成品油管道順序輸送計劃調(diào)度研究綜述

張 超，翟文琪, 吳玉國

成品油管道順序輸送計劃調(diào)度研究綜述

張 超，翟文琪, 吳玉國

（遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院, 遼寧 撫順 113001）

成品油管道順序輸送計劃調(diào)度的制定是長距離石油管道運轉(zhuǎn)中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，制定能夠滿足上游和下游的需求且保證管道的使用安全性、高效性的計劃調(diào)度為在調(diào)度管理中首要的使命。成品油管道計劃調(diào)度包括成品油輸送批次順序、批量大小、管道線路的流量、分輸站分輸?shù)臅r間等，是比較復(fù)雜的決策過程。首先說明了成品油順序輸送，以及介紹了國內(nèi)外成品油調(diào)度計劃的研究歷史，然后歸納了國內(nèi)部分學(xué)者主要調(diào)度方法及模型求解方法，最后描述了中國成品油管道調(diào)度計劃發(fā)展的方向。

成品油管道; 順序輸送; 計劃調(diào)度; 優(yōu)化

中國是最先利用管子輸送流體的國家，但中國成品油管道建設(shè)起步晚，修建于1959年的新疆克拉瑪依市至獨山子市輸送石油管道，總長147 km,直徑150 mm,是我國第一條長距離原油管道。從1973年開始對成品油管道進行工業(yè)試驗，到1976年中國第一條小口徑成品油管道格爾木-拉薩管道完成[1]。20世紀(jì)90年代早期，成品油管道建設(shè)取得重大發(fā)展，逐漸的建設(shè)了克拉瑪依-烏魯木齊、撫順-鲅魚圈、鎮(zhèn)海-杭州、蘭州-成都-重慶等成品油管道，蘭成渝成品油管道建成并投產(chǎn)于2002年9月，其從甘肅省蘭州市經(jīng)陜西、四川到重慶，干線全長1 250 km[1]。據(jù)統(tǒng)計，目前全國已經(jīng)建成和在建中的主要成品油管道約為6 km，主要包括西部管道、蘭成渝管道、魯皖管道、蘭鄭長管道、黃驊港一中捷石化管道、珠三角管道、立沙管道、西南管道等[2,3]。未來30年，隨著我國經(jīng)濟的大幅提高，對石油和天然氣的需求量將不斷增加，管道輸送石油和天然氣是主要方式，石油和天然氣管道將進入一個前所未有的發(fā)展時期，國內(nèi)和國外跨國石油和天然氣管道的建設(shè)是必要的，形成我國的石油和天然氣管道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是不可避免的。所以鉆研成品油順序輸送調(diào)度計劃具有極其重大的意義。

1 成品油順序輸送簡述

隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，對石油的需求越來越大，長距離、跨國石油管道逐漸建設(shè)完成。2013年10月，中國最大的蘭鄭長成品油管道全線開通，達到了新疆成品油通過北疆管網(wǎng)、西部成品油管道與蘭鄭長管道的連續(xù)不斷輸送，直達數(shù)千公里外的華中地區(qū)，以保障了我國煉化企業(yè)成品油產(chǎn)品的輸送[4]。根據(jù)中石油企業(yè)的規(guī)劃，在2015年前后，另外一條貫穿南北的成品油主力管道——中石油撫錦鄭管道也將投入運營，錦鄭管道支干線全長 1 636 km。遼寧省范圍內(nèi)管段長198 km，90%在葫蘆島市管轄范圍內(nèi)[37]。主線起直第一站在錦州，從北到南經(jīng)由遼寧省、河北省、天津市、河南省以及這3省1市的14個地級市，最后抵達鄭州終端站。屆時，西北—西南、西北—華中、東北—華北—華中的成品油管道干線骨架將完全形成，管道運輸將會取代鐵路成為成品油運輸?shù)闹饕绞絒38]。在這樣一個龐大的管道施工建設(shè)體系中，對成品油管道規(guī)劃、調(diào)度、管道優(yōu)化運行，具有很重要的意義，是實現(xiàn)資源可持續(xù)發(fā)展的流水線操作。因此，如何實現(xiàn)管道系統(tǒng)的優(yōu)化運行，提高經(jīng)濟效益，這是科學(xué)研究和經(jīng)營管理重要的目標(biāo)。管道調(diào)度運行優(yōu)化正是解決這一問題，盡可能減少能源耗費、泵機組的能耗成本以保證運輸任務(wù)的完成，尋求最佳和最經(jīng)濟的運輸方案。輸油管道優(yōu)化運行即是在管道體系自身的構(gòu)造、程序及其周圍環(huán)境條件一定的前提下，有效的制定輸油線路的調(diào)度計劃，繼而建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型進而求解，使其在確保輸送任務(wù)的前提下降低運行費用。

