甬紹金衢成品油管道調(diào)度計劃自動編制軟件研制與應(yīng)用

馬 晶， 廖 綺， 周星遠， 張勤賓， 張浩然， 梁永圖

(1.中國石油大學(xué)(北京) 城市油氣輸配集輸北京市重點實驗室, 北京 102249；2.中國石化 浙江甬紹金衢管道儲運分公司,浙江 杭州 310000)

甬紹金衢成品油管道調(diào)度計劃自動編制軟件研制與應(yīng)用

馬 晶1， 廖 綺1， 周星遠1， 張勤賓2， 張浩然1， 梁永圖1

(1.中國石油大學(xué)(北京) 城市油氣輸配集輸北京市重點實驗室, 北京 102249；2.中國石化 浙江甬紹金衢管道儲運分公司,浙江 杭州 310000)

甬紹金衢管道自投產(chǎn)以來，調(diào)度計劃一直由專門人員通過大量試算手工編制，為保證計劃能夠合理和正常運行，往往還需要多人校核。計劃編制耗時長、乏味枯燥、效率低的現(xiàn)狀亟待改變?；诂F(xiàn)場需求，開發(fā)了甬紹金衢成品油管道調(diào)度計劃自動編制軟件。該軟件在考慮水力工況約束、站場操作約束和混油約束等基礎(chǔ)上，采用連續(xù)時間表達法，以各個卸油站對各批次需求體積與實際卸載體積的偏差最小為目標(biāo)函數(shù)，建立數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，并利用多線程求解器對模型進行求解。現(xiàn)場應(yīng)用表明軟件制定調(diào)度計劃自動化程度高且完全滿足現(xiàn)場生產(chǎn)需要。

成品油管道； 調(diào)度計劃； 自動編制軟件

甬紹金衢管道于2010年1月28日正式開工建設(shè)，經(jīng)過三年多的建設(shè)期，2013年3月初開展了全線水聯(lián)運，具備輸油條件。該管道沿線途徑寧波、紹興、金華、衢州4個地市的13個縣(區(qū))，全長378 km，設(shè)紹興、諸暨、義烏、金華、龍游5個卸油站。

近年來浙江成品油管道快速發(fā)展，管道輸送工藝也越來越復(fù)雜，新建管道的投產(chǎn)方案制定、已建成管道的調(diào)度、水力計算等工作量越來越繁重。目前，甬紹金衢管道調(diào)度計劃需要專門人員手工編制，為保證計劃能夠合理和正常運行，往往需要多人校核。

通常調(diào)度計劃制定需要進行大量的手工試算，工作不僅耗時長，而且乏味枯燥，效率低。因此，亟需實現(xiàn)調(diào)度計劃編制的程序化，以滿足快速、準確編制調(diào)度計劃的需要。

1 軟件開發(fā)

1.1 技術(shù)難點

由于成品油管道具有油品種類多、工況變化大、調(diào)度難度大等特點，并且管道首站的油品輸入計劃與沿線各站的油品卸油計劃之間存在不同步性，使得求解成品油管道調(diào)度計劃十分復(fù)雜。

目前國內(nèi)有些學(xué)者或者機構(gòu)編制了針對成品油管道的各類模擬軟件，但軟件智能化程度尚待完善。比如宋飛等[1]開發(fā)的成品油管道調(diào)度計劃軟件，在制定調(diào)度運行計劃時，需要人為給定分輸站、分輸油品的種類和批次，給定分輸流量、分輸開始時刻或分輸結(jié)束時刻等信息，對操作人員過于依賴，沒有實現(xiàn)自動編制功能；劉增哲等[2]編制的洛鄭駐成品油管道仿真軟件，將調(diào)度計劃編制和水力模擬分為兩個模塊分別計算，編制的調(diào)度計劃往往不能符合水力約束，需要反復(fù)試算，操作較復(fù)雜。

對于甬紹金衢成品油管道，在現(xiàn)場實際運行的過程中有許多區(qū)別于其他成品油管道的特殊工藝約束，并且這些約束很難統(tǒng)一考慮，包括管道流量約束、卸油站下載流量約束、油品切割約束、油品進站壓力約束。這些特殊的工藝約束要求模型必須追蹤批次界面，準確得知批次的到站時間來對不同批次采取特殊工藝。

