成品油管網(wǎng)運行優(yōu)化

梁永圖，劉增哲

(1.中國石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，北京 102249;2.中國石油 北京油氣調(diào)控中心，北京 100007)

成品油管網(wǎng)運行優(yōu)化

梁永圖1，劉增哲2

(1.中國石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，北京 102249;2.中國石油 北京油氣調(diào)控中心，北京 100007)

針對我國成品油管網(wǎng)的特點，以管網(wǎng)運行周期內(nèi)的能耗費用最小為目標(biāo)函數(shù)，考慮管網(wǎng)中各站場的進(jìn)、出站壓力約束、管網(wǎng)高低點壓力約束及管網(wǎng)運行時的能量平衡約束等建立成品油管網(wǎng)優(yōu)化運行的數(shù)學(xué)模型，并采用分階段動態(tài)規(guī)劃方法求解模型，得出管網(wǎng)系統(tǒng)在輸送周期內(nèi)各時段的優(yōu)化配泵方案。將模型應(yīng)用于某成品油管網(wǎng)，并將優(yōu)化模擬計算結(jié)果與窮舉法的計算結(jié)果進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明，優(yōu)化模型可以得到令人滿意的配泵方案，且計算效率更高，可以較好地應(yīng)用于工程實踐。

順序輸送;管網(wǎng);數(shù)學(xué)模型;動態(tài)規(guī)劃;優(yōu)化運行

目前我國的成品油管道已經(jīng)初步形成網(wǎng)絡(luò)。已經(jīng)建成的成品油長輸管道有蘭成渝成品油管道、西部成品油管道、港棗成品油管道、蘭鄭長成品油管道等。另外，我國擬建的東北地區(qū)成品油管道、撫鄭成品油管道等必將使我國成品油管道連成網(wǎng)絡(luò)［1－2］。為保證管網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)地運行，有必要對成品油管網(wǎng)的優(yōu)化運行進(jìn)行研究。成品油管道順序輸送運行優(yōu)化是在對管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)建立符合管網(wǎng)特點的優(yōu)化運行數(shù)學(xué)模型，提出有效的求解方法。筆者以管網(wǎng)運行周期內(nèi)的能耗費用最小為目標(biāo)函數(shù)，考慮管網(wǎng)中各站場的進(jìn)、出站壓力約束、管網(wǎng)運行時的能量平衡約束以及管網(wǎng)高低點壓力約束等建立成品油管網(wǎng)優(yōu)化運行的數(shù)學(xué)模型并采用分階段動態(tài)規(guī)劃方法求解模型，得出管網(wǎng)系統(tǒng)在輸送周期內(nèi)各時段的優(yōu)化配泵方案。

1 優(yōu)化模型的建立

以樹枝狀成品油管網(wǎng)作為研究對象，研究的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)和計算管段劃分如圖1所示。以樹枝狀管網(wǎng)每一個樹杈所在的點作為分界點，對整個管網(wǎng)進(jìn)行計算管段的劃分。從管道首站到第一個分界點間的管段為管段1，第一個分界點到第二個分界點間的管段為管段2，第一個分界點到支線油庫2間的管段為管段3，以此類推其他管段。出于模型求解的需要，以干線上支線起點作為分界點劃分計算階段，干線首站至第一個分界點間管網(wǎng)為第一階段，第一個分界點至第二個分界點間管網(wǎng)為第二階段，其余以此類推。

圖1 成品油管網(wǎng)優(yōu)化計算管段劃分示意圖Fig.1 Pipeline segment partition diagram for optimal calculation of products pipeline network

以管網(wǎng)輸送周期內(nèi)的能耗費用最小為目標(biāo)，考慮管網(wǎng)中各站場的進(jìn)、出站壓力約束、管網(wǎng)運行時的能量平衡約束以及管網(wǎng)高低點壓力約束等建立了成品油管網(wǎng)優(yōu)化運行的數(shù)學(xué)模型，以求解管道系統(tǒng)在輸送周期內(nèi)的最優(yōu)開泵方案［3-6］。模型為

式中，f為最小總能耗費用，元;dt為時間微元，s;μijk為第i管段第j泵站第k臺泵的開關(guān)狀態(tài)，μijk=1表示泵運行，μijk=0表示泵停運，有調(diào)速電機則0＜μijk＜1;n為管網(wǎng)管段個數(shù);ni為第i管段的泵站個數(shù);kij為第i管段第j泵站泵的臺數(shù);Qij為通過第i管段第j泵站的流量，m3/s;ρij為計算時刻過第i管段第j泵站的油品密度，kg/m3;Cij為第i管段j泵站的電價，元 /(kW·h);ηij為第i管段j泵站工作效率;ηijk為第i管段第j泵站第k臺泵工作效率;m為流態(tài)指數(shù);g為重力加速度，m/s2;aijk－為第i管段第j泵站第k臺泵的揚程，m;T為模擬輸送周期，s;為第i管段末端剩余壓力，Pa;為第i管段的起點壓力，Pa;pfi為第 i管段的沿程摩阻，Pa;pξi為第i管段的局部摩阻，Pa;Δpi為第i管段的高程差損失，Pa;為第 i管段末端最小壓力，Pa;為計算時刻第m種油品在第i管段第hpi個高點處的壓力，Pa;為第m種油品在第i管段第hpi個高點處管輸條件下的飽和蒸汽壓，Pa;Pi，lpj為計算時刻第i管段第 lpj低點處壓力，Pa;為第 i管段第 lpj低點處的最大承受壓力，Pa;和分別為第 i管段 j站出站壓力和進(jìn)站壓力，Pa;為第i管段j泵站油流進(jìn)站的最小壓力，Pa;為第i管段j泵站油流出站的最大壓力，Pa。

