熱油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)研究

熱油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)研究中圖分類(lèi)號(hào)：ＴＥ８３２單位代碼：１０４２５學(xué)號(hào)：Ｓ０８０６０８２２◎寸閨石油六ｊ爹碩±學(xué)位論文ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍＭａｓｔｅｒＤｅｇｒｅｅＴｈｅｓｉｓＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＯｉｌＰｉｐｅｌｉｎｅＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎ學(xué)科專(zhuān)業(yè)：油氣儲(chǔ)運(yùn)工程研究方向：油氣長(zhǎng)距離管輸技術(shù)作者姓名：高書(shū)光指導(dǎo)教師：安家榮副教授二。一一年五月ⅢＹⅢ８Ⅲ，Ⅲ６川●川，ｍｌＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＯｉｌＰｉｐｅｌｉｎｅＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎＡＴｈｅｓｉｓＳｕｂｍｉｔｔｅｄｆｏｒｔｈｅＤｅｇｒｅｅｏｆＭａｓｔｅｒＣａｎｄｉｄａｔｅ：ＧａｏＳｈｕｇｕａｎｇＳｕｐｅｒｖｉｓｏｒ：Ｐｒｏｆ．ＡｎＪｉａｒｏｎｇＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰｉｐｅｌｉｎｅａｎｄＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ〔ＥａｓｔＣｈｉｎａ〕關(guān)于學(xué)位論文的獨(dú)創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果，論文中有關(guān)資料和數(shù)據(jù)是實(shí)事求是的。盡我所知，除文中已經(jīng)加以標(biāo)注和致謝外，本論文不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的研究成果，也不包含本人或他人為獲得中國(guó)石油大學(xué)〔華東〕或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷證書(shū)而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)研究所做的任何奉獻(xiàn)均已在論文中出了明確的說(shuō)明。假設(shè)有不實(shí)之處，本人愿意承擔(dān)相關(guān)法律責(zé)任。學(xué)位論文作者簽名：ｊ毫阻日期：如７／年ｆ月；／日學(xué)位論文使用授權(quán)書(shū)本人完全同意中國(guó)石油大學(xué)〔華東〕有權(quán)使用本學(xué)位論文〔包括但不限于其印刷版和電子版〕，使用方式包括但不限于：保存學(xué)位論文，按規(guī)定向國(guó)家有關(guān)部門(mén)〔機(jī)構(gòu)〕送交學(xué)位論文，以學(xué)術(shù)交流為目的贈(zèng)送和交換學(xué)位論文，允許學(xué)位論文被查閱、借閱和復(fù)印，將學(xué)位論文的全部或局部?jī)?nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存學(xué)位論文。保密學(xué)位論文在解密后的使用授權(quán)同上。學(xué)位論文作者簽日期：少ｆ／年５－月歲／日，指導(dǎo)教師簽名：Ｒ期：山，／年／月７同摘要長(zhǎng)距離熱油管道的建設(shè)關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的開(kāi)展，不僅工程建設(shè)投資巨大，建成后每年的運(yùn)行費(fèi)用也很大。如何對(duì)長(zhǎng)距離熱油管道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)減少管道建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用，還有許多值得研究探索和改進(jìn)的地方。本文首先對(duì)國(guó)內(nèi)外油氣管道優(yōu)化設(shè)計(jì)工作進(jìn)行了分析和研究。以長(zhǎng)距離無(wú)分支熱油管道為研究對(duì)象，根據(jù)原油長(zhǎng)輸工藝?yán)碚摵妥顑?yōu)化原理，確定了以管徑Ｄ，管壁厚度萬(wàn)。、保溫層厚度甌、泵站數(shù)％、加熱站站數(shù)／ＩＲ、進(jìn)站溫度，ｚ、泵站揚(yáng)程Ⅳ。．為決策變量，考慮到資金時(shí)間的價(jià)值性，以熱油管道的建設(shè)費(fèi)用現(xiàn)值為目標(biāo)函數(shù)，綜合考慮管道設(shè)計(jì)的熱力約束、水力約束、強(qiáng)度約束和泵特性約束，建立了熱油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型。在熱油管道的工藝計(jì)算中，采用離散溫度法計(jì)算沿程溫降，在每步計(jì)算段，及時(shí)對(duì)流態(tài)進(jìn)行判斷，計(jì)算原油物性參數(shù)、沿程水力迫降、管線傳熱系數(shù)等參數(shù)等，提高了計(jì)算精度。由于所建立的熱油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型為混合離散變量非線性約束優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，難以求解。通過(guò)比照優(yōu)化計(jì)算方法的優(yōu)缺點(diǎn)，確定采用遺傳算法對(duì)熱油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，系統(tǒng)闡述了求解思路，并設(shè)計(jì)了求解步驟。本文以某長(zhǎng)距離熱油輸送管道為例，設(shè)計(jì)輸量為１５００萬(wàn)噸／年，用Ｃ＋＋Ｂｕｉｌｄｅｒ平臺(tái)進(jìn)行編寫(xiě)計(jì)算程序，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)比照計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證了本文所建立的數(shù)學(xué)模型與求解方法的可靠性和實(shí)用性。從結(jié)果上來(lái)看，進(jìn)出站溫度對(duì)優(yōu)化方案影響較大，在優(yōu)化計(jì)算過(guò)程后期，根本上就是對(duì)進(jìn)出站溫度的優(yōu)化計(jì)算，說(shuō)明進(jìn)出站溫度的優(yōu)化在管道優(yōu)化設(shè)計(jì)中處于重要地位。本文對(duì)熱油管道的運(yùn)行優(yōu)化也具有一定的借鑒意義。關(guān)鍵詞：熱油管道，優(yōu)化設(shè)計(jì)，遺傳算法，數(shù)學(xué)模型ＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＯｉｌＰｉｐｅｌｉｎｅＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎＧａｏＳｈｕｇｕａｎｇ〔Ｏｉｌ＆ＧａｓＳｔｏｒａｇｅａｎｄＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ〕ＤｉｒｅｃｔｅｄｂｙＡｓｓｏｃｉａｔｅｄＰｒｏｆｅｓｓｏｒＡｎＪｉａｒｏｎｇＡｂｓｔｒａｃｔＬｏｎｇ—ｄｉｓｔａｎｃｅｏｉｌｐｉｐｅｌｉｎｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｉｓｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｈｅｅｃｏｎｏｍｉｃｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｃｏｕｎｔｒｙ．Ｎｏｔｏｎｌｙｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｉｓａｏｕｒｈｕｇｅｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ，ｉｔｉｓａｌｓｏａｌａｒｇｅｃｏｓｔｏｎｔｈｅａｎｎｕａｌｏｐｅｒａｔｉｎｇａｆｔｅｒｔｈｅｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎ．Ｉｔｉｓｗｏｒｔｈｔｏｍａｋｅｅｘｐｌｏｒｉｎｇｐｉｐｅｌｉｎｅ’Ｓｂｕｉｌｄｉｎｇｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔａｎｄｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｏｄｅｃｒｅａｓｅｏｉｌａｎｄｏｐｅｒｍｉｎｇｆｅｅｂｙｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎ．ｏｎＴｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｍａｄｅａｎａｌｙｓｅｓａｎｄｓｔｕｄｉｅｓｔｈｅａｃｔｕａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｌｏｎｇｄｉｓｔａｎｃｅｐｉｐｅｌｉｎｅａｓｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎｏｆｗｏｒｌｄｗｉｄｅｆｉｒｓｔｌｙ．Ｔａｋｉｎｇｔｈｅｌｏｎｇｄｉｓｔａｎｃｅｈｅａｔｅｄｏｉｌｐｉｐｅｌｉｎｅｓｔｕｄｙｏｂｊｅｃｔ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｌｏｎｇｄｉｓｔａｎｃｅｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎｔｈｅｏｒｙａｎｄｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ａｈｅａｔｅｄｏｉｌｐｉｐｅｌｉｎｅｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎｍｏｄｅｌｗａｓｆｏｕｎｄｅｄ．