成品油管道工艺方案优化设计研究

石油工程建设２００８年６月张红兵，卢亚萍（中国石油工程设计有限责任公司北京分公司，北京１０００８５）摘要：成品油管道通常采用顺序输送方式输送各种油品，沿途设有多个分输站。

随着油品分输，流量呈阶梯状递减，管径也随之发生变化。

针对成品油管道的特点，在对其工艺方案优化设计问题进行系统分析的基础上，根据优化变量为管材、管径、设计压力、出站压力和顺序输送周期等，约束条件主要有水力约束、强度约束、泵站特性约束等，建立了长输成品油管道工艺方案优化设计的数学模型。

该模型的最优准则是：管道在设计寿命期内所需要的总费用现值最小。

总费用现值包括管道初始投资费用、运行维护费用现值和能耗费用现值。

关键词：成品油管道；顺序输送；优化设计；工艺设计；数学模型；动态规划中图分类号：ＴＥ９７３．１文献标识码：Ａ文章编号：１００１－２２０６（２００８）０３－００２０－０５成品油管道工艺方案优化设计研究!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"!!!!!"!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"!!!!!"０引言长输成品油管道通常具有距离长、输量大、输送油品种类多、输送工艺复杂等特点，管道的建设往往涉及政治、经济、社会、技术、生态环境等［１－２］。

因此，合理制定长输成品油管道的工艺设计方案，对管道的建设和运行具有重要意义。

我国在热油管道的优化设计及优化运行方面做了大量的工作，而对成品油管道的优化设计及优化运行研究还较少。

长输成品油管道工艺方案优化的目的是保证所设计的管道在计算期内满足给定的输量要求，同时使其综合经济效益达到最佳。

长输成品油管道投资巨大，其方案优化的经济潜力也大。

笔者针对成品油管道工艺方案优化设计，建立了相关的数学模型，同时分析了计算参数选取、分输方式、分输流量计算等设计过程中所遇到的问题。

１目标函数及约束条件成品油管道工艺方案优化设计是在满足各种设计约束的前提下，寻求最优的管材、管径、管壁厚度、设计压力、操作压力、泵站数目、泵站位置、油品输送顺序、顺序输送周期及批量、混油处理方案、管道首站、末站及分输站的各种油品储罐设置等因素的最优组合，使所设计的管道在规定的计算期内获得最佳经济效益。

在本文设计的范围内，成品油管道工艺方案优化设计的研究基于下述基本前提和原则：①以分输站为间隔点把管道划分为若干个管段，每个管段的管径相同；②站间管段设计压力相同；③按等温管道进行工艺计算；④不考虑设减压站；⑤不考虑分期投资及管道建设期的时间长度；⑥假设流体不可压缩；⑦输送油品时各油品的体积流量相等。