本軟件編制調(diào)度計劃時，用戶通過輸入管道初始狀態(tài)、首站輸油計劃及卸油站需求信息，軟件可以自動進行計算，生成合適的批次調(diào)度計劃，智能化程度高；建立的數(shù)學(xué)模型充分考慮了管道全線水力約束，確保編制的計劃能夠滿足水力要求；模型也考慮了批次界面追蹤，確保生成的計劃滿足甬紹金衢管道特殊工藝要求；軟件采用多線程求解器求解，計算速度快，結(jié)果準確，相對于同類軟件方便易用，可行性高。

1.2 理論依據(jù)

近年來，管道調(diào)度優(yōu)化問題已成為學(xué)術(shù)界的熱點問題，一些學(xué)者基于連續(xù)時間表達法，針對不同管網(wǎng)結(jié)構(gòu)調(diào)度問題進行了研究，例如D. C. Cafaro[3-4]和S. Relvas[5]主要研究了單源管道，S. A. MirHassani[6]，P. M. Castro[7]專注于枝狀管道，V. G. Cafaro[8]分析了網(wǎng)狀管道，但求得的調(diào)度計劃只是包含各站注入和下載體積的大概時間域，而不是具體操作時間。在隨后的工作中，V.G. Cafaro[9-10]在模糊計劃的基礎(chǔ)上改進模型，能夠求得詳細調(diào)度計劃。但是，目前的連續(xù)時間表達法MILP模型忽視了追蹤批次到站和批次起止的時間點[11]，不能對特定批次到達特定的站場采取特殊操作，所以導(dǎo)致這些模型無法適用于工藝要求特殊的甬紹金衢管道。

通過對比大量優(yōu)化模型，為更好的解決甬紹金衢成品油管道特殊工況問題，更好的滿足該管道現(xiàn)場需求，最終選用H.R.Zhang[12]的模型作為理論依據(jù)。該文章基于已知的時間節(jié)點順序建立線性規(guī)劃(LP)模型，以卸油站需求量與實際下載量偏差最小為目標(biāo)函數(shù)。模型考慮到了時間節(jié)點約束，油品卸油約束和批次運移約束，能夠滿足該管道提出的現(xiàn)場需求，并且采用蟻群算法(ACO)和單純形法(SM)混合算法進行求解，結(jié)果可行。

1.3 實現(xiàn)思路

軟件模型：基于H. R. Zhang[12]的理論模型，本軟件的調(diào)度優(yōu)化模塊以批次到站時間、批次下載起始時間、批次下載終止時間、首站輸入變批次時間、計劃起終時間作為時間節(jié)點[13]，采用連續(xù)時間表達法[14-15]，考慮到時間節(jié)點約束、卸油計劃約束、水力約束、管道流量約束、混油切割、混油越站約束等，以各個站對各批次需求體積與實際卸載體積的偏差最小為目標(biāo)函數(shù)，建立數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，并利用多線程求解器對模型進行求解[16-18]。

實現(xiàn)過程：本軟件模型把管道初始狀態(tài)、首站注入計劃和各卸油站需求信息作為已知條件，同時也作為判斷模型是否達到目標(biāo)的依據(jù)。按上述時間節(jié)點把整個計劃運行周期劃分成若干階段，通過批次追蹤把特定站場的約束考慮在內(nèi)，建立相應(yīng)模型求解得到每個階段具體的時間點以及每個階段每個站場都進行了何種操作。軟件后臺把這些信息進行加工整理，便能夠得到現(xiàn)場需要的運行方案和調(diào)度計劃。