Ｉｎｔｈｅｍｏｄｅｌ，ｔｈｅｖａｒｉａｂｌｅｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇＤ〔ｏｕｔｓｉｄｅｄｉａｍｅｔｅｒｏｆｐｉｐｅｌｉｎｅ〕、６ｓ〔ｗａｌｌｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｐｉｐｅｌｉｎｅ〕、６ｂ〔ｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｉｎｓｕｌｔｌａｙｅｒ〕、胛Ｒ〔ａｍｏｕｎｔｏｆｔｈｅｈｅａｔｉｎｇｓｔａｔｉｏｎｓ〕、刀ｃ〔ａｍｏｕｎｔｏｆｔｈｅｐｕｍｐｓｔａｔｉｏｎｓ〕、，ｚ〔ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｔｔｈｅｉｎｌｅｔｏｆｅｖｅｒｙｈｅａｔｉｎｇｓｔａｔｉｏｎ〕ａｎｄＨ〔，〔ｔｈｅｌｉｆｔｏｆｅｖｅｒｙｐｕｍｐｓｔａｔｉｏｎｓ〕．．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｔｉｍｅｃｏｓｔｖａｌｕｅｏｆｔｈｅｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ，ｗｅｃｈｏｏｓｅｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｖａｌｕｅｏｆｔｈｅａｓｏｆｔｈｅｈｅａｔｅｄｏｉｌｐｉｐｅｌｉｎｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｔｈｅｏｂｊｅｃｔｉｖｅｆｕｎｃｔｉｏｎ．Ｗｅｒｏｕｎｄｌｙｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ，ｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ，ｓｔｒｅｎｇｔｈｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ，ａｎｄｐｕｍｐ’Ｓｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｏｎｓｔｒａｉｎｓ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ，ｗｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｒｏｐａｌｏｎｇｔｈｅｌｉｎｅｂｙｄｉｓｃｒｅｔｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｔｈｅｈｅａｔｅｄｏｉｌｐｉｐｅｌｉｎｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ．Ｉｎｅａｃｈｓｔｅｐ，ｗｅｈａｖｅｔｏｊｕｄｇｅｔｈｅｆｌｏｗｐａｔｔｅｒｎｆｒｏｍｔｉｍｅｔｏｔｉｍｅ，ａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｅｏｔｈｅｒａｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓｓｕｃｈｔｈｅｐｈｙｓｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｏｆｏｉｌ、ｈｙｄｒａｕｌｉｃｌａｎｄｉｎｇａｌｏｎｇｔｈｅｗａｙ，ｔｈｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｔｈｅｐｉｐｅｌｉｎｅ．Ｉｔｉｓｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｐｒｏｂｌｅｍａｓｔｈｅｍｏｄｅｌｗｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｆｏｒｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｏｆｏｉｌｐｉｐｅｌｉｎｅｃｏｎｔａｉｎｓｄｉｓｃｒｅｔｅｖａｒｉａｂｌｅｓｃｏｍｐａｒｉｎｇｔｈｅａｎｄｎｏｎｌｉｎｅａｒｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ．Ｂｙａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ，ｗｅｄｅｃｉｄｅｄｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｏｆｏｉｌｐｉｐｅｌｉｎｅｂｙＧＡ〔ｇｅｎｅｔｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍ〕．Ｗｅｅｘｐｏｕｎｄｅｄｔｈｅｔｈｉｎｋｉｎｇｏｆｔｈｅｓｏｌｕｔｉｏｎａｎｄｄｅｓｉｇｎｅｄａｓｏｌｖｉｎｇｐｒｏｃｅｄｕｒｅ．Ａｔｌａｓｔ，ｔａｋｉｎｇａｃｅｒｔａｉｎｌｏｎｇｄｉｓｔａｎｃｅｈｅａｔｅｄｐｉｐｅｌｉｎｅａｓｅｘａｍｐｌｅ，ａｍｏｄｕｌｅｉｓｐｒｏｇｒａｍｍｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｃｏｍｐｕｔｅｒｌａｎｇｕａｇｅＣ＋＋Ｂｕｉｌｄｅｒ６．０．ＯｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎｗａｓｍａｄｅｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｃｏｍｐｕｔｅｒａｌｇｏｒｉｔｈｍｌａｎｇｕａｇｅＣ＋＋．Ｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎｄｐｒａｃｔｉｃａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌａｎｄｓｏｌｖｉｎｇｍｅｔｈｏｄａｒｅａｐｐｒｏｖｅｄｂｙｃｏｍｐａｒｉｎｇｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｒｅｓｕｌｔｓ．Ｆｒｏｍｔｈｅｒｅｓｕｌｔ，ｗｅｃａｎｓｅｅｔｈａｔｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｏｕｔｏｆｓｔａｔｉｏｎｓｈａｖｅａｇｒｅａｔｉｍｐａｃｔｉｎｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ．Ｉｎｔｈｅｌａｔｅｏｆｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ，ｉｔｉｓｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｓｔａｔｉｏｎｓ．Ｓｏ，ｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｓｔａｔｉｏｎｓｉｓｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｉｓａｌｓｏｕｓｅｆｕｌｆｏｒｔｈｅｏｉｌｐｉｐｅｌｉｎｅｏｐｔｉｍａｌｏｐｅｒａｔｉｏｎｔｏｓｏｍｅｅｘｔｅｎｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｈｏｔｏｉｌｐｉｐｅｌｉｎｅ，Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎ，Ｇｅｎｅｔｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌ目第一章錄前言………………．．１１．１課題研究目的和意義…………………．．１１．２最優(yōu)化問(wèn)題……………．．１１．３國(guó)內(nèi)外熱油管道優(yōu)化研究現(xiàn)狀………．．４１．４本文主要研究對(duì)象與內(nèi)容……………．．７第二章熱油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型………８２．１決策變量確實(shí)定………………………一８２．２模型假設(shè)條件…………～９２．３目標(biāo)函數(shù)的建立………………………１０２．４管徑規(guī)格初選模型……………………１５２．４．１管道壁厚度約束條件……………．１５２．４．２管道的剛度約束條件……………．１５２．４．２經(jīng)濟(jì)流速約束條件………………．１６２．５約束條件的建立………………………１６２．５．１管道強(qiáng)度約束條件………………．１６２．５．２泵站特性約束條件………………．１７２．５．３熱力約束條件……………………．１９２．５．４水力約束條件……………………．２０２．６熱油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型…………２０２．７本章小結(jié)………………２１第三章熱油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型求解………………一２２３．１選擇優(yōu)化算法…………２２３．２遺傳算法根本概念……………………２２３．２．１遺傳算法的特點(diǎn)…………………．２３３．２．２標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法的根本步驟………．２３３．３熱油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)模型求解方案……………………２４３．３．１管徑初選方案……………………．．２４３．３．２決策變量編碼……………………．２４３．３．３初始種群的設(shè)計(jì)…………………．２６３．３．４適應(yīng)度的設(shè)計(jì)及其調(diào)整…………．２７３．３．５溫降離散法計(jì)算沿程能量損失…………………．２８３．３．６遺傳操作的設(shè)計(jì)…………………．３９３．３．７遺傳算法終止條件判斷…………．４２３．３．８站址確定…………．．４２３．４熱油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)求解流程…………４２３．５本章小結(jié)………………４３第四章軟件程序編制與算例分析………．．４５４．１軟件程序設(shè)計(jì)說(shuō)明……………………４５４．１．１參數(shù)錄入模塊……………………．４５４．１．２參數(shù)關(guān)系式擬合模塊……………．４６４．１．３管徑初選模塊……………………．４６４．１．４優(yōu)化計(jì)算模塊……………………．４６４．１．５站址布置與設(shè)備選型模塊………．４６４．２算例根本數(shù)據(jù)資料……………………４６４．３算例根底數(shù)據(jù)擬合……………………４９４．３．１粘溫曲線關(guān)系……………………．４９４．３．２比熱容．溫度關(guān)系…………………４９４．３．３泵特性擬合………………………．．４９４．３．４遺傳算法參數(shù)……………………．５０４．４算例優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果及其分析…………５ｌ４．４．１管徑規(guī)格初選……………………．５ｌ４．４．２優(yōu)化計(jì)算結(jié)果及比照分析………．５１４．４．