這需要科學(xué)先進的規(guī)劃和調(diào)度方案的建立，對管道運行費用的分析和評價，找出差距，提出了管道的改進方向以提高經(jīng)濟效益并提供科學(xué)依據(jù)，以達到產(chǎn)品管道整體優(yōu)化運行的目的?？梢姡善酚凸艿勒{(diào)度的優(yōu)化是一個潛在的發(fā)展方向，對成品油管道的運行成本優(yōu)化有重要現(xiàn)實意義。

2 國內(nèi)外成品油調(diào)度計劃的研究歷史

目前,研究成品油調(diào)度計劃仍處于起步階段，中國仍對石油管道計劃的研究和完成摸索狀態(tài)；外國對成品油管道調(diào)度計劃的研究比較提前一些。從國內(nèi)外的文獻來看，國外在這方面的研究較多，并取得了可喜的成果[5]。

2.1 國外的研究歷史

Pinto等[6]對由一條管道、一個煉廠、多個油庫組成的系統(tǒng)進行了研究，從煉廠生產(chǎn)出來的油品必須靠長距離的輸油管道輸送到終端。產(chǎn)品的分配由煉廠到中轉(zhuǎn)站和中轉(zhuǎn)站到油品的終端兩部分組成[39]。

Sasikumar等[7]研究了一個石油掛管道輸送系統(tǒng)，管道把煉廠生產(chǎn)出來的產(chǎn)品輸送到與之連接的油庫中，并且管道是唯一連接煉廠與油庫的通道。

Sasikumar，Prakash，Patil, Ramani[7]針對單點源多終端的多批次成品油管道想出了一種啟發(fā)式搜索技術(shù)，而且得出了較好的月輸送計劃。這個基于知識的程序滿足了一系列約束條件，比如：允許的庫存水平、輸送順序以及輸送約束，并在此基礎(chǔ)上考慮了油品供應(yīng)的時間效應(yīng)。

Rejowski[8]和 Pinto[6]通過管道被分成相等的長度或單一的油品管段，開發(fā)了時間離散混合整數(shù)線性規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，主要的決策模型是與管道中輸送的產(chǎn)品以及在煉廠和終點裝載卸載操作有關(guān)的模型。

2.2 國內(nèi)的研究歷史

宋潔蔚[9]在總成本最低的前提下建立了離散時間MILP模型，考慮了質(zhì)量平衡約束、供需平衡約束、輸送批次約束以及管道運行的邏輯約束等。模型求解出各儲庫的存儲情況、油品輸送次序、油品在各油庫之間的分配情況等。后來引入了連續(xù)時間和連續(xù)體積概念使得問題具有更高的準(zhǔn)確性。

周國華[10]對成品油管道中的一條Y形多分支管道確立了離散時間MILP模型。

3 具體管道實例應(yīng)用主要調(diào)度方法和模型求解技術(shù)

3.1 主要調(diào)度方法

徐敬波等[11]根據(jù)新疆成品油管道運輸業(yè)務(wù)發(fā)展的需求和當(dāng)前開發(fā)的管道方案存在的問題，利用線性規(guī)劃為基礎(chǔ)，利用MATLAB軟件的方法，對成品油管道運輸計劃自動優(yōu)化調(diào)度設(shè)計及實施。新疆建立了成品油管道調(diào)度優(yōu)化模型及約束條件，在合理的庫房存量和烏蘭管道運輸規(guī)劃約束下, 對新疆地區(qū)克烏管道，獨烏管道，王化管道進行計劃調(diào)度優(yōu)化，并利用歷史數(shù)據(jù)進行測試，結(jié)果表明該方法可以有效地提高新疆區(qū)的油品傳輸效率。