計算假設(shè)：成品油管道順序輸送油品時，流態(tài)通常處于混合摩擦區(qū)或水力光滑區(qū)，采用對流態(tài)適應(yīng)性較強的阿爾特舒利公式計算水力摩擦系數(shù)[19]。若管道中有兩種油品，軟件計算摩阻時，油品物性采用加權(quán)平均的方式進行計算。為了避免造成大量混油，輸送過程中需要保證各管道輸量不低于其最低輸送流量[20]。停輸時，為防止混油擴散，用柴油填充全線管道。同時，軟件考慮了管道沿線所有站場輸油泵的流量限制，卸油站的質(zhì)量流量計和流量調(diào)節(jié)閥的流量范圍以及分輸進罐的流速要求，確保制定出的調(diào)度計劃能夠滿足管道運行的水力條件。

2 軟件功能

本軟件基于浙江甬紹金衢成品油管道的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在考慮管道的水力工況約束、站場操作約束和混油等約束的基礎(chǔ)上，綜合考慮滿足現(xiàn)場管道調(diào)度計劃所需的約束條件，探索出適用于該管道的優(yōu)化算法，基于C#計算機語言，開發(fā)了調(diào)度計劃自動編制軟件。

2.1 批次計劃自動編制

軟件可以根據(jù)用戶輸入的管道初始狀態(tài)，首站輸油計劃及各卸油站需求量等數(shù)據(jù)，調(diào)用后臺算法進行計算，自動生成完整的批次計劃。軟件生成的調(diào)度計劃階段數(shù)(如果輸油過程中某一個時間段不需要變更操作，則該時間段記為一個階段。因為需要根據(jù)輸油情況進行調(diào)整操作，所以整個調(diào)度計劃分為若干個階段。階段數(shù)是衡量是否需要頻繁操作的一個指標(biāo)，階段數(shù)越少，計劃越有利于現(xiàn)場操作)時間長短合理，有效規(guī)避了短時間內(nèi)頻繁操作的情況。同時，軟件計算得出的泵站啟泵方案基本與實際運行方案相同，全線壓力變化規(guī)律符合現(xiàn)場實際，因此編制得到的批次計劃基本不需要修改便可投入使用。

2.2 批次計劃修改

為方便對已經(jīng)制定的計劃做靈活的調(diào)整，軟件包含臨時變更計劃功能。用戶可以打開已有的計劃，在需要變更的時間點處將原有計劃截斷，軟件會自動以截斷時間點作為初始狀態(tài)，重新計算，生成新的批次調(diào)度計劃。

2.3 生成批次調(diào)度計劃表

軟件專門為浙江甬紹金衢成品油管道開發(fā)，生成的批次調(diào)度計劃可以按照現(xiàn)場需求的格式導(dǎo)出。軟件內(nèi)嵌管道調(diào)度中心運行方案總表、輸油時刻表和輸油調(diào)度令三個日常所用的表格樣式，并對表格進行了標(biāo)準化、精細化校核，確保軟件生成的表格能夠適用于現(xiàn)場需求。

3 軟件結(jié)構(gòu)

軟件的主體框架由計劃管理、靜態(tài)數(shù)據(jù)、動態(tài)數(shù)據(jù)、批次計劃、啟泵方案和幫助6大模塊組成[21]，各模塊功能如表1所示。用戶填入計算所需的基本參數(shù)，便可以開始計算，編制批次調(diào)度計劃。軟件可以自動生成批次運移圖和分輸計劃表，用戶可以自行導(dǎo)出使用。

軟件輸入、輸出模塊采用了用戶所熟悉的圖表、Excel表格、對話框及數(shù)據(jù)文件等多種形式來顯示和處理數(shù)據(jù)，符合用戶習(xí)慣，直觀明了，易于接受，不僅可以滿足用戶多種需求，而且便于用戶修改模擬過程所需的各種參數(shù)[22]。

3.1 軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場數(shù)據(jù)繁瑣零碎，復(fù)雜多樣，為方便在軟件中調(diào)用所需數(shù)據(jù)，本文將各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行了歸類匯總，整理成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖，見圖1。需要用戶操作的數(shù)據(jù)分為靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)，這些是軟件調(diào)用的數(shù)據(jù)，也是軟件計算的依據(jù)。軟件經(jīng)過計算可以生成結(jié)果展示包含的四類信息，見圖1。

圖1 軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1 Schematic diagram of software data structure