３站址調(diào)整與泵、加熱爐選型……………………．５５４．４．４優(yōu)化設(shè)計(jì)影響因素分析…………．５６４．４本章小結(jié)………………５８第五章結(jié)論………………５９參考文獻(xiàn)………………………６０致謝…………………………６３中困石油人學(xué)〔華東〕碩ｆ：學(xué)位論文第一章１．１課題研究目的和意義前言隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速開(kāi)展，我固對(duì)石油、天然氣的依賴(lài)性越來(lái)越大。目前我國(guó)東部地區(qū)石油、天然氣產(chǎn)量已經(jīng)進(jìn)入遞減階段，而西部地區(qū)的長(zhǎng)慶油田、塔罩木油田等石油產(chǎn)量逐年增加，以及我國(guó)與俄羅斯、哈薩克斯坦等國(guó)的石油進(jìn)口工程也得到了落實(shí)。管道運(yùn)輸因具有運(yùn)輸量大、密閉平安、能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行、能耗少、運(yùn)費(fèi)低、便于管理、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和遠(yuǎn)程集中監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)，成為石油、天然氣這種大量、單向、定點(diǎn)運(yùn)輸?shù)攘黧w的首要運(yùn)輸方式。因而長(zhǎng)距離輸油管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的開(kāi)展有著重大意義。從世界范圍來(lái)看，長(zhǎng)距離輸油管道向著大口徑、高壓力的大型化輸油管道的方向開(kāi)展。大型化的長(zhǎng)輸管道建設(shè)根底建設(shè)投資巨大，管道建成后的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用也是不容無(wú)視的。尤其是我國(guó)的高粘易凝原油多采用加熱輸送，一般管道加熱所損耗的燃料油占管道所輸原油的ｌ～３％左右。因此，在管道建設(shè)規(guī)劃設(shè)計(jì)階段不僅要考慮到根底建設(shè)費(fèi)用，還要考慮到管道運(yùn)行費(fèi)用ｌｌＪ。將長(zhǎng)距離輸油管道工程經(jīng)濟(jì)利益作為研究對(duì)象，在保證完成任務(wù)輸量的前提下，把管道運(yùn)輸工程技術(shù)與經(jīng)濟(jì)有機(jī)的結(jié)合為一體，對(duì)各種設(shè)計(jì)方案經(jīng)濟(jì)效果，采用各種定量計(jì)算、定性分析、統(tǒng)計(jì)比較和綜合評(píng)價(jià)，對(duì)長(zhǎng)距離管道系統(tǒng)做最優(yōu)化分析。影響長(zhǎng)距離輸油管道設(shè)計(jì)的因素很多，包括所輸送原油的物理性質(zhì)、管道本身的工藝條件、運(yùn)行參數(shù)、沿線地理環(huán)境和經(jīng)濟(jì)參數(shù)等?？紤]因素多，產(chǎn)生的可行性設(shè)計(jì)方案就多，難以用一般的數(shù)學(xué)方法求解。隨著應(yīng)用數(shù)學(xué)技術(shù)的開(kāi)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者將最優(yōu)化理論和最優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用在長(zhǎng)距離輸油管道設(shè)計(jì)中，并取得豐碩的研究成果。根據(jù)長(zhǎng)距離輸油管道設(shè)計(jì)的實(shí)際問(wèn)題，分析管道設(shè)計(jì)中的各種參數(shù)，構(gòu)造長(zhǎng)距離輸油管道設(shè)計(jì)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，采用合理的最優(yōu)化方法求解數(shù)學(xué)模型，并對(duì)最終結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，找出最優(yōu)和次優(yōu)設(shè)計(jì)方案。１．２最優(yōu)化問(wèn)題在實(shí)際工作中，為了完成一項(xiàng)任務(wù)或解決某個(gè)問(wèn)題往往可采取多種不同的方案，我們把他們都稱(chēng)為可行方案。雖然所有可行方案都可以到達(dá)預(yù)期的根本目的，但我們可以第一章前言按照某種標(biāo)準(zhǔn)對(duì)方案的優(yōu)劣做出評(píng)價(jià)，一般來(lái)說(shuō)不同的方案將導(dǎo)致不同的效果。從眾多可行方案中找出最合理方案或最優(yōu)方案以到達(dá)最優(yōu)效果，即是所謂的最優(yōu)化問(wèn)題。求解最優(yōu)化問(wèn)題的方法叫做最優(yōu)化方法。從數(shù)學(xué)上講，最優(yōu)化問(wèn)題的實(shí)質(zhì)就是求函數(shù)的極值或條件極值，根據(jù)問(wèn)題的性質(zhì)可分為最小化問(wèn)題和最大化問(wèn)題。利用最優(yōu)化方法解決實(shí)際問(wèn)題的一般步驟如下：一、提出優(yōu)化問(wèn)題，收集相關(guān)數(shù)據(jù)與資料；二、選取變量，明確目標(biāo)函數(shù)和約束條件，構(gòu)造最優(yōu)化問(wèn)題數(shù)學(xué)模型；三、分析數(shù)學(xué)模型，選擇適宜的最優(yōu)化方法；四、編制計(jì)算程序求得最優(yōu)解；五、對(duì)最優(yōu)解進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。為了求解最優(yōu)化問(wèn)題，首先要建立問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型，一般應(yīng)該符合以下要求：〔１〕現(xiàn)實(shí)性：模型在一定程度上反映系統(tǒng)的客觀實(shí)際情況；〔２〕簡(jiǎn)潔性：在保證必要精度的前提下，模型應(yīng)盡量簡(jiǎn)單明了，便于求解；〔３〕適應(yīng)性：當(dāng)系統(tǒng)外部條件變化時(shí)，模型應(yīng)具有一定的適應(yīng)能力。數(shù)學(xué)模型包括兩局部?jī)?nèi)容，即目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式和約束條件，用函數(shù)、方程式和不等式來(lái)描述所求解的最優(yōu)化問(wèn)題。其一般形式為：式中：ｏｐｔ．為ｏｐｔｉｍｉｚｅ的縮寫(xiě)，假設(shè)是最小化問(wèn)題ｎ－］＇胤ｍｉｎ．，最大化問(wèn)題可以寫(xiě)成豇ｏｐｔ。募ｉ竺：：：０：了蠹’ｉ：１～ｍｓＪ．ｇ，〔ｘｌ，ｘ２，ｘ３，…，ｘ?！场荩希健恚?，、’ｍａｘ．：ｓａｔ．為ｓｕｂｊｅｃｔｔｏ的縮寫(xiě)，即約束條件；ｆ〔ｘ１，ｘ２，Ｘ３，…，％〕為目標(biāo)函數(shù)；呂〔ｘｌ，ｘ２，Ｘ３，…，Ｘｎ〕≥０扛１～ｍ為約束函數(shù)。在數(shù)學(xué)模型中，目標(biāo)函數(shù)是實(shí)際問(wèn)題最優(yōu)準(zhǔn)那么的數(shù)量描述，目標(biāo)函數(shù)值直接用于評(píng)價(jià)一個(gè)方案的優(yōu)劣程度。對(duì)于工程優(yōu)化問(wèn)題，最優(yōu)準(zhǔn)那么通常包括系統(tǒng)性能準(zhǔn)那么和經(jīng)濟(jì)準(zhǔn)那么兩類(lèi)。系統(tǒng)性能準(zhǔn)那么是指使系統(tǒng)的某些性能指標(biāo)〔如功率、效率等〕到達(dá)最大或最小。經(jīng)濟(jì)準(zhǔn)那么是指使系統(tǒng)的某些經(jīng)濟(jì)指標(biāo)到達(dá)最優(yōu)，如利潤(rùn)最大、能耗最低、本錢(qián)最低等。約束條件定量地描述了系統(tǒng)中諸因素之間及系統(tǒng)與環(huán)境之間相互聯(lián)系、相互制約的關(guān)系。根據(jù)約束條件的性質(zhì)和形式，工程問(wèn)題的約束條件主要有以下幾種類(lèi)型：〔１〕物理約束：反映系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)遵循的物理規(guī)律，它可以是等式，也可以是不等式。例如熱油管道運(yùn)行過(guò)程中站間管段的溫降關(guān)系或壓降關(guān)系是一個(gè)等式形式的物２中國(guó)石油人學(xué)〔華東〕碩Ｌ－學(xué)位論文理約束，而任一加熱站的出站溫度必須高于該站的進(jìn)站溫度這一條件那么構(gòu)成一個(gè)不等式形式的物理約束?！玻病硯缀渭s束：描述了系統(tǒng)內(nèi)部及系統(tǒng)與環(huán)境之間的幾何關(guān)系。例如圓柱型油罐的直徑與高度之間必須滿足一定的幾何關(guān)系?！玻场承阅芗s束：反映了對(duì)系統(tǒng)的某些性能指標(biāo)的具體要求。例如熱油管道優(yōu)化運(yùn)行問(wèn)題中各站進(jìn)站溫度不得低于工藝要求的最低值等。〔４〕邊界約束：也叫上、下限約束，它限制了模型中變量的取值范圍。其形式為不等式，是最簡(jiǎn)單的一種約束條件。例如熱油管道優(yōu)化運(yùn)行問(wèn)題中要求各站出站溫度不超過(guò)規(guī)定的上限值就是一個(gè)邊界約束。一般來(lái)說(shuō)，實(shí)際最優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型大多帶有邊界約束。最優(yōu)化方法屬于運(yùn)籌學(xué)的范疇，根據(jù)不同的分類(lèi)方法可以分為多種類(lèi)型：按最優(yōu)解是一組數(shù)還是函數(shù)分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)最優(yōu)化問(wèn)題；按最優(yōu)準(zhǔn)那么的數(shù)目分為單目標(biāo)和多目標(biāo)最優(yōu)化問(wèn)題；根據(jù)問(wèn)題本身提供信息的準(zhǔn)確程度分為確定性和非確定性最優(yōu)化〔隨機(jī)性〕問(wèn)題；根據(jù)有無(wú)約束可分為有約束和無(wú)約束最優(yōu)化問(wèn)題；按照決策變量足連續(xù)的還是離散的，最優(yōu)化問(wèn)題可分為連續(xù)型和離散型最優(yōu)化問(wèn)題；按照約束條件和目標(biāo)函數(shù)是線性的還是非線性的分為線性最優(yōu)化問(wèn)題和非線性最優(yōu)化問(wèn)題；按決策過(guò)程的結(jié)構(gòu)分為單階段和多階段決策問(wèn)題。