顺序输送最优循环周期的研究，通常是在管径等参数确定的基础上进行的。

考虑到顺序输送的混油量、油品贬值量与管道内径有关，将顺序输送循环周期的优化置于整个工艺设计方案优化中统一考虑。

１．１目标函数根据我国目前的实际情况，选择管道系统寿命期内管道建设和运行的总费用现值Ｆ最小作为目标函数。

为了简化起见，总费用现值计算中只考虑了与工艺方案有关的费用项。

成品油管道在其计算期内的总费用现值可按线路、泵站、储罐及混油处理４部分分别进行计算。

目标函数为：ｍｉｎＦ＝ＤＮｊ＝１#Ｃｊ＋Ｃｏｉｌ＋Ｃａｄ（１）其中Ｃｊ＝Ｃｐｉｐｅｊ＋ＣＰｉｐｅＭａｉｎｊ＋Ｃｓｔａｔｉｏｎｊ＋ＣＳｔａｔｉｏｎＭａｉｎｊ＋ＣＳｔａｔｉｏｎＯｐｅｒａｔｉｏｎｊ＋Ｃｔａｎｋｊ＋ＣＴａｎｋＭａｉｎｊ（２）２０第３４卷第３期Ｃｐｉｐｅｊ＝ｆｚｘ!!（Ｄｊ－!ｊ）!ｊｌｊｃｐ"ｐ＋!Ｄｊｌｊｃｔ＋ｃｃｏｎＤｊｌｊ」（３）ＣＰｉｐｅＭａｉｎｊ＝Ｃｐｉｐｅｊｗｐｉｐｅ（１＋ｉ）ｎ－１ｉ（１＋ｉ）ｎ（４）ＣＰｕｍｐＳｔａｔｉｏｎｊ＝ａ＋ｂ・Ｗｊ（５）ＣＦｅｎｓｈｕＳｔａｔｉｏｎｊ＝ａ＋ｃ・Ｑｊ（６）ＣＦｐｕｍｐＳｔａｔｉｏｎｊ＝ａ＋ｂ・Ｗｊ＋ｃ・Ｑｊ（７）ＣＳｔａｔｉｏｎＭａｉｎｊ＝Ｃｓｔａｔｉｏｎｊｗｓｔａｔｉｏｎ（１＋ｉ）ｎ－１ｉ（１＋ｉ）ｎ!"（８）ＣＳｔａｔｉｏｎＯｐｅｒａｔｉｏｎｊ＝ｆｚｘ・Ｃｐｏｗｅｒｊ・ＣＤｉａｎｆｅｉｊ（９）Ｃｔａｎｋｊ＝Ｃｇｊ・Ａｔｊ（１０）ＣＴａｎｋＭａｉｎｊ＝ｆｚｘｊ・ｗｇｊ・Ｔｊ（１１）Ｃｏｉｌ＝ＤＯｍ＝１#ｃｈｍ・Ｖｃｍ（１２）式中Ｃｊ———第ｊ个管段总费用现值／元；Ｃｐｉｐｅｊ———第ｊ个管段线路初始投资／元；ＣＰｉｐｅＭａｉｎｊ———第ｊ个管段线路运行维护费用现值／元；ＣＰｕｍｐＳｔａｔｉｏｎｊ———第ｊ个泵站初始投资／元；ＣＦｅｎｓｈｕＳｔａｔｉｏｎｊ———第ｊ个分输站初始投资／元；ＣＦｐｕｍｐＳｔａｔｉｏｎｊ———第ｊ个分输泵站初始投资／元；ＣＳｔａｔｉｏｎＭａｉｎｊ———第ｊ个泵站年运行维护费用／元；ＣＳｔａｔｉｏｎＯｐｅｒａｔｉｏｎｊ———第ｊ个泵站年操作费用／元；Ｃｓｔａｔｉｏｎｊ———第ｊ个泵站的初始投资／元；Ｃｏｉｌ———混油贬值费用／元；Ｃｔａｎｋｊ———站场罐容／ｍ３；ｆｚｘ———资金折现函数；ｎ———寿命期；ａ———系数／元；ｂ———与功率有关的系数／（元／ｋＷ）；ｃ———与流量有关的系数／（元／ｍ３）；Ｗｊ———第ｊ个泵站的安装功率／ｋＷ；Ｑｊ———第ｊ个泵站的输量／ｍ３；Ｃｐｏｗｅｒｊ———第ｊ个泵站的用电量／（ｋＷ・ｈ）；ＣＤｉａｎｆｅｉｊ———第ｊ个泵站的电价／（元／ｋＷ・ｈ）；Ｃａｄ———投资利息现值／元；Ｃｇｊ———第ｊ站场储罐建设费用／（元／ｍ３）；Ａｔｊ———第ｊ个站新增储罐容量／ｍ３；ｃｈ———混油处理费用／（元／ｍ３）；Ｔ———全线储罐总容量／ｍ３；Ｖｃｍ———第ｍ种油品的混油量／ｍ３；!ｊ———钢管计算壁厚／ｍ；!———!ｊ向上圆整的钢管标准规格壁厚／ｍ；Ｄｊ———第ｊ个管段外径／ｍ；ｃｐ———钢管价格／（元／ｔ）；ｃｔ———管道涂层费用／（元／ｍ２）；ｃｃｏｎ———管道施工费用／（元／ｋｍ・ｍｍ）；ｌｊ———第ｊ个管段长度／ｍ；"ｐ———钢管密度／（ｔ／ｍ３），取７．８５ｔ／ｍ３；ｉ———折现率；ｗｐｉｐｅ———线路年运行维护费用系数，取３％；ｗｓｔａｔｉｏｎ———泵站年运行维护费用系数，取５％；ｗｇｊ———第ｊ站场储罐年运行维护费用系数／（元／ｍ３・ａ）。

１．２约束条件（１）水力约束条件。

根据能量平衡条件，由于变径、分输，各管段的摩阻需要分别进行计算，设全线分为ｎ段，第ｊ段的摩阻损失为ｈｊ，则全线水力摩阻损失为Ｈ＝ｎｊ＝１#ｈｊ，全线的总能量损失应该与泵站所能提供的能量平衡（计算温度采用全线最低月平均温度）。

Ｈｐｊ＝Ｑｊ"０（ｈｊ＋ｚｊ－ｚｊ－１）#ｄ$ｐ（１３）ｈｊ＝８!２ｇ（Ｄｊ－２%ｊ）５Ｑ２ｊｌｊ"ｊ（１４）式中ｈｊ———第ｊ个管段水力摩阻／ｍ；Ｈｐｊ———第ｊ个管段功率／ｋＷ；$ｄ———电机效率；$ｐ———泵效率；ｚｊ———第ｊ个分输站的高程／ｍ；ｚｊ－１———第ｊ－１个分输站的高程／ｍ；"ｊ———水力摩阻系数。