3.2 軟件設(shè)計流程

為更好的展示軟件編制思路，將軟件設(shè)計流程整理繪制成流程圖，見圖2。

圖2 軟件設(shè)計流程

Fig.2 Software design flow chart

如圖2所示，用戶首先新建計劃，然后檢查靜態(tài)數(shù)據(jù)，輸入動態(tài)數(shù)據(jù)，便可以點擊計算按鈕進行計算。算出的計劃如果不需要調(diào)整，便可以直接導(dǎo)出結(jié)果；如果需要調(diào)整，可以執(zhí)行計劃調(diào)整操作，重新進行計劃編制。

3.3 模塊功能

軟件模塊功能如表1所示，主要介紹了6個模塊，并對軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的進行了補充說明。

表1 軟件模塊功能一覽表

4 應(yīng)用算例

目前，該軟件已經(jīng)成功運用于浙江甬紹金衢管道成品油批次計劃的日常生產(chǎn)管理。下面以軟件生成2016年2月6日輸油計劃為例驗證軟件有效性。

4.1 管道初始狀態(tài)

管道初始狀態(tài)為全線充滿柴油。管道自投產(chǎn)以來，首站批次輸送順序通常是“93#汽油-97#汽油-93#汽油-0#柴油”。為保證管道安全運行，每次分輸計劃結(jié)束，均以柴油鋪底，末站要接收最后一個批次即柴油至少兩個小時，所以管道初始狀態(tài)為全線充滿柴油。

4.2 卸油站需求

甬紹金衢成品油管道首站為算山站，現(xiàn)投入運行的下游卸油站分別為：紹興、義烏、金華、龍游，諸暨站暫未投入運行。以2016年2月6日現(xiàn)場輸油計劃為例，下游各卸油站需求量和首站的注入計劃量如表2所示。

表2 首站注入量和卸油站下載量匯總

4.3 批次計劃制定

用戶將管道初始狀態(tài)，首站輸入計劃和卸油站需求計劃分別輸入后，點擊計算按鈕，軟件便自動開始計算。計算結(jié)束，軟件會給予相應(yīng)提示：編制成功或者遇到問題。如果計劃編制成功，用戶便可以點擊導(dǎo)入計劃按鈕，查看生成的計劃。

4.4 結(jié)果對比分析

圖3為軟件整體界面及生成的該輸油計劃批次運移圖截圖，展示計算結(jié)果，軟件在生成調(diào)度計劃的同時，也計算得出了相應(yīng)的啟泵方案，如表3所示。

圖3 軟件計算結(jié)果界面及批次運移圖

Fig.3 Softwareresult interface and batch migration diagram

現(xiàn)場手工編制該調(diào)度計劃通常需要4～5人且需要兩個或幾個人分工協(xié)作，本軟件僅用時136.2 s，編制速度提高100多倍。(軟件運行硬件環(huán)境為Intel i7-4790(3.6 Hz，內(nèi)存8 Gb，操作系統(tǒng)為win7 64位。)

從圖3中可以看出，該軟件編制的輸油計劃，各卸油站下載油品比較集中，首站注入流量波動控制在200 m3/h以內(nèi)，避免了全線壓力出現(xiàn)急劇變化。從表3中可以看出，軟件計算得出的泵站啟泵方案，避免了短時間內(nèi)對泵進行頻繁啟停操作，符合現(xiàn)場操作要求。

各站場下載量統(tǒng)計結(jié)果如表4所示。

表3 軟件計算得出的啟泵方案

表4 各站場下載量結(jié)果統(tǒng)計表

由表4可知，手工編制計劃偏差最大的是義烏卸油站，應(yīng)下載0#普柴11 500 t，但實際共下載了11 371 t，偏差達到了-1.122%；而軟件編制計劃偏差最大的也是義烏站，比計劃量少下載12 t，偏差僅為-0.104%。分析可知，現(xiàn)場手工編制的調(diào)度方案，由于手工計算量和編制規(guī)則的限制，實際下載量與計劃量往往存在較大的偏差,不能滿足全局最優(yōu)的要求；本軟件能夠從全局角度權(quán)衡各卸油站的下載需求，編制的調(diào)度計劃實際下載量與計劃量偏差較小。

