[14]从节省能源和减少输油成本的目标出发，以石油运输成本最低为优化目标，建立了基于线性规划的两级阶梯管道优化模型。以东辛输油管线为实例进行大输量试验，完成管路和泵机组的最优匹配参数及最优输油温度的计算，并对得到的参数进行优化，制定了该输油管线最佳运行方式。

1 决策变量的确立

（1）工艺参数

管径D：其大小直接决定管线的铺设费用与管材投资费用以及影响热力损耗。管道壁厚gd：主要决定管道承压情况。加热站进、出站温度Rt，Zt：加热站进、出站温度Rt。加热站数Rn泵站数Cn：加热站数Rn泵站数Cn：主要受水利条件、热力条件的约束。保温层厚度bd：直接影响保温层投资费用。泵站机组扬程CH ：由管道能量H损失和管道输量G所决定，而且要充分利用管道承压能力。

（2）油品物性参数

油品的物性参数受温度的影响较大的有：油品的密度r、比热容 c、动力粘度m等，都与温度有函数关系。

（3）水力参数：管线摩阻损失 H、管道水力坡降i受管道运行温度T、管径D、流量G的影响。

（4）设备参数：加热炉效率Rh，泵机组效率Bh受设备型号以及组合方式，流量G的影响。

（5）热力参数：管道总传热系数K受保温层厚度db、管径D、管道内油品的流动状态、管线埋深h的影响。

（6）经济和其他参数：保温层，电力，管材，输油泵，燃料油及随着市场价格变化的加热炉等设备的价格参数；管线沿线的地形及水文参数，年任务输量 GN，管线总长度L，土壤性质等参数都不能随便改变的。

本文以管径D，管壁厚度dg，保温层厚度db，泵站数 nC，供热站数 nR，泵的扬程 HC，入口温度作为热输原油管道系统优化设计的决策变量[15]。

2 目标函数的确立及求解

热油管道优化的财务净现值是指：根据输油管道的建设项目基准利率，期间每年资金管道建设工程的计算流程，包括管道施工段管道年运行投资建设投资和年运行期间，折现的管道建设和期初的现值。费用现值的计算公式为[16]：

式中： In—第n年的全部投资；

C'—第n年的经营成本；

n

Sv—计算期末回收的固定资产余值；

W—计算期末回收的流动资金；

N—计算期或管道的寿命期；

iC—行业基准收益率。

第n年的全部投资费用nI指管道建设期间的所有投资费用总和。第n年的经营成本'nC 包括（1）全部职工工资支出（2）动力费用和燃料费用和其他费用。

热油管道优化设计的目标函数如下[17]：

式中: L—管道总长度，km；

D—管道外径，m；

dg—管壁厚度，m；

db—保温层厚度，m；

YB—保温层价格，元/m3；

Ygl—每千米管道基础建设投资，元/km。

作为管径D及壁厚gd的函数每公里管道基础建设投资glY，可以用多项式回归求得：

式中：a0，a1，a2—回归系数。

如果管道建设期k年，可依据总投资金额的百分比iq计算每年的石油管道基础设施的投资1I。

加热站与泵站的站场投资(2I)：

式中: SSZ—首站站场建设投资，万元；

SZZ—中间每座泵站建造投资，万元；

SRZ—每座加热站站场建设投资，万元；

SMZ—末站站场建设投资，万元；

nC—泵站数；

nR—加热泵站数。

若管道工程建设周期为k年，可按照总投资金额的百分比 qi完成泵站与加热站建设的每年投资计算。

热油管道年电力消耗费用(C1)：

式中: G —输送油品的质量流量，kg/s；

HCi—各个泵站的扬程，m；

YD—电价，元/(kW·h HCi)；

efc—机泵的总效率。

热油管道燃料油消耗费用(C2)：

式中: QRi—各个加热站的有效热负荷，J/s；

Y R —燃料油单价，元/t；

B H —燃料油的最低发热值，kJ/kg；

hR —加热炉效率。

总目标函数确立：

图1是拟设计的计算机编程的示意图：

图1 计算机编程的示意图Fig.1 Schematic diagram of computer programming

3 结束语

中国石油管道建在接下来的几年里将会迎来快速发展阶段, 不仅管道设计，以及建成后的管道运行和维护过程，都需要对热油管网或管道优化运行等方面进行研究。在管道设计阶段，将节能降耗作为输油管道方案优化的重要目标, 实现管道高效、经济输油才能够得到保证。

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