劉靜等[12]針對中石化西南成品油管道茂名、北海雙油源輸送油品的新型運行模式，基于適用于多源成品油管道的批次調(diào)度算法，認識到影響國內(nèi)成品油管道調(diào)度計劃的因素，開發(fā)了商用批次的編程軟件，一個很好的解決了雙油源模式下對支干線油品運移的協(xié)調(diào)問題和交匯點以及轉(zhuǎn)輸站點的分輸運行機制問題。

劉學(xué)志等[13]介紹了撫順-鲅魚圈管道調(diào)度運行管理系統(tǒng)的建立，此系統(tǒng)是在復(fù)雜的多出口成品油管道安全運行的需要基礎(chǔ)上來開發(fā)的管道調(diào)度計劃運行仿真軟件。該軟件具有兩個功能模塊：項目計劃和調(diào)度優(yōu)化模塊和管道運行的仿真模塊，在第一站充油流，充分考慮控制模式、傳輸模式和交通流的限制；后一個建立了石油管道優(yōu)化運行模型,可以對其求解。

李季等[14]使用Visual Basic編程語言，結(jié)合西部成品油管道流動模型，在成品油調(diào)度計劃軟件的基礎(chǔ)上，對西部成品油管道調(diào)度計劃的研究，這個軟件會自動運行批處理，給出了帶狀圖、混油界面站地圖和交通規(guī)劃的輸出表，給調(diào)度管理提供輔助工具。

梁永圖等[15]針對成品油管道系統(tǒng)可能涉及的因素，制定了管道運行仿真軟件，根據(jù)建立的傳輸方案的一些原則，給出了交通規(guī)劃的制定步驟。以蘭成渝管道為例，說明了此軟件的功能，可以協(xié)助石油管道運營商對成品油管道的使用進行安全和有效管理。

3.2 調(diào)度模型求解技術(shù)

數(shù)學(xué)規(guī)劃是在成品油管道計劃調(diào)度的領(lǐng)域中主要的求解方法,僅次于的求解方法為啟發(fā)式方法，啟發(fā)式搜索方法更為受關(guān)注，2種方法相結(jié)合的方式使求解技術(shù)更快。另外還有一些其他求解方法，下面具體的介紹一下上面的方法：

3.2.1 數(shù)學(xué)規(guī)劃方法

數(shù)學(xué)規(guī)劃方法［16］由混合整數(shù)線性規(guī)劃 （M ILP）和混合整數(shù)非線性規(guī)劃 （MIN－LP）兩部分組成[36]。如多級批量處理的問題[17，19]，煉廠計劃和調(diào)度問題[20,21]的優(yōu)化運行，成品油輸油調(diào)度問題[22]，物流和供需平衡問題[23]。有許多數(shù)學(xué)規(guī)劃可行和有效的解決方案，包括單純形法，割平面法，分支定界法，罰函數(shù)法，牛頓迭代法[36]。分支定界的方法是基本的、常用的解決方案，文獻[24,25]就應(yīng)用了此方法求解混合整數(shù)線性規(guī)劃模型。而且，動態(tài)規(guī)劃采用多時段滾動的時間域來動態(tài)更新成品油管道順序輸送的調(diào)度計劃。還使用了管道泵機組[26]或壓縮機[27,28]結(jié)合優(yōu)化。其優(yōu)點可得到數(shù)學(xué)規(guī)劃方法的任務(wù)分配和整體排名的選擇,從而保證了全局凸和非凸優(yōu)化問題。缺點為所建立的模型帶有大量的線性/非線性約束，還有的是整數(shù)約束，當(dāng)模型較大時，給解決帶來了很大的麻煩，為了解決這些問題，專家們提出了一些措施，分別采用了以下方法重新描述約束條件[29]，增加了不可行方案的約束[30]，采用分解策略[22]，引入啟發(fā)式規(guī)則[31]。