因此，軟件編制計劃的優(yōu)勢在于編制速度快，效率大幅提升；得出的方案避免頻繁啟停泵，符合現(xiàn)場操作習(xí)慣，可行性高，綜合考慮管道全線，得出全局最優(yōu)方案，下游各站實際下載量與計劃量偏差非常小，遠遠優(yōu)于手工編制的方案。

5 結(jié)論

甬紹金衢成品油管道調(diào)度計劃自動編制軟件充分考慮了甬紹金衢現(xiàn)場操作習(xí)慣和運行規(guī)范，添加了相應(yīng)的約束條件，計算出的運行方案可行性強，為調(diào)度人員編制方案提供了強有力的參考。同時，軟件能夠快速輸出批次運移圖、運行計劃總表、輸油時刻表和調(diào)度令，縮短計劃編制周期、增強計劃安全性和可行性、降低運行成本，從而提高經(jīng)濟效益起到了非常重要的作用。

[1] 宋飛,梁靜華,李會朵,等. 成品油管道調(diào)度計劃軟件的開發(fā)與應(yīng)用[J]. 油氣儲運,2004,23(2):5-7. SongFei, Liang Jinghua, Li Huiduo, et al. The development and application of pipeline schedule and simulation software for products pipeline[J]. Oil and Gas Storage and Transportation， 2004, 23(2)：5-7.

[2] 劉增哲,梁永圖,于達. 洛鄭駐成品油管道仿真軟件設(shè)計[J]. 油氣儲運,2009,28(4):34-37. Liu Zengzhe, Liang Yongtu, Yu Da. Design of simulation software for Luoyang-Zhengzhou-Zhumadian oil product pipeline[J]. Oil and Gas Storage and Transportation, 2009,28(4)34-37.

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

[4] Cafaro D C, Cerdá J. Efficient tool for the scheduling of multiproduct pipelines and terminal operations[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2008, 47(24): 9941-9956.

[5] Relvas S, Matos H A, Barbosa-Póvoa A P F D, et al. Pipeline scheduling and inventory management of a multiproduct distribution oil system[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2006, 45(23): 7841-7855.

[6] MirHassani S A, Ghorbanalizadeh M. The multi-product pipeline scheduling system[J]. Computers & Mathematics with Applications, 2008, 56(4): 891-897.

[7] Castro P M. Optimal scheduling of pipeline systems with a resource-task network continuous-time formulation[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2010, 49(22): 11491-11505.

[8] Cafaro V G, Cafaro D C, Méndez C A, et al. Detailed scheduling of single-source pipelines with simultaneous deliveries to multiple offtake stations[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2012, 51(17): 6145-6165.

[9] Cafaro V G, Cafaro D C, Méndez C A, et al. Detailed scheduling of operations in single-source refined products pipelines[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2011, 50(10): 6240-6259.

[10] Cafaro V G, Cafaro D C, Méndez C A, et al. MINLP model for the detailed scheduling of refined products pipelines with flow rate dependent pumping costs[J]. Computers & Chemical Engineering, 2015(72):210-221.

[11] 張強, 梁永圖, 王大鵬,等. 成品油管道調(diào)度計劃算法的改進與應(yīng)用[J]. 石油化工高等學(xué)校學(xué)報, 2008, 21(2):76-79. Zhang Qiang, Liang Yongtu, Wang Dapeng, et al. Improvement and application of the algorithm of making stripping schedule for certain multi-product pipeline [J]. Journal of Petrochemical Universities, 2008, 21(2):76-79.

[12] Zhang H R, Liang Y T, Xiao Q, et al. Supply-based optimal scheduling of oil product pipelines[J]. Petroleum Science, 2016, 13(2): 355-367.

[13] VioNeves-Jr, Leandro Magat. An efficient approach to the operational scheduling of a real-world pipeline network[J]. Computers and Chemical Engineering, 2007(24): 697-702.