如果目標(biāo)函數(shù)和所有的約束式都為線性的，那么稱(chēng)為線性最優(yōu)化問(wèn)題或線性規(guī)劃問(wèn)題。線性規(guī)劃是運(yùn)籌學(xué)中研究最早、開(kāi)展最成熟，也是目前應(yīng)用最廣泛的優(yōu)化方法。它多應(yīng)用于解決生產(chǎn)管理、任務(wù)分配等最優(yōu)化問(wèn)題。這種最優(yōu)化方法也別廣泛應(yīng)用于油氣儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)工作運(yùn)行中，比方成品油庫(kù)多種油品的運(yùn)輸分配問(wèn)題、輸油管線中最有輸油量方案問(wèn)題，油品調(diào)和時(shí)最優(yōu)調(diào)和比問(wèn)題等，應(yīng)用線性規(guī)劃方法都可以解決。如果目標(biāo)函數(shù)或約束條件中有一個(gè)是決策變量的非線性函數(shù)，那么這種最優(yōu)化問(wèn)題稱(chēng)為非線性最優(yōu)化問(wèn)題，可用非線性規(guī)劃方法求解。假設(shè)目標(biāo)函數(shù)為二次函數(shù)，而約束式為線性的，那么稱(chēng)為二次規(guī)劃問(wèn)題。二次規(guī)劃是從線性規(guī)劃到非線性規(guī)劃的過(guò)渡，是最簡(jiǎn)單的非線性規(guī)劃。在輸油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)中，能耗隨著管道運(yùn)行溫度和壓力的變化都是非線性的關(guān)系。動(dòng)態(tài)規(guī)劃問(wèn)題是指最優(yōu)化問(wèn)題的最優(yōu)解不是空間內(nèi)的一點(diǎn)，而是隨著時(shí)間或者空間因素變化的曲線或函數(shù)，常把這種問(wèn)題分解成假設(shè)干個(gè)相互關(guān)聯(lián)的連續(xù)階段或假設(shè)干個(gè)子系統(tǒng)處理，使整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)預(yù)期的最優(yōu)目標(biāo)。輸油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)中的管道線路走向問(wèn)題和第一章前言全線泵機(jī)組合問(wèn)題可以應(yīng)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法來(lái)解決。自上世紀(jì)８０年代以來(lái)，一些新穎的智能算法得到了快速的開(kāi)展，這些算法將某些自然現(xiàn)象或過(guò)程的機(jī)理與數(shù)學(xué)理論相結(jié)合，為解決實(shí)際中復(fù)雜問(wèn)題提供了新的手段和思路，如遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、混沌算法、模擬退火算法、進(jìn)化規(guī)那么和蟻群算法等。智能算法以其獨(dú)特的直觀性和自然機(jī)理得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛認(rèn)可，并且已經(jīng)成功應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。智能算法在輸油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)中也應(yīng)有廣闊的應(yīng)用前景。１．３國(guó)內(nèi)外熱油管道優(yōu)化研究現(xiàn)狀前蘇聯(lián)在２０世紀(jì)５０年代，由契爾尼會(huì)最早提出熱油管道最優(yōu)工況的概念，用微分法導(dǎo)出了往復(fù)泵開(kāi)式流程下輸送原油為牛頓流體的熱油管道的最優(yōu)出站溫度。美國(guó)在２０世紀(jì)６０年代初，杰斐遜應(yīng)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃對(duì)等溫密閉輸油管道的站間壓力進(jìn)行了分配，后來(lái)又有人應(yīng)用隱枚舉法確定了站內(nèi)最優(yōu)泵組合。１９６１年，Ｇｅｆｆｅｒｓｏｎ【２】探討了熱油管道的運(yùn)行優(yōu)化問(wèn)題，假設(shè)輸油管線等溫輸送，輸量一定，應(yīng)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法對(duì)各泵站所能提供的壓力進(jìn)行合理的分配，求出的最低能耗值。１９７１年，Ｃｈｅｅｓｅｍａｎ〔美〕等人【３Ｊ采用坐標(biāo)輪換法，以使用費(fèi)用最小為目的尋求最優(yōu)管徑，并編制了管道優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，盡管坐標(biāo)輪換法效率不高，但仍然能夠有效的縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，同時(shí)也使設(shè)計(jì)質(zhì)量得到了提高了。１９８０年，Ｇｏｐａｌｌ４】等人對(duì)管道泵站的運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)泵機(jī)的效率，應(yīng)用數(shù)學(xué)規(guī)劃算法，對(duì)泵機(jī)組組合搭配進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。還采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法優(yōu)化了出站壓力，在保證任務(wù)輸量的前提下，使總動(dòng)力費(fèi)用最優(yōu)。這為以后的管道運(yùn)行優(yōu)化研究奠定了根底。１９８８年，Ｂｈａｄｕｒ與Ｔａｌａｃｈｉｆ５１將天然氣管道系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)用非線性約束條件來(lái)表述，并針對(duì)天然氣管道運(yùn)行系統(tǒng)的管徑、壁厚和壓縮機(jī)站數(shù)等，利用非線性算法中的廣義簡(jiǎn)約梯度法與廣義幾何規(guī)劃法進(jìn)行了優(yōu)化。１９９９年，美［羽ＣＮＧＴ［６】輸氣公司將動(dòng)態(tài)閉環(huán)、實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用在該公司實(shí)際管道上，實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，管道的運(yùn)營(yíng)能耗下降了十分之一左右。自２０世紀(jì)８０年代，我國(guó)才開(kāi)始重視對(duì)油氣管道優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題的研究。通過(guò)廣闊石油工作者的不懈努力，在油氣管道優(yōu)化理論模型、求解算法和軟件方面取得了突破性進(jìn)展，并且在生產(chǎn)中有效地應(yīng)用了這些研究成果，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。１９８３年，嚴(yán)大兒、吳長(zhǎng)春【７叫首次提出了熱油管道穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的典型代表性模型——４中困石油大學(xué)〔華東〕碩仁學(xué)位論文兩級(jí)階梯模型，管道輸油溫度優(yōu)化為較高層次的模型，全線泵組合和各站間管段的最優(yōu)匹配較低層次模型，前者嵌入到后者中進(jìn)行優(yōu)化。采用黃金分割法確定輸油溫度，再采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法求解全線各站泵組合和各站間管道的最優(yōu)匹配方案。這為我國(guó)輸油管道優(yōu)化運(yùn)行研究打下了根底。１９８６年，朱琦等人｜Ｊ０１利用管道的總折合費(fèi)用來(lái)評(píng)價(jià)管徑，提出了經(jīng)濟(jì)管徑的概念，并建立了經(jīng)濟(jì)數(shù)學(xué)模型來(lái)確定經(jīng)濟(jì)管徑，可惜的是只考慮了管徑，沒(méi)有對(duì)其他參數(shù)做研究。１９８７年，嚴(yán)大幾…】等人對(duì)特重質(zhì)原油管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行了研究，采用摻稀降粘加熱輸送工藝，以特重質(zhì)原油管道的管徑、加熱輸送溫度、稀釋比和泵站揚(yáng)程為決策變量，采用直接搜索的網(wǎng)絡(luò)法對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化。１９９０年，吳立峰【１２】建立了含蠟加熱輸送原油管道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，該模型是～個(gè)具有混合離散變量有約束的非線性?xún)?yōu)化問(wèn)題，文中采用混合離散變量組合形法〔簡(jiǎn)稱(chēng)ＭＤＣＰ法〕對(duì)所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了求解，無(wú)需對(duì)目標(biāo)函數(shù)求導(dǎo)，取得較好的效果。１９９３年，汪玉春【ｌ３】等人建立了輸氣管道優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，采用廣義幾何規(guī)劃法〔ＳＣＰ〕進(jìn)行了求解，得出較合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案工藝參數(shù)；并根據(jù)所得工藝參數(shù)，設(shè)計(jì)了多個(gè)符合工程實(shí)際的可行性方案，再采用灰色關(guān)聯(lián)分析法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，從中優(yōu)選出最優(yōu)方案，到達(dá)“優(yōu)中選優(yōu)〞的目的。