最優(yōu)化方法在油氣管道集輸中的應(yīng)用

最優(yōu)化理論主要研究如何在眾多方案中選擇最佳方案，構(gòu)造尋求最佳的計算方法，被廣泛地應(yīng)用于經(jīng)濟管理、工程應(yīng)用及最優(yōu)控制等領(lǐng)域。在油氣管道工程設(shè)計、施工、運行和維護等方面，利用最優(yōu)化方法可以提高設(shè)計水平和施工效率、降低管道運行成本、縮短設(shè)計時間，從而節(jié)省工程投資，為油氣管道企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

一、生產(chǎn)運行優(yōu)化

1.單油品輸送

王清根據(jù)孤東原油管道運行現(xiàn)狀以及孤永東管道和孤羅東管道的運行參數(shù)，在不改變現(xiàn)有設(shè)備和保證原油外輸量的前提下，制定優(yōu)化運行方案，即把2條管道作為1個輸油系統(tǒng)，選擇以2條管道的最低進站油溫為最低允許輸油溫度，將孤島首站總的輸油量合理匹配給2條管道，實現(xiàn)孤東管道全年壓力越站，減少首站的節(jié)流損失，提高孤羅東管道的輸送量，達到節(jié)能降耗的目的。

針對庫鄯輸油管道采用變頻調(diào)速主泵，孫勝戈以能耗最小為目標函數(shù)，以輸油計劃的運行時間和輸油量為約束條件，建立庫鄯輸油管道優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。采用線性規(guī)劃法（Lindo軟件）進行求解，并對目標函數(shù)系數(shù)進行靈敏度分析。該方法操作簡單，忽略非正常停輸?shù)挠绊?，能夠發(fā)揮變頻調(diào)速泵的節(jié)能效果。

徐嚴波等建立包括連續(xù)變量和離散變量的輸油管道優(yōu)化運行的數(shù)學(xué)模型，以熱力費用和動力費用的總和為目標函數(shù)，以出站油溫上下限、總壓頭、出站壓頭、加熱爐的熱負荷上下限、允許輸量的上下限為約束條件，利用混合離散變量組合形（MDCP）法求解數(shù)學(xué)模型。根據(jù)所求解問題的規(guī)模、目標函數(shù)和約束函數(shù)的形態(tài)和復(fù)雜程度，在運算過程中對所輸出的信息進行人工干預(yù)或改變計算策略，能夠有效地解決離散變量約束非線性參數(shù)尋優(yōu)問題。

高松竹等以所有增壓站投入運行的泵機組消耗的總動力費用最小為目標函數(shù)，以進出站壓力、強度、水力、泵站特性﹑運行泵效率和軸功率為約束條件，建立長距離輸油管道優(yōu)化運行模型，利用由模擬退火算法和遺傳算法結(jié)合構(gòu)成的混合遺傳算法對模型求解。結(jié)果表明，混合遺傳算法具有快速搜索、易收斂和魯棒性強的特點，動力費用最低。

嚴宏東以燃料和動力費用最小為目標函數(shù)，考慮輸油管道總基建投資、熱泵站和泵站的總投資、輸油管道動力費用和燃料費用及全部職工工資支出，以強度約束、泵特性﹑熱力和水力為約束條件，建立熱油管道優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。改進混沌綜合法對模型進行求解。結(jié)果表明：該方法能夠節(jié)省工程投資，降低設(shè)計成本，縮短設(shè)計時間，綜合利用混沌搜索容易找到全局最優(yōu)解的近似解，復(fù)合型法局部收斂快，能將混沌優(yōu)化方法與復(fù)合型法的優(yōu)點結(jié)合起來。

2.多油品輸送

王立貴在成品油輸油管道的結(jié)構(gòu)與配置信息和每個分銷中心儲油罐的信息已知，在調(diào)度計劃時域末每個分銷中心所下訂單全部滿足，沿管道運送中的油品順序已知，泵入管道各油品的體積已知，煉油廠的生產(chǎn)調(diào)度計劃已知，煉油廠和各分銷中心油罐的可用儲存量已知，煉油廠和各分銷中心油罐的最大、最小儲存能力已知，以及油品泵入管道的最大速率、管道向分銷中心供應(yīng)油品的最大速率、分銷中心向油品市場輸送油品的最大速率已知，調(diào)度計劃的時域已知等前提條件下，以管道的總運行成本費用最小為目標，建立17個約束條件，應(yīng)用軟件ILOG OPL Studio3.6對模型進行求解。