2 模型的求解

管道輸送是使能量供應(yīng)與消耗相平衡，理想的狀態(tài)是管道的能量供應(yīng)等于管道能量消耗，優(yōu)化的目的是使管道的供能最大限度地接近運行的能量需求，以節(jié)省不必要的能耗［7-11］。以各管段起點的最低壓力作為初始條件，既滿足了泵站運行的進(jìn)站壓力要求也可以使各階段計算出的初始供能方案更能接近該階段的能量需求。然后利用分階段動態(tài)規(guī)劃進(jìn)行求解，即先利用動態(tài)規(guī)劃方法分別求解各階段最初的配泵方案，繼而以各階段整體作為新動態(tài)規(guī)劃一個階段求解全局最優(yōu)配泵方案，從第一階段開始，以前一階段余壓作為下一階段進(jìn)管段壓力，判斷下一階段初始配泵方案是否最優(yōu)，如果不是最優(yōu)則利用動態(tài)規(guī)劃方法，以前一階段余壓作為初始條件對該階段進(jìn)行重新配泵，依此類推得到整個管網(wǎng)的優(yōu)化配泵方案。

以圖1所示管網(wǎng)為研究對象，引入輸出權(quán)重做為泵站供能的調(diào)速因子，輸出權(quán)重指泵站的實際輸出壓力和泵站的最高輸出壓力的比，輸出權(quán)重在0～1取值，泵站的供能等于輸出權(quán)重乘以泵站的最大供能。設(shè)各管段各泵站的最高輸出壓力為Hij米油柱(考慮了單臺泵機組效率)，輸出權(quán)重為xij，i=1，…，n，j=1，…，ni，則全系統(tǒng)泵站因能量輸出產(chǎn)生的電費總和W(X)為所以全線泵站的費用總和函數(shù)W(X)在區(qū)域內(nèi)沒有駐點，則W(X)在區(qū)域內(nèi)沿每一條能量變化曲線是單調(diào)遞增的。

設(shè)全線輸油的費用最低需求為W0，則在滿足能量需求的配泵方案中供能越是靠近W0，其配泵方案越優(yōu)。

因此，對建立的管網(wǎng)數(shù)學(xué)模型采用以下求解過程(以圖1為例)：

(1)根據(jù)水力計算確定A、B點的最低壓力，對于管段內(nèi)的并聯(lián)泵站，根據(jù)通過該泵站的流量、泵特性及該站最低出站壓力確定需要運行的泵機組數(shù)。如果需要運行的泵機組數(shù)大于1，則把該并聯(lián)泵站看成一個單泵運行的泵站，以并聯(lián)運行泵機組的特性作為該泵的運行特性，以各管段均以最小壓力進(jìn)管段為初始條件，用已建立的數(shù)學(xué)模型對各階段分別用動態(tài)規(guī)劃求解最初的配泵方案。

3 模型的驗證與應(yīng)用

為了驗證模型的正確性，以AB成品油管網(wǎng)為例對不同工況下的配泵方案進(jìn)行建模求解，并對模型求解得到的結(jié)果和窮舉法得到的結(jié)果進(jìn)行對比。

某成品油管網(wǎng)始自山東A石化公司，終點設(shè)在安徽省B油庫，管線系統(tǒng)總長765.1 km，其管道概況如圖2所示。AB成品油管道干線有4座泵站，AB1和AB2支線在支線入口處各有3臺泵機組［12］。

圖2 AB管網(wǎng)概況示意圖Fig.2 Diagram of AB pipeline network

管道干線和支線中充滿90#汽油，各站進(jìn)出站流量如表1所示。

表1 管道干線和支線各站進(jìn)出站流量Table 1 Flow rate in/out of stations in trunk and branch lines of pipeline

進(jìn)行優(yōu)化配泵所得的配泵結(jié)果如表2所示。

表2 優(yōu)化配泵結(jié)果Table 2 Optimal pump configuration results

該算例是該輸量和分輸注入工況下管道運行能量需求最小的工況。能滿足管道安全運行的配泵方案比較多，從節(jié)能降耗的角度來看，本文提供的優(yōu)化運行算法所得的配泵方案和窮舉法所得的最優(yōu)配泵方案完全相同，能夠起到優(yōu)化運行的目的。該優(yōu)化運行算法的運算循環(huán)次數(shù)只有296次，而窮舉算法的運算循環(huán)次數(shù)高達(dá)221次，說明新算法在滿足低能耗配泵的同時極大地提高了計算速度。

4 結(jié)束語

通過分階段動態(tài)規(guī)劃法對模型的求解，得出管網(wǎng)系統(tǒng)在輸送周期內(nèi)各穩(wěn)定工況時段最優(yōu)的配泵方案，極大地提高了運算速度。以AB成品油管道為例，對采用優(yōu)化算法所得結(jié)果和窮舉法所得結(jié)果進(jìn)行了對比，說明了優(yōu)化模型的正確性和有效性。

［1］朱喜龍.我國油氣管道發(fā)展的探討［J］.煉油與化工，2005，16(2)：4－9.