２００３年，黃善波等人‘１４１采用模擬退火算法對(duì)所建立的熱油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，計(jì)算結(jié)果說(shuō)明，模擬退火算法在求解管道模型方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)：方法簡(jiǎn)單，計(jì)算效率高，可對(duì)全局進(jìn)行搜索，且對(duì)初始點(diǎn)的依賴(lài)性不強(qiáng)，無(wú)需進(jìn)行函數(shù)求導(dǎo)，而且能夠防止過(guò)早的局部收斂。但是文中數(shù)學(xué)模型的決策變量只有兩個(gè)管徑和保溫層厚度，沒(méi)有考慮加熱溫度與泵站揚(yáng)程的影響。２００３年，高松竹、蔣忠等㈣采用免疫遺傳算法求解等溫輸油管道優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，通過(guò)實(shí)例計(jì)算，說(shuō)明該算法優(yōu)化效率高性能好，能夠應(yīng)用在等溫輸油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。免疫遺傳算法是傳統(tǒng)遺傳算法與生命科學(xué)中免疫原理相結(jié)合得到的一種新算法，對(duì)求解非線性規(guī)劃問(wèn)題有顯著效果。２００４年，高松竹、汪玉春等㈣將遺傳算法和模擬退火算法結(jié)合構(gòu)成一種混合遺傳算法對(duì)輸油管道優(yōu)化的運(yùn)行進(jìn)行了研究。實(shí)例計(jì)算說(shuō)明，該混合遺傳算法具有較好的魯棒性、快速搜索和易收斂的特點(diǎn)，用該方法計(jì)算得到的動(dòng)力損耗比用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法少３．５８％，第一章前苦證明該方法在輸油管道優(yōu)化運(yùn)行中的有效性和實(shí)用性。２００５年，嚴(yán)宏?yáng)|、汪玉春【１７】采用改進(jìn)混沌綜合法求解所建立的熱油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，模型以年折合費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)。通過(guò)實(shí)例計(jì)算與其它優(yōu)化算法〔方案比較法、改進(jìn)混沌法、復(fù)合形法〕的比照說(shuō)明，采用該算法可降低設(shè)計(jì)本錢(qián)，減少工程投資，縮短設(shè)計(jì)時(shí)問(wèn)。文中指出出站溫度對(duì)系統(tǒng)總投資影響較大，其變化會(huì)影響全線摩阻和熱能消耗等，進(jìn)而引起其他參數(shù)的變化。２００７年，李科星等人【１８】建立了新的熱油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)兩級(jí)階梯模型——年輸量模型與參數(shù)優(yōu)化模型。因?yàn)榭紤]到實(shí)際中年輸量會(huì)隨油田產(chǎn)量與市場(chǎng)需求的變化而變化，應(yīng)用最正確平方逼近法確定管道的設(shè)計(jì)輸量，并用微粒群算法與混合離散變量隨機(jī)搜索法合成的混合微粒群算法求解參數(shù)優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)了熱油管道的整體優(yōu)化設(shè)計(jì)。算例說(shuō)明，該綜合算法得到熱油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)方案比單一采用根本的微粒群算法、離散變量復(fù)合型法和離散變量隨機(jī)搜索法計(jì)算得到的方案的年費(fèi)用更低，且考慮了年輸量變化的熱油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)方案更符合工程實(shí)際。２００８年，支淑民、史培玉¨９】從降低輸油本錢(qián)和節(jié)省能耗的角度出發(fā)，以輸油運(yùn)行費(fèi)用最低為準(zhǔn)那么，建立兩級(jí)階梯管道運(yùn)行優(yōu)化模型并采用線性規(guī)劃法求解數(shù)學(xué)模型。通過(guò)對(duì)東辛輸油管線的大輸量試驗(yàn)，確定泵機(jī)組與管路的最優(yōu)匹配和最優(yōu)輸油溫度，優(yōu)化了運(yùn)行參數(shù)，制定了最正確運(yùn)行方式。由上述的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以看出，輸油管道優(yōu)化可以分為兩種，一種是輸油管道的優(yōu)化運(yùn)行問(wèn)題，即對(duì)已經(jīng)建成運(yùn)行的管道，優(yōu)化其操作參數(shù)，如進(jìn)出站溫度和泵站揚(yáng)程等，以尋求最低年運(yùn)行費(fèi)用為目標(biāo)；另一種是輸油管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，即對(duì)一條還沒(méi)有建設(shè)的管道進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃，確定將建設(shè)管線的管徑、加熱站與泵站個(gè)數(shù)及位置，以及各站的進(jìn)出站溫度和壓力，使按照此參數(shù)建設(shè)的管道能夠符合工藝要求，并且經(jīng)濟(jì)合理。后者根本上包含前者。傳統(tǒng)上講，以上兩種問(wèn)題中包含三個(gè)問(wèn)題：管徑的選取，全線輸油泵與管線的最優(yōu)匹配和輸油溫度確實(shí)定。輸油溫度確實(shí)定通常采用的最優(yōu)化方法有坐標(biāo)輪換法、廣義梯度法和黃金分割法等；全線輸油泵與管線最優(yōu)匹配多采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法、梯度法求解；管徑的選取多采用枚舉法、方案分析法，模糊數(shù)學(xué)分析法等比照評(píng)價(jià)方法。智能算法，如遺傳算法、免疫算法、模擬退火算法、微粒群算法、混沌算法等，由于其智能性，能夠?qū)@些問(wèn)題做綜合考慮。采用最優(yōu)化算法，提高了設(shè)計(jì)計(jì)算效率和準(zhǔn)確性，降低了設(shè)計(jì)投資，但是也存在不少缺點(diǎn)：應(yīng)用這些最優(yōu)化方法，必然要對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，６中國(guó)石油大學(xué)〔華東〕碩ｆ：學(xué)位論文有的只對(duì)其中幾個(gè)因素進(jìn)行優(yōu)化，考慮不全或者過(guò)于簡(jiǎn)化；有的把問(wèn)題分為幾個(gè)層次進(jìn)行研究，忽略了各局部之間的聯(lián)系；有些算法本身存在缺陷，如動(dòng)態(tài)規(guī)劃法進(jìn)行多維計(jì)算時(shí)效率低、準(zhǔn)確性差，遺傳算法、混沌算法、模擬退火算微粒群算法等由于采用隨機(jī)搜索方法，可能會(huì)陷入局部最優(yōu)解。１．４本文主要研究對(duì)象與內(nèi)容本文以無(wú)分支長(zhǎng)輸管道為研究對(duì)象，輸送方式為埋地加熱輸送，對(duì)熱油管道系統(tǒng)主要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。主要研究?jī)?nèi)容如下〔１〕研究分析熱油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)理論，建立輸油管道優(yōu)化數(shù)學(xué)模型；確定熱油管道最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，涉及管徑、管材、壁厚、各站的工作壓力、加熱溫度、加熱站數(shù)、泵站數(shù)及各站泵的組合等參數(shù)，在一系列相應(yīng)的約束條件下的最優(yōu)組合。由于影響因素眾多，關(guān)系復(fù)雜，建立一個(gè)能夠真實(shí)反映熱油管道系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是十分必要的?！玻病尺x擇適宜的最優(yōu)化方法求解數(shù)學(xué)模型；由于輸油管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)具有非線性約束的非線性規(guī)劃問(wèn)題，設(shè)計(jì)變量包括連續(xù)變量和離散變量，所以這種多變量的非線性規(guī)劃問(wèn)題，用傳統(tǒng)的解析法一般不能求其精確解，應(yīng)另外選擇適宜的最優(yōu)化方法?！玻场抽_(kāi)發(fā)熱油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件程序；〔４〕根據(jù)的參數(shù)優(yōu)化計(jì)算，確定管線優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。第二章熱油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型第二章２．１決策變量確實(shí)定熱油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型熱油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的是在滿足約束條件的前提下，為完成規(guī)定任務(wù)輸量尋求最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，確定熱油管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，使得所建的管道系統(tǒng)的投資最小。影響管道系統(tǒng)投資的參數(shù)有以下幾類(lèi)１２０￣２２】：〔１〕管道工藝參數(shù)有：管徑Ｄ：管徑Ｄ直接影響管材消耗投資與管道的鋪設(shè)費(fèi)用，管徑Ｄ越大，管材消耗投資與管道的鋪設(shè)費(fèi)用越大；管徑Ｄ間接影響到管道摩阻損失，管徑Ｄ越大，摩阻損失越大，所產(chǎn)生的動(dòng)力費(fèi)用變小，泵站數(shù)減少，泵站投資費(fèi)降低。另外，管徑Ｄ還間接影響到熱力損耗，一定輸量下，管徑Ｄ越大，管內(nèi)的流速就越小，油品在管道內(nèi)停留的時(shí)間就越長(zhǎng)，散熱越多，熱力費(fèi)升高。因此管徑Ｄ的選取對(duì)熱油管道設(shè)計(jì)至關(guān)重要。管道壁厚ｔ：管道壁厚以主要影響管道承壓情況。管道外徑一定，壁厚?越大，管道承壓越大，設(shè)計(jì)壓力等級(jí)也就可以越高。加熱站進(jìn)、出站溫度％ｆｚ：加熱站進(jìn)、出站溫度，舟、ｔｚ直接影響整個(gè)管道的散熱狀態(tài)，進(jìn)出站溫度ｔ尺、ｔｚ越高，全線溫度也就越高，與周?chē)寥罍囟炔钤龃?