蔣仕章等給出多油品混油“界面”處于管道某特殊點時全線壓能平衡方程和各校核點動壓方程的計算公式。根據(jù)格爾木－拉薩管道改造方案，以尋求最大輸量為目標，對其工況進行優(yōu)化研究。在尋求最優(yōu)調(diào)節(jié)方案時，采用上游調(diào)節(jié)優(yōu)先，先停運泵機組、后分配節(jié)流壓力的方法。對格爾木－拉薩管道線路縱斷面疑點進行動壓校核，搜索解算油品“界面”處于管道各特殊點時滿足工藝約束條件的最大可行輸量，最終找到貼近實際的最優(yōu)工況。并對“旁接油罐”油品混輸方式進行優(yōu)化研究。

對東北含蠟輸油管網(wǎng)，高延寧考慮熱力費用、動力費用和清管費用，建立以輸油成本為目標函數(shù)，以余蠟厚度、清蠟周期為決策變量的數(shù)學(xué)模型，并用對分數(shù)值方法進行求解。通過調(diào)度運行數(shù)據(jù)優(yōu)化，計算季節(jié)因素影響的輸油成本。該模型適合低輸量下高含蠟原油管道的清蠟周期和余蠟厚度計算。

孟振虎就輸油管道運行優(yōu)化目標函數(shù)進行討論，認為要想獲得全局最優(yōu)解的前提條件是目標函數(shù)必須為凸函數(shù)，對單變量優(yōu)化此條件可降低為單峰，對不滿足前提條件的優(yōu)化運行目標函數(shù)必須進行處理，包括圖形處理法、調(diào)整尋優(yōu)區(qū)間搜索法、曲線方程擬合法。他提出長輸管道加熱輸送原油時對泵特性的影響及特性黏度換算的動態(tài)處理方法，進行修正系數(shù)的動態(tài)搜尋及泵性能自動換算。優(yōu)化結(jié)果表明，進泵原油粘度對泵流量和揚程影響較小，但對泵效影響較大。采用先泵后爐工藝時，泵的黏性影響在優(yōu)化分析時不可忽略；若采用先爐后泵工藝，可消除泵的黏性影響。

崔慧等在管道日輸油量給定的條件下，合理選擇24h中不同時段的輸油流量，使該管道既能完成日輸油量，同時全天的總能耗費用最低，考慮基于峰谷電價體制下的運行現(xiàn)狀，建立線性規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，提出日輸油計劃優(yōu)化問題，總結(jié)峰谷電價體制下日輸油計劃方式規(guī)律。結(jié)果表明，在該體制下東北管網(wǎng)具有一定的節(jié)能降耗潛力。由于容易受到管道本身運行特性的約束影響，與熱油管道相比該方法更適合于等溫管道。

崔之健等以燃料費和電費之和最小為目標函數(shù)，以出站溫度、進站溫度、強度、水力、泵特性為約束條件，建立長輸熱油管道運行優(yōu)化模型，并采用自適應(yīng)模擬退火算法，編寫輸油管道運行優(yōu)化軟件。該方法能夠降低燃料費用，計算出站合理溫度，平衡燃料費用和電力費用結(jié)構(gòu)比例，實現(xiàn)節(jié)能優(yōu)化運行。

二、生產(chǎn)建設(shè)優(yōu)化

馬二龍等為解決由阿賽輸油管道供油量不均衡而導(dǎo)致的頻繁調(diào)整運行方式和增大輸油成本的問題，根據(jù)管輸方式、各站設(shè)備規(guī)格、原油物性和運行參數(shù)等，進行不同運行方式下的輸油量、啟泵日耗電量、啟泵電單耗、啟泵電費、組合后電費、全線電單耗、全線組合電耗計算，對12種運行方案進行優(yōu)選，得到費用最低的組合運行方案。

李家強在劉坪—姚店輸油管道設(shè)計中，根據(jù)陜北黃土高原地區(qū)管道走向落差較大的特點，在設(shè)計中充分利用最高點與末站的650m落差位能，克服高點至末站沿程長約104km的摩阻損失，采用變徑管的方式解決末站進站壓力高的問題。該方法是在已制造的管材基礎(chǔ)上進行考慮的，沿程水力損失適中，降低管道壓力，可以實現(xiàn)一泵到底及選用揚程較低的輸油泵，而不需要在管道沿途再增壓，充分利用輸油首站的壓能和管道沿線地形的勢能。