3.2.2 啟發(fā)式方法

啟發(fā)式方法不是在多項式時間內(nèi)得到問題的最優(yōu)解，而是使用少量計算實現(xiàn)求解過程[32]。它的優(yōu)點是模型很大的情況下也能求得最優(yōu)解或滿意解。學(xué)者[27]采用此算法到天然氣管網(wǎng)的優(yōu)化運行調(diào)度中。Ming Pan[31]在交通運輸調(diào)度問題中應(yīng)用了啟發(fā)式算法。錢曉龍等[32]對于原油煉制的計劃調(diào)度問題建立了MINLP模型，用啟發(fā)式方法使其達到線性化。Vio Neves-Jr[34]對管輸調(diào)度問題建立了MIL P模型，并采用啟發(fā)式方法求得最優(yōu)解。

3.2.3 其他方法

此外調(diào)度計劃還有其他方法，比如系統(tǒng)仿真方法、遺傳算法和專家系統(tǒng)。成品油管道順序輸送調(diào)度以上幾種方法不是很普遍，只做一個簡單的介紹。所謂系統(tǒng)仿真調(diào)度[35]是建立一個系統(tǒng)的仿真調(diào)度模型，根據(jù)決策規(guī)則模擬調(diào)度，使用模型探索性地實施整個過程，記錄每個階段的系統(tǒng)狀態(tài)，進而統(tǒng)計、處理得到最優(yōu)的調(diào)度方案和數(shù)據(jù)。遺傳算法是根據(jù)生物進化原理來進行全部搜索最優(yōu)解的方法。專家系統(tǒng)主要是根據(jù)專家的經(jīng)驗知識來創(chuàng)建起所需知識庫，之后使用人工智能技術(shù)或虛擬人類的思維方式來求得調(diào)度題目。

4 展望國內(nèi)成品油管道計劃調(diào)度發(fā)展的趨勢

通過查閱大量文獻來看，對于成品油管道順序輸送調(diào)度計劃的研究主要是以下幾個方面：提高所建立的模型表達準(zhǔn)確性，盡可能接近實際。之前的模型都做了簡單處理，隨著研究的深入，現(xiàn)有的調(diào)度模型已不能滿足需求。逐漸形成了對于具體問題具體分析的思路，以后在這方面還有很多問題需要解決。二是尋找更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕７椒ê透憬莸那蠼馔緩健Ｒ驗槟Ｐ驮酱?，出現(xiàn)的變量越多，求解消耗的時間越多。采用多種方法相結(jié)合互補，相互借鑒也是未來研究的趨勢之一。如今管道正朝著網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，多做一些管網(wǎng)系統(tǒng)的研究是很有必要的[36]。

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Research on Planning and Scheduling of Oil Pipeline Batch Transportation

ZHANG Chao，ZHAIWen-qi，WUYu-guo
（College of Petroleum Engineering，Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

Planning and scheduling of oil pipeline batch transportation is one of the most particular aspects of pipeline operation, the planning and scheduling must meet upstream and downstream requirements and ensure pipeline safety. The planning and scheduling include refined oil products pipeline transportation batch order, batch size, pipeline route, sub-transmission station sub-transmission time, and so on. The decision-making process is more complicated. In this paper, the sequence of refined oil transportation was described, and research on planning and scheduling of oil pipeline batch transportation at home and aboard was introduced, and then domestic various scheduling methods were summarized as well as solution methods of the models. Finally, the development direction of China pipeline scheduling program was discussed.

Oil pipeline；Order delivery；Planning and scheduling；Optimization

TE 832

： A

： 1671-0460（2015）05-1044-04

2014-11-19

張超（1991-），男，遼寧沈陽人，遼寧石油化工大學(xué)油氣儲運工程專業(yè)在讀碩士研究生，研究方向：油氣長距離管輸技術(shù)。E-mail：zhangchao2853@126.com。

吳玉國（1977-），男，副教授，博士，研究方向：油氣儲運工程。E-mail：wyg0413@126.com。