，管線散熱量增加，但是管道內(nèi)的油品粘度降低，全線摩阻損失減小，動(dòng)力費(fèi)用降低。因此加熱站進(jìn)、出站溫度ｋｔｚ對(duì)全線運(yùn)營(yíng)費(fèi)用起著舉足輕重的作用。加熱站進(jìn)、出站溫度，只、ｔｚ之間存在一定的函數(shù)關(guān)系，受流量Ｇ、管徑Ｄ、管道總傳熱系數(shù)Ｋ、加熱站間距厶的影響。加熱站數(shù)ｎＲ、泵站數(shù)玎Ｒ：加熱站數(shù)，ｚ月、泵站數(shù)門(mén)只主要受水利條件、熱力條件的約束，應(yīng)滿足全線動(dòng)力損耗和熱力損耗的需要。保溫層厚度甌：保溫層厚度皖直接影響保溫層投資費(fèi)用，保溫層厚度甌越大，投資費(fèi)用越高；但是保溫層厚度皖主要影響管線散熱，保溫層厚度皖越大，管線熱損失越小，熱力費(fèi)用減小。管線是否要保溫，需要通過(guò)經(jīng)濟(jì)性計(jì)算確定。泵站機(jī)組揚(yáng)程Ｈｒ：泵站機(jī)組揚(yáng)程Ｈｆ由原油輸量Ｇ和管路能量消耗Ⅳ所決定，而８中國(guó)石油大學(xué)〔華東〕碩上學(xué)位論文且要充分利用管道承壓能力。根據(jù)輸量和設(shè)計(jì)壓力等級(jí)的不同，泵站機(jī)組有不同的泵機(jī)組和方式，可以根據(jù)泵機(jī)組輸油泵型號(hào)和臺(tái)數(shù)靈活組合?！玻病秤推肺镄詤?shù)：油品的密度Ｐ、動(dòng)力粘度∥、比熱容Ｃ等物性參數(shù)受溫度的影響比較明顯，都與溫度存在函數(shù)關(guān)系。加熱溫度就是通過(guò)影響這些物性參數(shù)來(lái)影響管道的運(yùn)行狀態(tài)?！玻场乘?shù)：管道水力坡降ｆ、管線摩阻損失Ｈ受流量Ｇ、管徑Ｄ、管道運(yùn)行溫度丁的影響?！玻础碂崃?shù)：管道總傳熱系數(shù)Ｋ受管徑Ｄ、保溫層厚度甌、管線埋深ｈ、管道內(nèi)油品的流動(dòng)狀態(tài)影響。〔５〕設(shè)備參數(shù)：泵機(jī)組效率％、加熱爐效率刁月受流量Ｇ、設(shè)備型號(hào)以及組合方式影響。〔６〕經(jīng)濟(jì)參數(shù)及其他參數(shù)：管材、保溫層、電力、燃料油、輸油泵、加熱爐等設(shè)備的價(jià)格參數(shù)是隨著市場(chǎng)變化的：管線沿線的水文參數(shù)和地形參數(shù)，管線總長(zhǎng)度￡、年任務(wù)輸量Ｇ．Ⅳ、土壤性質(zhì)等都是不能改變的。以上各種參數(shù)中，工藝參數(shù)是管道優(yōu)化設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，在設(shè)計(jì)階段可由設(shè)計(jì)人員選擇，選擇原那么是：技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)上合理；油品物性參數(shù)、水力參數(shù)、熱力參數(shù)和設(shè)備參數(shù)是隨著管道工藝參數(shù)變化而變化的；經(jīng)濟(jì)參數(shù)和其他參數(shù)是不能為設(shè)計(jì)人員所能選擇的。顯然，熱油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)決策變量只能在管道的工藝參數(shù)中選擇。根據(jù)上述參數(shù)的特點(diǎn)，本文決定將管徑Ｄ，管壁厚度以、保溫層厚度甌、泵站數(shù)＂ｃ、加熱站站數(shù)門(mén)Ｒ、進(jìn)站溫度，ｚ、泵站揚(yáng)程日ｃ作為熱油管道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的決策變量。２．２模型假設(shè)條件一條熱油長(zhǎng)輸管道系統(tǒng)主要由管線和站場(chǎng)兩大局部組成，站場(chǎng)主要包括首站、中間泵站與加熱站，管線可為保溫管線也可為不保溫管線。因熱油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題比較復(fù)雜，影響的因素眾多，在不影響結(jié)論的前提下，為保證建立數(shù)學(xué)模型的工藝可行性和經(jīng)濟(jì)合理性，做出下述假設(shè)ｆ２３￣２６】：〔１〕熱油管道內(nèi)油品屬于一維單相〔液相〕均質(zhì)流動(dòng)；〔２〕油品密度隨壓力變化微小，油品不可壓縮；９第一二章熱油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型〔３〕采用密閉輸送流程，全線輸量Ｑ一致；〔４〕管道水力、熱力工況穩(wěn)定；〔５〕管道熱力計(jì)算忽略徑向溫度變化，只考慮軸向溫度變化；〔６〕］ＪＨ熱站等距布置，各加熱站站間管路沿線的地理地質(zhì)、熱力和水力條件相同；〔７〕各泵站泵機(jī)組配置情況相同；各站進(jìn)站、出站壓力相等；〔８〕輸油泵使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)：加熱爐采用燃油直接加熱方式。２．３目標(biāo)函數(shù)的建立目標(biāo)函數(shù)必須是決策變量的可計(jì)算函數(shù)，是熱油管道設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，能夠用來(lái)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣。因此，選擇一個(gè)好的目標(biāo)函數(shù)對(duì)整個(gè)熱油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)是十分重要的。正如前面所提到，熱油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的是在完成任務(wù)輸量下，尋求工藝上可行的設(shè)計(jì)參數(shù)，并使熱油管道的投資最少。長(zhǎng)距離熱油管道由于運(yùn)輸距離長(zhǎng)，輸量大，管道建成投產(chǎn)后即全年連續(xù)運(yùn)行，所消耗的管線根底建設(shè)投資費(fèi)用和每年運(yùn)營(yíng)所消耗的燃料和動(dòng)力費(fèi)用都很大?？紤]到資金的時(shí)間價(jià)值問(wèn)題，本文采用熱油管道系統(tǒng)的費(fèi)用現(xiàn)值作為評(píng)價(jià)熱油管道系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)，即將熱油管道系統(tǒng)的費(fèi)用現(xiàn)值作為優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型中的目標(biāo)函數(shù)。熱油管道系統(tǒng)的財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值是指管道建設(shè)工程按石油管道運(yùn)輸行業(yè)的基準(zhǔn)收益率或設(shè)定的折現(xiàn)率ｆ，，將管道建設(shè)工程計(jì)算期內(nèi)各年的資會(huì)流量，包括管道建設(shè)期間內(nèi)的每年的建設(shè)投資和管道運(yùn)行期間每年的運(yùn)行投資，折現(xiàn)到管道建設(shè)期初的現(xiàn)值之和。它是考察熱油管道系統(tǒng)在計(jì)算期內(nèi)盈利能力的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)。費(fèi)用現(xiàn)值的計(jì)算公式為：ＮＰＣ＝∑〔，。＋Ｇ－Ｓ礦－Ｗ〕，〔１＋ｆ?！敞曇唬薄玻玻薄呈街校?，。：第ｎ年的全部投資；Ｃ：：第ｎ年的經(jīng)營(yíng)本錢(qián)；Ｓ礦：計(jì)算期末回收的固定資產(chǎn)余值；∥：計(jì)算期末回收的流動(dòng)資金；Ⅳ：計(jì)算期或管道的壽命期；ｆｃ：行業(yè)基準(zhǔn)收益率。ｌＯ中國(guó)石油人學(xué)〔華東〕碩Ｊｊ學(xué)位論文第船年的全部投資，。那么指管道建設(shè)期間的投資，包括熱油管道總基建投資和熱泵站的站場(chǎng)總投資。第胛年的經(jīng)營(yíng)本錢(qián)Ｃ指的是每年的熱油管道所消耗的動(dòng)力費(fèi)用和燃料費(fèi)用以及全部職工工資支出和其他費(fèi)用。由此可以得出熱油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)為：ｍｉｎＰＣ：∑ｋ〔Ｌ＋乙〕〔１＋仃一＋蘭〔Ｃ—Ｃ２ｎ＋ｃ，?！场玻薄皬V〔２－２〕月＝ｌｎ＝ｋ式中尸Ｃ——熱油管道的費(fèi)用現(xiàn)值，萬(wàn)元；，。?！冢⒛隉嵊凸艿阑ㄍ顿Y，萬(wàn)元；，：?！陂T(mén)年熱站、泵站站場(chǎng)投資，萬(wàn)元；Ｃ。?！谒δ隉嵊凸艿赖碾娏M(fèi)用，萬(wàn)元／ａ；Ｃ：?！诘赌隉嵊凸艿赖娜剂腺M(fèi)用，萬(wàn)元／ａ；Ｃ，?！诘赌耆柯毠すべY支出和其他費(fèi)用，萬(wàn)元／ａ；ｆｃ——行業(yè)投資收益率，?。希保怠！玻薄碂嵊凸艿栏捉ㄔO(shè)投資〔，。〕熱油管道〔含保溫層〕根底建設(shè)投資，。包括管道投資費(fèi)Ｓｇ和保溫層投資＆，其中管道投資Ｓ霉包括管道鋼材投資和管道鋪設(shè)附加投資，這兩局部都為管徑的函數(shù)；保溫層投資既包括保溫層本身投資及其鋪設(shè)附加投資。本文將保溫層的鋪設(shè)附加投資，折算到保溫層價(jià)格中，那么保溫層投資＆可按保溫層體積來(lái)計(jì)算。可用式〔２－３〕進(jìn)行計(jì)算。，ｌ＝Ｓｇ＋ＳｂＳｇ＝ｆ〔Ｄ，嚷〕＝上ｋ×１０。〔２－３〕Ｓ６＝ｆ〔Ｄ，甌〕＝￡砒〔Ｄ皖＋群ｘ１０‘４式中三——管道總長(zhǎng)度，ｋｍ；Ｄ——管道外徑，ｍ；萬(wàn)。——管壁厚度，ｍ；甌——保溫層厚度，ｍ；第一二章熱油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型％——保溫層價(jià)格，包括保溫材料費(fèi)用與保溫層鋪設(shè)費(fèi)用，元／ｍ３；匕——每千米管道根底建設(shè)投資，元／〔ｋｍ〕。每千米管道根底建設(shè)投資ｋ為管徑Ｄ和壁厚ｔ的函數(shù)，可采用多項(xiàng)式回歸得到：ＹｇＬ＝ａｏ＋０１Ｄ＋ａ２以〔２—４〕ａｏ，ａＩ，ａ２——回歸系數(shù)。假設(shè)管道工程建設(shè)期為ｋ年，每年的熱油管道根底建設(shè)投資，，可以按照總投資的百分比ｑ，計(jì)算。Ｌ＝１１，ｑ，，ｆ＿ｌ～七〔２?５〕〔２〕加熱站與泵站的站場(chǎng)投資〔Ｊ『：〕加熱站和泵站的站場(chǎng)投資費(fèi)用包括首站的建設(shè)投資、中間泵站的建設(shè)投資、加熱站的建設(shè)投資和術(shù)站建設(shè)投資可用式〔２．６〕表述。