姚明岐根據(jù)秦京線輸油管道輸油泵機組的配置情況，為改進工藝流程、增強輸油泵性能、提高管道水力運行效率等，結(jié)合每臺輸油泵機組的性能，提出優(yōu)化組合的總體原則：一是優(yōu)先選用高效泵；二是充分發(fā)揮調(diào)速設(shè)備的作用；三是對DKS型輸油泵采用進口調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。給出秦京線輸油泵機組優(yōu)化組合的3種運行方式，對每種運行方式的全線啟泵臺數(shù)、日輸油量及單位耗電量等進行傳統(tǒng)經(jīng)驗方法優(yōu)選，并根據(jù)不同的當量管內(nèi)徑，選擇不同的輸油量運行方式。

朱坤鋒利用蘭成渝管道成品油順序輸送管道優(yōu)化設(shè)計，分析順序輸送中不同混油處理方式，通過對蘭成渝成品油管道首、末站及分輸油庫罐容的確定及經(jīng)濟分析，實現(xiàn)分批次罐容的優(yōu)化設(shè)計。采用不完全投資方法，即管道中相同部分不參與經(jīng)濟比較，對優(yōu)化結(jié)果有影響的部分參與比較，進行方案的設(shè)計壽命動態(tài)經(jīng)濟分析，以確定最優(yōu)的循環(huán)次數(shù)和全線需要設(shè)置的儲罐總?cè)萘?，這為管道的順序輸送提供了一種新思路。

魏立新等以支撐機具的數(shù)量最少為目標函數(shù)，在強度約束、穩(wěn)定性約束等條件下，建立具有固定修復(fù)長度的埋地輸油管道開挖優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，采用遺傳算法對數(shù)學(xué)模型進行求解。結(jié)果表明：《管道修復(fù)規(guī)范》中制定的懸空段長度偏于保守，可以根據(jù)修復(fù)段的實際工況適當延長懸空段長度，減少支撐機具的使用數(shù)量，以提高管道修復(fù)效率和降低成本。

三、發(fā)展趨勢

每種優(yōu)化方法都各有其優(yōu)缺點及適用范圍，應(yīng)考慮采用綜合的優(yōu)化策略。傳統(tǒng)優(yōu)化方法應(yīng)用范圍受到一定程度的限制。

隨著曾經(jīng)簡化的因素被重新引入到優(yōu)化數(shù)學(xué)模型中，使得模型從泵管解耦、單站計算逐漸發(fā)展到泵管耦合、逐站計算的全線系統(tǒng)優(yōu)化模型，求解算法從二階處理(先優(yōu)化加熱方案，再據(jù)此經(jīng)二次分析確定泵的運行方式)，發(fā)展到全線泵爐設(shè)備綜合優(yōu)化的最佳運行方案，越來越接近于生產(chǎn)實際。

優(yōu)化目標函數(shù)主要考慮動力和熱力成本、工藝要求，無論是單變量還是多變量，若在尋優(yōu)區(qū)間不滿足模型數(shù)學(xué)性質(zhì)的凸性或至少為單峰條件時，無論采用何種非線性優(yōu)化方法，所得到結(jié)果多是局部最優(yōu)解，即使有些模型的求解算法經(jīng)過巧妙的改進。

優(yōu)化約束條件越來越復(fù)雜，包括進出站壓力、強度、水力、泵站特性﹑運行泵效率、軸功率、熱阻損失、摩阻缺失、人員工資、電單耗，計算包括全線泵爐設(shè)備啟用位置、運行組合、越站方式及啟用熱站原油出站加熱溫度，預(yù)測出各站油流進出口溫度、壓力參數(shù)等，并通過引入泵的原油黏性影響處理，實現(xiàn)泵特性黏性曲線自動換算。

運用大型的工程計算軟件對輸油管道進行優(yōu)化時，應(yīng)該了解軟件自身優(yōu)化運行原理及模型，否則有些計算結(jié)果對生產(chǎn)的指導(dǎo)可能有誤。

以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機、模擬退火算法、混合遺傳算法、免疫遺傳算法、改進混沌法等為代表的智能優(yōu)化算法成為求解優(yōu)化模型的主要方法，它們在非線性規(guī)劃問題方面能夠克服局部收斂，提高計算精度，減少迭代次數(shù)等缺陷，在獲得全局最優(yōu)解的能力方面具有突出的優(yōu)勢，代表求解算法的未來發(fā)展方向。

考慮結(jié)蠟狀況、管道承壓能力、進站壓力、末站進站油溫和泵特性等約束條件之間的相互影響因素，建立基于泵管耦合、逐站計算及泵特性為基礎(chǔ)的目標函數(shù)及約束條件，是最優(yōu)化方法將來發(fā)展的主要方向。

（作者：中共四川省委組織部，

西南石油大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院博士）