输油管线的同步优化设计

王 泉

（辽河油田曙光采油厂热注作业二区，辽宁盘锦 124010）

输油管线的同步优化设计

王 泉

（辽河油田曙光采油厂热注作业二区，辽宁盘锦 124010）

在输油管道的设计中，管径的确定与保温层厚度的计算是相互关联的、相互制约的。建立了外输管道总体优化设计的数学模型，并运用 Matlab 软件进行了编程求解，得到了最佳的管径、保温层厚度和起点温度，同时对数学模型中的非优化参数进行了敏感性分析。

优化设计；同步设计；输油管线

1 输油管道的传统设计法–分步设计法

输油管道设计主要内容包括：确定经济管径、站址和设备选型、工艺流程设计及输油成本计算；绘制首站及中间热泵站的工艺流程图、首站的平面布置图、泵房安装图、管道的纵断面图。

管道工艺设计的目的是根据设计委托书或设计任务书规定的输送油品的性质、输量及线路情况，确定管道的总体方案的主要参数：管径、泵站数及其位置等。工艺设计主要有工艺计算（加热输送管道还包括热力计算）及技术经济比较两部分。设计初始参数有计算温度、油品密度、油品黏度、计算流量、管道纵断面图、管材、保温层及其主要设备规格型号、技术经济指标等。

1.1 输油管道传统优化设计的过程

工艺设计时，首先根据经济流速范围确定最佳管径。下一步设计中还要对输送工艺、管子钢材等级和钢管类型、管壁厚度等进一步优选，以确定最佳设计方案。传统输油管道的优化设计过程如下：

1.1.1 优选管径

设计计算中，首先要初选管径。初选管径，常根据经济流速来计算。经济流速的单位与国民经济中各项费用的比值有关，我国目前对这些经济参数还缺乏总结。对热油管道而言，管径增大使散热量增大，热能费用增加。故热油管道的经济流速常比不加热的管道更高些。目前热油管道的经济流速为1.5～2.0m/s。此范围只供方案初选参考用。

1.1.2 确定和布置加热站、泵站

确定和布置加热站、泵站，主要是进行管道的热力计算和水力计算。

1.1.3 管道保温的选择

首先选定保温材料。保温材料确定后，保温层的厚度是影响技术经济指标的重要参数。管道传热系数减小，保温层厚度增大，都可以减少加热站或泵站投资，降低能耗，节约运行费用，但保温层的材料费、施工费增加。且保温层厚度增加至一定程度后，保温效果的提高就不太明显了。应通过技术经济比较确定保温层厚度。可选定几种不同的保温层厚度，计算相应的管道传热系数，对它们进行管道的热力、水力工艺计算，确定泵站、加热站及运行参数，计算其投资、经营费用，再对各方案进行技术经济比较，以确定最佳保温层厚度。

在某些特殊情况下，加热站间距及运行油温已定，求所需保温层厚度时，可由管道沿程温降公式计算所需求的管道传热系数之值，再根据管道的热阻计算公式可求得所需的保温层厚度。

2 输油管线的同步优化设计

2.1 基于热经济学原理的同步优化设计

2.1.1 同步优化设计的过程

基于热经济学原理的同步法是以热油管道及保温层的投资费用和运行费用最小为优化目标，同步设计完成管道的管径、壁厚和保温层厚度的输油管道优化设计方法。输油管道同步设计费用包括初始投资费用–管材投资、保温层投资等必要的辅助材料投资和施工费用等；管道投入运行后的运行费用–动力损耗费用、热力损耗费用及维修折旧费用等。同步设计法将管道管径、壁厚和保温层厚度这三个量的设计整合到同一个多目标非线性优化模型中，通过优化模型的求解，完成对输油管道及保温层的设计。

2.1.2 优化设计数学模型的建立

保温热油管道的总费用包括初始投资费用和运行费用。初始投资费又用包括管材投资、保温层投资、保温层保护层投资和施工费用投资；运行费用则主要包括管道投入运行后的动力损失费用和热力损失费用及施工费用等。以保温管道的年运行费用和投资的年分摊费用之和为目标函数，其最小值可表示为

式中：α——资金回收系数；

2.1.3 同步优化设计的特点

同步设计法克服了传统输油管道优化设计分布确定管道管径、壁厚和保温层厚度难以到达整体最优的问题。

但该方法也有相应的不足之处，其以经济最优为目标，而经济优化的难处在于各种费用的价格、贷款利率、还款年限等难于取准并且它们随时间而变化，因而其结果也有相应的变化幅度。因此这些经济因素可能会对优化结果造成一定的影响。

[1] 杨 筱 蘅 .输 油 管 道 设 计 与 管 理 [M].东 营 ：中 国 石 油 大 学 出 版 社，2006.

[2] 黄善波，徐明海，邢晓凯 .外输管道的总体优化设计 [J].油气储运，2002，21（5）.

[3] 吴双应 .对流换热过程的热力学分析及其应用 [D].重庆：重庆大学，2005.

Synchronous Optimization Design of Oil Pipeline

Wang Quan

In the design of the oil pipeline，the diameter of the determination and insulation layer thickness calculation is interrelated，mutual restraint.The mathematical model of the overall optimization design of the external pipeline is established and the optimal solution diameter，the thickness of the insulation layer and the starting point temperature are obtained by MATLAB software.The sensitivity analysis of the non-optimized parameters in the mathematical model is also carried out.

optimal design ；synchronous design ；oil pipeline

TP277

：A

：1003–6490（2017）07–0034–01

2017–05–22

王泉（1987—），男，辽宁盘锦人，助理工程师，主要从事石油工程方面的工作。