（２）流态约束条件。

为了避免增大混油量，雷诺数要大于临界雷诺数，Ｒｅ＞ＲｅＬｉｎｊｉｅ，其表达式为：４Ｑｊ!・（Ｄｊ－２!ｊ）&ｍ＞１０４ｅｘｐ２．７２（Ｄｊ－２%ｊ）１／$%２（１５）式中&ｍ———第ｍ种油品运动黏度／（ｍ２／ｓ）。

（３）钢管规格约束条件。

由于钢管的管外径、壁厚、管材等都是一些离散的变量，因此设计出的管道应该符合标准规格的管型，即：管径约束Ｄｉ∈｛Ｄｉ｝；壁厚约束%ｉ∈｛%ｉ｝Ｄｉ；管材集合’ｓ∈｛’ｓ｝。

根据各管段最大流量及给定的最大流速υｍａｘ来确定各管段最小可选管径。

以最小可能流量且输送张红兵等：成品油管道工艺方案优化设计研究２１石油工程建设２００８年６月混油黏度最大油品时的工况，确定每个管段最大可选管径：４Ｑｍｉｎｊ!Ｄｍａｘｊ!ｍａｘ＞１０４×ｅｘｐ２．７２Ｄ０．５ｍａｘｉ!"４Ｑｍａｘｊ!Ｄｍｉｎｊ＜ｖｍａｘ#%%%%%$%%%%%&（１６）"ｊ＝ＰｊＤｊ２#ｓ$（１７）式中!ｍａｘ———顺序输送油品产生的最大混油运动黏度／（ｍ２／ｓ）；Ｄｍａｘｊ———管段ｊ可选最大管径／ｍ；Ｄｍｉｎｊ———管段ｊ可选最小管径／ｍ；%ｓ———管材屈服极限／ＭＰａ；$———设计系数，取０．１７２。

（４）压力约束条件。

设计压力约束：Ｐｍｉｎ≤Ｐ≤Ｐｍａｘ，进站压力约束：Ｐｍｉｎｉｎ≤Ｐｉｎ≤Ｐｍａｘｉｎ１．３分输流量计算式成品油管道顺序输送多种油品，分输点多，分输计划多种多样。

具体的分输计划安排应根据允许的分输方式、各个分输点的油品需求情况、管道各段的输送能力、分输点处各种油品的储罐容量等因素综合考虑。

在制定分输计划时本文遵循了以下原则：①对于有支线的分输站采取连续分输方式，且分输流量恒定；②首站出站流量恒定，各分输站的分输流量可在一定范围内变化；③最小允许分输流速应满足分输的最低工艺要求，而最大允许分输流速应避免干线管段的流速波动过大；④相邻管段之间的流速变化不超过３０％。

１．４管道顺序输送的混油量管道输送的混油量Ｖｃｍ按下式计算：Ｖｃｍ＝６０４×ＤＮｊ＝１(ｅｒｆ－１（１－２Ｑｊ）（&１．８ｍ＋&１．８ｍ＋１）・（Ｄｊ－２"ｊ）０．４３ｌ０．５７ｊＳｊ（１８）式中&ｍ，&ｍ＋１———第ｍ、第ｍ＋１油品的管道摩阻系数；Ｓｊ———第ｊ个管段内截面积／ｍ２。

１．５分输站新建罐容计算式由于在成品油管道建设之初，有的分输站可能已建有一些储罐，各分输站可以根据顺序输送的需要来确定各分输站新增储罐容量。

Ａｔ＝ｍｉ＝１(ｎｊ＝１(Ｖｉｊ（１９）Ａｉｊ＝Ｒｉｊ（ｘｃ＋ｄｃ）－Ｎｉｊ（２０）式中Ａｔ———管道全线新增储罐总容量／ｍ３；Ｖｉｊ———第ｉ站第ｊ种油品新增储罐容量／ｍ３；Ｒｉｊ———第ｉ个分输站对ｊ种油品的日需求量／（ｍ３／ｄ）；ｘｃ———顺序输送循环周期／ｄ；ｄｃ———储备天数／ｄ；Ｎｉｊ———第ｉ站第ｊ种油品现有储罐容量／ｍ３。

若Ａｉｊ＜０，则Ｖｉｊ＝０，否则Ｖｉｊ＝Ａｉｊ。

２优化方法整个优化过程分为内、外两个层次，外层为顺序输送循环周期的优化，内层为管径、壁厚、设计压力和泵站的进出口压力等参数的优化。

由于总费用现值与顺序输送循环周期的关系一般为单峰函数，因此可采用一维搜寻法进行顺序输送循环周期优化。

由于在成品油管道建设之初各分输站的位置已确定，在通常情况下，设计人员都期望泵站能够和分输站合并，这样既可以减少一部分建设费用，同时也可为以后的运行管理带来便捷。

在泵站可选位置确定的情况下，每个泵站所提供的压头要尽可能相近，这样全线各段钢管的承压变化不大，而且各泵站的配置也基本相同，有利于设备的选购和维修，减少投资和运行费用。