ZHU Xi－long.Disscusion on the development of oil and gas pipelines in our country ［J］.Refining and Chemicals，2005，16(2)：4－9.

［2］王寶群，林燕紅，代運鐸.我國成品油管道現(xiàn)狀及展望［J］.石油規(guī)劃設(shè)計，2010，21(5)：7－9.

WANG Bao－qun，LIN Yan－h(huán)ong，DAI Yun－duo.Present status and prospect of product pipelines in China［J］.Petroleum Planning ＆ Engineering，2010，21(5)：7－9.

［3］DIEGO C Cafaro，JAIME Cerdá.Optimal scheduling of multiproduct pipeline systems using a non－discrete MILP formulation［J］.Computers ＆ Chemical Engineering，2004，28(10)：2053－2068.

［4］ANDREW E Boyd，RIDGEAY L Scott，WU Su－ming.E－valuation the quality of pipeline operation algorithms［C］.PSIG 29th Annual Meeting，1997.

［5］MIRHASSANI S A，GHORBANALIZADEH M.The multi－product pipeline scheduling system ［J］.Computers and Mathematics with Applications，2008，56(4)：891－897.

［6］CLAUDIO Veloso Barreto，LIUIS fernado Goncalves Pires，LIUIS Fernando Alzuguir Azevedo.Optimization of pump energy consumption in oil pipelines［C］.International Pipeline Conference，2004.

［7］梁永圖，宮敬，康正凌，等.成品油管道優(yōu)化運行研究［J］.石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2004，28(4)：97－101.

LIANG Yong－tu，GONG Jing，KANG Zheng－ling，et al.Optimal operation of multi－product pipeline ［J］.Journal of the University of Petroleum，China(Edition of Natural Science)，2004，28(4)：97－101.

［8］宮敬，儲祥萍，于達(dá).成品油管道優(yōu)化運行方法研究［J］.油氣儲運，2000，19(10)：22－25.

GONG Jing，CHU Xiang－ping，YU Da.Study of multiproduct pipeline optimum operating method［J］.Oil＆Gas Storage and Transportation，2000，19(10)：22－25.

［9］蔣仕章，蒲家寧.格拉管道順序輸送運行優(yōu)化研究［J］.管道技術(shù)與設(shè)備，2005(4)：1－2，6.

JIANG Shi－zhang，PU Jia－ning.Study of the operational optimization of batch transportation in Golmud－Lhasa pipeline［J］.Pipeline Technique and Equipment，2005(4)：1－2，6.

［10］梁永圖.成品油管道順序輸送運行優(yōu)化研究［D］.北京：中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院，2001.

LIANG Yong－tu.Study of optimal operation for products pipeline［D］.Beijing：College of Petroleum Engineering in the University of Petroleum，China，2001.

［11］孟振虎.輸油管道運行優(yōu)化理論與方法的分析［J］.天然氣與石油，2004，22(1)：18－22.

MENG Zhen－h(huán)u.Analysis on theory and method of optimum operation of oil pipeline technique and equipment［J］.Natural Gas and Oil，2004，22(1)：18－22.

［12］付永杰.魯皖成品油管道混油優(yōu)化運行及處理分析［J］.管道技術(shù)與設(shè)備，2007(5)：6－8.

FU Yong－jie.Analysis of the mixed oil optimal operation and treatment in Luwan product oil pipeline ［J］.Pipeline Technique and Equipment，2007(5)：6－8.

Optimal operation of multi-product pipeline network

LIANG Yong－tu1，LIU Zeng－zhe2
(1.College of Petroleum Engineering in China University of Petroleum，Beijing 102249，China;2.PetroChina Oil＆ Gas Pipeline Control Center，Beijing 100007，China)

After studying features of multi－product pipeline network，using the minimum energy cost as the objective function，an optimal mathematical model was established considering pressures and flow rate restraints，operation restraints of different pump stations and energy balance of pipeline network.The model was solved using dynamic programming algorithm.The optimal pump configuration was provided by the model.Then the optimal mathematical model was applied to some products pipeline network to demonstrate its feasibility.The results by the optimal model were compared with those of exhaustive method.The results show that the model could draw out the optimal pump configuration and work efficiently in pipeline transportation engineering.

batch transportation;pipeline network;mathematical model;dynamic programming;optimal operation

TE 832.2

A

10.3969/j.issn.1673－5005.2011.03.023

1673－5005(2011)03－0115－04

2010－10－09

梁永圖(1971－)，男(漢族)，河北懷安人，副教授，博士，主要從事油氣長距離輸送技術(shù)研究。

(編輯 沈玉英)