１２＝Ｓ昭＋〔ｒｌｃ一１〕Ｓｚｚ＋〔ｔ＂／月一１〕Ｓｅｅ＋Ｓ腕〔２－６〕式中＆——首站站場(chǎng)建設(shè)投資，萬(wàn)元；ＳＺｚ——每座中間泵站站場(chǎng)建設(shè)投資，萬(wàn)元；Ｓｅ，ｚ——每座加熱站站場(chǎng)建設(shè)投資，萬(wàn)元；％——末站站場(chǎng)建設(shè)投資，萬(wàn)元％——泵站數(shù)量；ｒ１只——加熱泵站數(shù)量。假設(shè)管道工程建設(shè)期為ｋ年，每年的泵站與加熱站的站場(chǎng)建設(shè)投資Ｉ，可以按照總投資的百分比ｇ，計(jì)算。１２，＝１２，ｑ，，ｆ＝１～七〔２－７〕〔３〕熱油管道年電力消消耗用〔Ｃ，〕熱油管道每年電力消消耗用〔Ｃ，〕可用式〔２－８〕表述：１２中國(guó)石油大學(xué)〔華東〕碩Ｌ學(xué)位論文ｃ?＝８．４×１。一４×ｇＧＰ弦Ｙｏ?羔ｔ＝１日ｃ．，式中Ｇ——所輸送油品的質(zhì)量流量，ｋｇ／ｓ；Ｈｏ——各個(gè)泵站所提供的揚(yáng)程，ｍ；ｙＤ——電力價(jià)格，元／〔ｋＷ．ｈ〕；ｅ斥——機(jī)泵的綜合效率，為電機(jī)效率‰與泵效率７７尸的乘積?！玻础碂嵊凸艿廊剂嫌拖挠谩玻茫骸碂嵊凸艿烂磕甑娜剂嫌拖挠谩玻茫骸晨捎檬健玻玻埂潮硎觥玻玻浮常悖捍＝屑贤腿?弘式中仁９，紼，——各個(gè)加熱站的有效熱負(fù)荷，Ｊ／ｓ；Ｋ——燃料油價(jià)格，元／ｔ；ＢⅣ——燃料油最低發(fā)熱值，ｋＪ／ｋｇ；７７只——加熱爐效率。單座加熱站的有效熱負(fù)荷繞為：ＯＲ＝ｅＧｃ〔咖式中ｔＲ——加熱站出站溫度，℃；，：——加熱站進(jìn)站溫度，℃；〔２－１０〕Ｃ何——所輸送原油比熱容，其隨油品溫度的變化而變化，Ｊ／〔ｋｇ?！妗场Ｔ捅葻崛蓦S溫度變化的趨勢(shì)如圖２．１所示，可以由析蠟點(diǎn)溫度毛、最大比熱容溫度Ｉ。。，將ｃ—Ｔ曲線分成三個(gè)區(qū)，分別可用下式計(jì)算：第一二章熱油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型比熱容ｃ／ｋＪ／〔ｋｇ?℃〕看困＼％。囡溫度刀℃氏圖２．１油品比熱容．溫度曲線Ｆｉｇ２－１Ｔｈｅｃｕｒｙｅｏｆｔｈｅｏｉｌｓｐｅｃｉｆｉｃｈｅａｔｃａｐａｃｉｔｙ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ輪咒一墮囂業(yè)強(qiáng)＜丁＜ｔ。。，０＜?。捡?。。，Ｃ＝４．１８６一Ａｅ盯Ｃ＝４．１８６一Ｂｅ〞７’〔２?１１〕式中Ｃ：油品的比熱容，ｋＪ／〔ｋｇ?℃〕：糾５：油品在１５＂Ｃ的相對(duì)密度；?。河推返臏囟?，℃。彳、Ｂ：常數(shù)，隨原油而不同，ｋＪ／〔ｋｇ?℃〕：刀、ｍ：常數(shù)，隨原油而不同，１／℃。ｌ區(qū)，油品溫度高于析蠟溫度強(qiáng)，在該溫度范圍內(nèi)，溫度升高，比熱容緩慢上升；２區(qū)，油品溫度在析蠟溫度砬和最大值的溫度Ｉ。。之間，該溫度范圍內(nèi)，因單位溫降的析蠟率逐漸增大，放出的潛熱多，故隨溫度降低，比熱容急劇上升。３區(qū)，油品溫度低于最大比熱容溫度瓦。。，該溫度范圍內(nèi)，因大局部蠟晶已經(jīng)析出，繼續(xù)降溫時(shí)，單位溫降的析蠟率逐漸減小，故隨油溫降低，比熱容又逐漸下降。為保證熱油管道的平安，一般要求管道進(jìn)站溫度都高于原油凝點(diǎn)，而大多原油的最大比熱容溫度ｔ。。都低于原油凝點(diǎn)，因此，計(jì)算時(shí)只考慮比熱容在１區(qū)和２區(qū)內(nèi)的變化情況即可。此外，油品比熱容也可通過(guò)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)采用多項(xiàng)式回歸求得：ｃ〔，〕＝∑口，，‘〔江ｏ，１，２…〕〔２—１２〕１４中國(guó)石油大學(xué)〔華東〕碩．｝ｊ學(xué)位論文式中ａ，為回歸系數(shù)。〔５〕其他費(fèi)用Ｃ，其他費(fèi)用包括全部職工工資、福ｇＪ，ｕ管線維修費(fèi)用等。２．４管徑規(guī)格初選模型建設(shè)熱油管道所用的鋼管應(yīng)該符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)?石油天然氣工業(yè)輸送鋼管交貨技術(shù)條件第１局部：Ａ級(jí)鋼管?〔ＧＢ／Ｔ９７１１．１〕。現(xiàn)行生產(chǎn)的管道規(guī)格比較多，根據(jù)管材、管徑、壁厚等不同，管徑規(guī)格有上千種之多。設(shè)計(jì)時(shí)，不可能把所有的管徑都進(jìn)行計(jì)算比照，因此應(yīng)初選出幾種管徑進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)工藝要求和經(jīng)驗(yàn)，可利用設(shè)計(jì)流量、設(shè)計(jì)壓力與經(jīng)濟(jì)流速對(duì)管徑進(jìn)行初選，同時(shí)鋼管還應(yīng)受最小壁厚和管道剛度的約束。在鋼管外徑相同的情況下，壁厚也厚，管材消耗越大，因此從根底建設(shè)中的管道投資來(lái)講，壁厚越小越好；壁厚越小，那么管線內(nèi)徑越大，有達(dá)西公式可知，管線內(nèi)的摩阻損失越小，因此從能耗來(lái)講，壁厚越小越好；有上述總傳熱系數(shù)計(jì)算中可知，壁厚僅對(duì)油流至管內(nèi)壁的放熱系數(shù)口。產(chǎn)生影響，壁厚越小，口．越小，而管線總傳熱系數(shù)Ｋ就越小，因此從管道散熱損耗來(lái)講，壁厚越小越好。２．４．１管道壁厚度約束條件由輸油管道工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)可知，輸油管道的鋼管管壁厚度應(yīng)不小于最小壁厚【３７】，即：嚷≥瓦ＰＤ〔２－１３〕式中Ｐ——設(shè)計(jì)壓力，ＭＰａ；，——設(shè)計(jì)系數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，輸油站外一般地段?。埃罚玻晃缚p系數(shù)；盯。——鋼管最低屈服強(qiáng)度，ＭＰａ。２．４．２管道的剛度約束條件管道的剛度應(yīng)滿足運(yùn)輸、施工和運(yùn)行時(shí)的要求。鋼管的外直徑Ｄ與其壁厚萬(wàn)。的比值不應(yīng)大于１４０１３７１。＿Ｄ≤１４０〔２－１４〕６９第一二章熱油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型２．４．２經(jīng)濟(jì)流速約束條件假設(shè)設(shè)計(jì)輸量一定，管道的管線投資費(fèi)用會(huì)隨著管徑的增大而增大，但是相應(yīng)的泵站數(shù)以及其投資會(huì)減少，同時(shí)管道的輸油動(dòng)力費(fèi)用也會(huì)下降，因此綜合管道建設(shè)投資和動(dòng)力費(fèi)，設(shè)計(jì)輸量必然對(duì)應(yīng)著一個(gè)經(jīng)濟(jì)效益較好的經(jīng)濟(jì)流速。根據(jù)大量管道設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果和運(yùn)行實(shí)踐，前人總結(jié)出了長(zhǎng)距離輸管道經(jīng)濟(jì)流速的變化范圍，一般為１．０～２．０ｍ／ｓ。但是經(jīng)濟(jì)流速范圍會(huì)因國(guó)家不同和時(shí)間的推移有所變化。目前我國(guó)對(duì)ＤＮ３００～７００ｍｍ的含蠟原油管道，一般設(shè)計(jì)時(shí)取流速１，＝１．５～２．０ｍ／ｓ，液化石油氣管道可取Ｏ．８～１．４ｍ／ｓ，但考慮到因輸送介質(zhì)與管道摩擦使液體溫度升高而需要進(jìn)行冷卻的能耗，最大流速不應(yīng)超過(guò)３．０ｍ／ｓ。因此，本文中經(jīng)濟(jì)流速取１．５～３．０ｒｎ／ｓ。１．５≤等ｎ０〔２－１５〕刀訂式中Ｑ——油品體積流量，ｍ３／ｓ；ｄ——管道內(nèi)徑，ｍ。綜上所述，可得到管徑規(guī)格初選模型：〔Ｄ，ｍｉｎｔ〕，ｆ＝１，２，…萬(wàn)。≥』生６ｊＨ巾６ｓ—Ｄ≤１４０〔２－１６〕Ｊｇ１．５ｓ蘭望＝≤３．０式中：ｍｉｎ?——在管道規(guī)格中相對(duì)應(yīng)于Ｄ的最小管徑。２．５約束條件的建立實(shí)際工程設(shè)計(jì)中的變量參數(shù)都是有一定的取值范圍的，變量參數(shù)的取值范圍有的是受到自然條件或者變量自身性質(zhì)限制，有的是與之相關(guān)的參數(shù)受到某些約束。與模型目標(biāo)函數(shù)一樣，模型約束條也是用決策變量的函數(shù)來(lái)表示的。對(duì)于熱油管道設(shè)計(jì)優(yōu)化問(wèn)題來(lái)講，主要約束條件有管道強(qiáng)度約束條件、水力約束條件、熱力約束條件和泵站特性約束條件等。２．５．１管道強(qiáng)度約束條件為保證熱油管道運(yùn)行工作的平安，要求管道強(qiáng)度能夠滿足管道在最大壓力下的工作１６中國(guó)石油大學(xué)〔華東〕碩上學(xué)位論文要求，通常泵站的出口處，管道所受壓力最大，即每座泵站的出站壓頭Ｈｄ應(yīng)等于或者小于管道允許的最大工作壓力【以一】，即：／－／ｄ＝Ｈ。＋日，一Ａｈｃ≤【Ｈｄ一】〔２－１７〕‰。?！浚剑玻埃矗保埃凳街校辏校玻啊步zＤ－Ｌ２３９〕〔２—１８〕ⅣＪ——泵站的出站壓頭，ｍ；日，——泵站所提供的揚(yáng)程，ｍ；Ⅳ，——泵站的進(jìn)站壓頭，ｍ；△見(jiàn)——泵站內(nèi)摩阻損失，ｍ；【日ｄ。。卜一管道允許最大工作壓頭，ｍ；Ｆ——設(shè)計(jì)系數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，輸油站外一般地段?。埃罚?；矽——焊縫系數(shù)；盯?！摴茏畹颓?qiáng)度，ＭＰａ：ｄ——管道內(nèi)經(jīng)，ｍ；仍ｏ——原油２０℃的密度，ｋｇ／ｍ３；Ｄ——管道外徑，ｍ；２．５．２泵站特性約束條件目前長(zhǎng)距離輸油管道上常用的是離心泵機(jī)組。對(duì)于固定轉(zhuǎn)速的離心泵，可以通過(guò)泵樣本手冊(cè)上的揚(yáng)程、排量數(shù)據(jù)，采用最小二乘法回歸泵的特性方程，為便于長(zhǎng)距離輸油管道工藝計(jì)算的應(yīng)用，可近似的表示為：日＝口一６Ｑ２－坍式中日：離心泵揚(yáng)程，ｍ液柱；Ｑ：離心泵排量，ｍ３／ｈ；口，ｂ：常數(shù)，由揚(yáng)程、排量數(shù)據(jù)，由最小二乘法回歸得到；聊：由流態(tài)所決定的常數(shù)?！玻玻保埂常保返诙聼嵊凸艿纼?yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型長(zhǎng)距離輸油管道，為了完成任務(wù)輸量，泵站一般都將多臺(tái)相同型號(hào)的泵〔一般不多于四臺(tái)〕串聯(lián)或者并聯(lián)組合成泵機(jī)組工作。可由離心泵的組合特點(diǎn)求的泵站特性?！