[14] Neiro S M S, Pinto J M. A general modeling framework for the operational planning of petroleum supply chains[J]. Computers and Chemical Engineering,2004(28): 871-896.

[15] Cafaro D C, Cerda J. Optimal scheduling of multi-level tree-structure pipeline networks[J]. Computer Aided Chemical Engineering, 2011(29):980-984.

[16] Rejowski R Jr, Pinto J M. Scheduling of a multiproduct pipeline system[J]. Computers and Chemical Engineering, 2003, 27(8-9): 1229-1246.

[17] Westhoff M A. Scheduling, modeling and monitoring transportation and exchange gas[C]//PSIG Annual Meeting. Pipeline Simulation Interest Group, 1989.

[18] Shah N.Mathematical programming techniques for crude oil scheduling[J]. Computers and Chemical Engineering, 1996(20):1227-1232.

[19] 楊筱蘅.輸油管道設(shè)計與管理[M].東營：中國石油大學(xué)出版社，2011: 52.

[20] 付曉東, 王岳, 付吉強,等. 混油對成品油管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的影響分析[J]. 石油化工高等學(xué)校學(xué)報, 2010, 23(3):90-93. Fu Xiaodong, Wang Yue, Fu Jiqiang, et al. Mixed oil influence analysis in the product pipeline network optimal design [J]. Journal of Petrochemical Universities, 2010, 23(3):90-93.

[21] 梁永圖. 西南成品油管道輸送模擬軟件[J]. 油氣儲運,2006,25(6):11-14. Liang Yongtu. The development of simulation software for South-West multi-product pipeline operation[J].Oil and Gas Storage and Transportation,2006,25(6)：11-4.

[22] 郭秋麟,陳寧生,劉成林,等. 油氣資源評價方法研究進展與新一代評價軟件系統(tǒng)[J]. 石油學(xué)報,2015,36(10):1305-1314. Guo Qiulin, Chen Ningsheng, Liu Chenglin, et al. Research advance of hydrocarbon resource assessment method and a new assessment software system[J]. Aeta. Petrolei. Sinica., 2015,36(10):1305-1314.

(編輯 王亞新)

The Development and Application of Automatic Scheduling Software for Yongshaojinqu Products Pipeline

Ma Jing1, Liao Qi1, Zhou Xingyuan1, Zhang Qinbin2, Zhang Haoran1, Liang Yongtu1

(1.BeijingKeyLaboratoryofUrbanOilandGasDistributionTechnology,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing102249,China;2.SinopecZhejiangYongshaojinquPipelineCompany,HangzhouZhejiang310000,China)

Since the production of Yongshaojinqu pipeline started, the scheduling plan was generally calculated by special stuff through a manual preparation, which needed a number of tentative calculations, and it was tedious and time-wasting. The plan needs to be checked by several engineers to ensure that it is reasonable and safe enough to be used in the field. To deal with the problems mentioned above and achieve the goal of making scheduling plan automatically, the software is developed by China University of Petroleum(Beijing). Through taking the hydraulic conditions constrains, operational constraints and contaminated oil constraints into consideration, a scheduling programming model is established using continuous time expression with the basis of demand volume and the actual delivering volume in each station for the minimum objective function. Moreover, in order to accelerate the speed of solving, a multithreaded solver is used to solve the model. The software has been applied on-site until now. In addition, it is verified that the software calculates fast and automatically and can meet the production requirements perfectly.

Products pipeline; Scheduling plan; Automatic scheduling software

1006-396X(2016)06-0086-06

投稿網(wǎng)址：http://journal.lnpu.edu.cn

2016-07-25

2016-09-26

國家自然科學(xué)基金資助項目“成品油管道批次輸送過程中的復(fù)雜傳熱傳質(zhì)機理研究”(51474228)。

馬晶(1991-)，男，碩士研究生，從事油氣長距離管輸和油氣田集輸方面的研究；E-mail：cupmajing@163.com。

梁永圖(1971-)，男，博士，教授，從事油氣長距離管輸和油氣田集輸方面的研究；E-mail：liangyt21st@163.com。

TE832

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2016.06.017