玻薄臣僭O(shè)泵站由Ｐ臺(tái)泵串聯(lián)組合而成，通過(guò)每臺(tái)泵的排量相等，即為該泵站排量；泵站揚(yáng)程為各泵揚(yáng)程之和，那么串聯(lián)泵站特性方程為：Ｈ。＝∑Ｈ，＝ｐ?口一ｐ?ｂＱ２〞〔２－２０〕〔２〕假設(shè)泵站有Ｐ臺(tái)泵并聯(lián)組合而成，每臺(tái)泵的揚(yáng)程相等，即為該泵站揚(yáng)程；泵站排量為每臺(tái)泵排量之和，那么并聯(lián)泵站特性方程為：恥Ⅲ阿〞高效流量范圍內(nèi)：億２?，離心泵的效率排量成曲線變化，為了能充分利用離心泵效率，任務(wù)輸量應(yīng)該在泵站Ｑｍ。≤Ｑ≤甌。式中紼。。——泵高效區(qū)最小流量，ｍ３／ｓ；Ｑ?！酶咝^(qū)最大流量，ｍ３／ｓ。〔２－２２〕當(dāng)離心泵進(jìn)口壓力過(guò)低時(shí)，會(huì)引起輸油泵汽蝕現(xiàn)象，因此還應(yīng)對(duì)泵站入１３壓力進(jìn)行限制：Ｈ。加≤Ｈ，≤日～式中日。?！x心泵最小允許吸入壓力，ｍ；〔２－２３〕Ⅳ。?！x心泵最大允許吸入壓力，ｍ。由以上可得泵站機(jī)組特性約束條件為：ＪＨ。＝Ｐ?日一Ｐ?ｂＱ卜〞Ｈｃ＝Ｈｅ，１恥Ⅲ防〞中國(guó)石油人學(xué)〔華東〕碩上學(xué)位論文２．５．３熱力約束條件２．５．３．１加熱站出站溫度加熱站出站溫度受原油物性、瀝青防腐層和輸油管道的平安三方面的影響１３７１。〔１〕原油物性：假設(shè)加熱站出站溫度過(guò)高，超過(guò)原油初餾點(diǎn)溫度，原油中輕餾份汽化，導(dǎo)致離心泵入口壓力過(guò)低，無(wú)法正常吸入，引起離心泵汽蝕，輸油管道運(yùn)行的平安性和平穩(wěn)性就受到影響。因此，加熱站出站溫度，尺應(yīng)小于初餾點(diǎn)溫度。〔２〕瀝青防腐層：目前熱油管道多使用瀝青防腐層和聚氨醋泡沫塑料保溫層。瀝青防腐層有一定的耐熱能力，假設(shè)加熱站出站溫度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致瀝青層軟化流淌，而且容易老化，從而使管線的使用壽命大大減少。因此，加熱站出站溫度，月應(yīng)該受瀝青防腐層的耐熱溫度范圍的影響?！玻场彻艿赖倪\(yùn)行平安：加熱輸油管道運(yùn)行時(shí)，管道溫度比施工時(shí)要高很多，有時(shí)因方案或者事故需要停輸時(shí)，會(huì)引起管線溫度下降，這些溫度變化所產(chǎn)生溫差應(yīng)力會(huì)影響到管道強(qiáng)度，進(jìn)而影響到管線的平安運(yùn)營(yíng)。因此，加熱站出站溫度，旯應(yīng)在溫度應(yīng)力允許的范圍之內(nèi)。由上述可知，對(duì)加熱輸油管道來(lái)說(shuō)，原油出站溫度ｌＲ應(yīng)予以一定的約束，即：【，月曲】≤，Ｒ＜【，Ｒ一】〔２．２５〕式中【，尺砌卜一管道允許的最低出站溫度，℃；【，月。。卜一管道允許的最高出站溫度，℃。２．５．３．２加熱站進(jìn)站溫度加熱站進(jìn)站溫度，ｚ可以由出站溫度，尺和加熱站間距計(jì)算得到：ｔｚ＝〔Ｔｏ＋６〕＋【，月一〔瓦＋６〕】Ｐ一吐〔２－２６〕一般加熱站進(jìn)站溫度要通過(guò)經(jīng)濟(jì)分析束確定。而原油溫度在凝固點(diǎn)附近，原油粘度變化比較大，故加熱站進(jìn)站溫度常常略高于凝固點(diǎn)溫度；在方案停輸或者事故停輸時(shí)，為留有適當(dāng)?shù)耐］斣賳?dòng)時(shí)間，要有足夠的溫降空間。因此，為確保輸油管線的運(yùn)行平安，原油進(jìn)站溫度應(yīng)不小于原油凝固點(diǎn)溫度。ｔｚ≥【，ｚ。ｉ?！俊玻病玻贰常保沟诙聼嵊凸艿纼?yōu)化設(shè)汁數(shù)學(xué)模型式中【ｆｚ。ｉ?！俊艿涝试S的最低進(jìn)站溫度，一般為原油凝固點(diǎn)溫度，℃。２．５．４水力約束條件由能量平衡原理可知，為確保完成熱油管道系統(tǒng)給定的任務(wù)輸量，全線泵站所提供總揚(yáng)程應(yīng)大于或者等于該任務(wù)輸量下管路所需的總壓頭損失，管路所需的總壓頭損失包括全線沿程摩阻損失、局部摩阻損失、熱站和泵站內(nèi)的摩阻損失與高程差。以ｆ日ｆ≥口，刀月ｈ｜Ｒ＋刀ＲｚＸｈ．Ｒ＋刀ｒＡｈｃ＋△Ｚ〔２—２８〕式中：口。——考慮管路沿線閥門(mén)、彎頭等所產(chǎn)生的局部摩阻而乘的附加系數(shù)，一般局部摩阻按沿程摩阻的２％計(jì)算，即口．＝１．０２；△％——加熱站站內(nèi)壓頭損失，ｍ；么縱——泵站站內(nèi)壓頭損失，ｍ；彳Ｚ——管路終點(diǎn)與起點(diǎn)高差，ｍ：ｈＲ——加熱站站間管路的沿程摩阻損失，ｍ。２．６熱油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型綜上所述，建立熱油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型為：ｒａｉｎＰＣ＝∑〔乇＋，２?！场玻保?。〕〞＋∑〔ＣＩＪ＋ｃ２。＋Ｃ３。Ｘ１＋ｆｃ〕１＝∑ｑＪ￡ｋ×ｌＯ。４＋￡萬(wàn)〔％＋Ｙｑ〕〔Ｄ６０＋８；〕ｘｌＯ～＋Ｓ船＋〔刀ｃ一１〕Ｓｚｚ＋〔ｒ／舟一１〕Ｓ彪＋ＳＭｚ】〔１＋ｔ〕一〞．ｋ＝ｎ２＂，〕ＩＹＧｇ?，Ｏｌｘ４＋蘭／８ｅｆｃ：ｉ¨３舵４枷氣去‰ｉ＝１城卜廣Ｉ－ｊｌｌＲｂＨ１〔２—２９〕２０中國(guó)杠油大學(xué)〔華東〕碩仁學(xué)位論文胛〔、Ｈ〔．≥口，，２月ｈ月＋ｒｌＲＡｈ．Ｒ＋，ｔＡｈｆ’＋ＡＺＰＨｃ＋Ｈｓ—Ａｈｃ≤—二－一｛汐２０【ｒＲ?！俊?，月＜【，尺一】ｔｚ≥【ｔｚ。ｊ１１］〔２—３０〕ＱｍｉＩｌ≤Ｑ≤Ｑ。。Ｈ。ｍ｜ｎ≤Ｈ，｜ＳＨｓｍ。串聯(lián)Ｈｆ＝∑Ｈ，＝Ｅａ－ＺｂＱ２〞并聯(lián)Ⅳｆ＝口一６〔號(hào)］扣〞２．７本章小結(jié)本章首先通過(guò)對(duì)熱油管道系統(tǒng)各種參數(shù)的分析，確定將管徑Ｄ，管壁厚度萬(wàn)。、保溫層厚度甌、泵站數(shù)％、加熱站站數(shù)〞月、進(jìn)站溫度，ｚ、泵站揚(yáng)程日ｃ作為熱油管道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的決策變量。在不影響結(jié)論的前提下，提出熱油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)假設(shè)條件。從資金時(shí)間價(jià)值的角度考慮，將熱油管道的根底建設(shè)費(fèi)用、熱泵站根底建設(shè)費(fèi)用和管道運(yùn)行中的電力費(fèi)用、燃料費(fèi)用和管理費(fèi)用，利用行業(yè)內(nèi)部收益率折算為管道建設(shè)初期的費(fèi)用現(xiàn)值作為熱油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)模型的目標(biāo)函數(shù)；利用管道壁厚約束條件、管道剛度約束條件和經(jīng)濟(jì)流速約束條件建立了管徑規(guī)格初選模型；以管道強(qiáng)度約束、泵站特性約束、熱力約束和水利約束作為優(yōu)化設(shè)計(jì)模型的約束條件，從而建立了熱油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型。２ｌ第三章熱油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型求解第三章熱油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型求解３．１選擇優(yōu)化算法對(duì)本文所建立的熱油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析可知，決策變量有７個(gè)，管徑Ｄ、壁厚６。、保溫層厚度甌、泵站數(shù)％、加熱站數(shù)聆月、進(jìn)站溫度ｆｚ、泵站揚(yáng)程Ⅳｃ，其中經(jīng)過(guò)管徑初選模型將管徑Ｄ和壁厚萬(wàn)。合并成一個(gè)變量，那么管徑Ｄ與泵站揚(yáng)程Ｈｒ?yàn)榉堑乳g距離散變量，保溫層厚度甌、泵站數(shù)仇，與加熱站數(shù)胛。為等問(wèn)距離散變量，進(jìn)站溫度，，為連續(xù)變量。約束條件中，泵站特性為等式約束條件，管道強(qiáng)度約束、水力約束和熱力約束條件都為非線性約束。因此，所建立的熱油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型為混合離散變量非線性約束優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。所建立的熱油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜，對(duì)目標(biāo)函數(shù)求解一階偏導(dǎo)數(shù)比較困難，約束函數(shù)也無(wú)法轉(zhuǎn)化為較簡(jiǎn)單的線性約束函數(shù)，因此需要尋找一種比較適宜的優(yōu)化方法來(lái)求解。考慮到約束為非線性約束，如果采用非線性規(guī)劃方法，因非線性規(guī)劃方法處理的對(duì)象為連續(xù)變量，需要將問(wèn)題中的離散變量處理成連續(xù)變量，優(yōu)化計(jì)算出最優(yōu)結(jié)果后再搜索該點(diǎn)最近的可行離散點(diǎn)。這種處理方法可行性強(qiáng)且簡(jiǎn)便，但是對(duì)于多峰值問(wèn)題，搜索到的離散點(diǎn)不一定為優(yōu)化問(wèn)題的最優(yōu)解，可能是次峰值附近的離散點(diǎn)。因本模型計(jì)算比較復(fù)雜，如果采用網(wǎng)絡(luò)法對(duì)變量進(jìn)行窮舉計(jì)算，計(jì)算量比較龐大。對(duì)于這種變量較多且變量種類(lèi)也比較多的優(yōu)化問(wèn)題，近期開(kāi)展起來(lái)的一些智能算法對(duì)其有較好的適應(yīng)性，其中遺傳算法是一種多點(diǎn)并行計(jì)算優(yōu)化方法，能夠有效的防止這種情況的發(fā)生，因此，本文采用遺傳算法對(duì)所建立的熱油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型求解。３．２遺傳算法根本概念遺傳算法是由生物進(jìn)化論〔適者生存，優(yōu)勝劣汰遺傳機(jī)制〕和遺傳學(xué)演化開(kāi)展起來(lái)的一種隨機(jī)化搜索方法。１９７５年，由美國(guó)的Ｊ．Ｈｏｌｌａｎｄ教授首先提出【４ｌ】，現(xiàn)在己被人們廣泛地應(yīng)用于機(jī)器學(xué)習(xí)、模型識(shí)別、人工生命、信號(hào)處理、自適應(yīng)控制、組合優(yōu)化和管道線路優(yōu)化等領(lǐng)域。遺傳算法為現(xiàn)代智能計(jì)算開(kāi)創(chuàng)了新的思路和技術(shù)【４２￣４３１。不同于