年輸量不確定的油氣管道優(yōu)化設計

江濤

摘 要：隨著社會的發(fā)展和不斷進步，以及現(xiàn)代化建設的開展，人們對各項能源的需求日益增加。為更好的滿足人們對能源的需求，需要通過管道將石油、天然氣等能源運輸?shù)匠鞘小⑧l(xiāng)鎮(zhèn)中。與以往的水上運輸、鐵路運輸、公路運輸?shù)冗\輸方式相比較，管道運輸?shù)姆绞礁哂邪踩?、穩(wěn)定性、可靠性、經(jīng)濟性和連續(xù)性等。并且通過管道進行石油、天然氣的運輸，有利于降低管理的難度和工作量，并提高管理的質量和效率，有利于進行自動化管理等優(yōu)勢。

關鍵詞：油氣管道；油田開發(fā)；市場擴展

隨著人們對石油、天然氣能源需求的增加，擴大了管道建設的規(guī)模。但是在進行管道建設時，需要投入大量的資金，為在保障質量的前提下實現(xiàn)費用的最小化，需要不斷尋求最優(yōu)的組合方案。結合經(jīng)濟學原理，分析各個可行性方案，并進行經(jīng)濟性的比較、綜合效益的評價等，找尋既具有技術性又具有經(jīng)濟性的最優(yōu)組合。保障該方案具有先進的施工技術、合理的經(jīng)濟效果。當前階段國內外在進行油氣管道的優(yōu)化設計時，應用較為先進的優(yōu)化理念和方法，并進行深入的研究，從而得到較好的研究成果。

1 我國油氣管道優(yōu)化設計的概況

我國在油氣管道優(yōu)化設計方面的研究起步較晚，廣大石油工作者自20世紀80年代以來在油氣管道優(yōu)化設計工作中取得了可喜的成績，研究成果應用在生產上產生了巨大的經(jīng)濟效益。1986年，朱琦的《關于長距離輸氣干管經(jīng)濟管徑的研究》提出了經(jīng)濟管徑的概念，用總折合費用最小來確定經(jīng)濟管徑，并給出了經(jīng)濟數(shù)學模型，但只優(yōu)化了管徑。1990年，雍歧東和肖芳淳的《管道結構中的多目標模糊優(yōu)化》考慮到管道結構經(jīng)濟費用與輸送油氣的水力摩阻成反向變化，引入了多目標模糊優(yōu)化設計，且采用了復合型法運算。2003年，嚴宏東對熱含蠟原油管道采用改進混沌算法，將混沌算法和復合型算法相結合，得到了比單一的混沌算法和復合型算法更好的優(yōu)化結果。

管道設計方案優(yōu)選方法主要有三大類，即方案比較法、最優(yōu)化方法和灰色關聯(lián)分析法。案比較法通過比較年折合費用，選擇費用最小的方案作為最優(yōu)方案，但計算的方案數(shù)有限，容易遺漏最佳方案，方案相差不大時難以取舍。最優(yōu)化方法依靠建立折合費用和設計參數(shù)間近似的函數(shù)關系來確定最優(yōu)參數(shù)，需要建立復雜的數(shù)學模型，設計變量多。這兩種方法都是依靠比較折合費用最小值來確定最優(yōu)方案，有時具有片面性，得到的設計參數(shù)不符合工程實際情況?；疑P聯(lián)分析法綜合考慮經(jīng)濟費用、工藝參數(shù)等多因素，進行多因素分析比較，方案優(yōu)劣排序能反映整個設計方案的優(yōu)劣，優(yōu)選出的方案不僅能節(jié)省投資和操作費用，而且能較好地反映工程實際。但在灰色關聯(lián)分析法中，各技術經(jīng)濟指標和各工藝參數(shù)等所處的地位相同，而實際工程更側重于費用因素。

上述這些研究成果能夠大量減少設計時間，降低設計費用，提高設計結果的準確性。但是這些研究成果都或多或少地存在一些問題，沒有哪一個方法為絕對的最好，有的在設計時只考慮有限的影響因素，不夠全面；有的把一個整體的系統(tǒng)人為地分成幾部分加以分析；有的算法本身就存在一定的缺陷，如動態(tài)規(guī)劃法難以避免“維數(shù)障礙”，遺傳算法、模擬退火算法、復合型法等隨機搜索方法容易過早地陷入局部最優(yōu)解，梯度法對復雜函數(shù)求導困難，枚舉法計算量又太大等。

2 年輸量不確定的油氣管道的優(yōu)化設計

在進行油氣管道的設計時存在較多的不確定因素，其中年輸量的不確定對油氣管道的設計工作產生的影響最大。以往在進行油氣管道的優(yōu)化設計時，其前提條件便是某設計的年運輸量，從而根據(jù)該運輸量進行設計方案的優(yōu)化，在保證質量的前提下，尋找費用最低的設計方案，并且當該優(yōu)化設計方案投入使用后，可根據(jù)油氣管道年運輸量的改變對管道進行泵站、熱站的增加或減少。

在實際的油氣管道工程中，管道上游石油、天然氣資源的供應量，管道下游消費市場的消費能力等決定著該管道工程的規(guī)模。但是開發(fā)資源和開發(fā)市場都不是一蹴而就的，需要長期進行。所以油氣管道的年輸量受資源供應、市場消費的影響，無法有效的確定最高產量、最低產量的具體數(shù)值。因此在進行油氣管道的設計時，若將年輸量固定在某一數(shù)值上，對于具有較大運輸量和較長運輸距離的管道，無法在初期使運行狀態(tài)達到滿負荷，而收資源開發(fā)和市場開發(fā)的影響，年輸量的規(guī)模會逐漸擴大。當資源逐漸使用，儲存量下降后，油氣管道的年輸量也會跟著下降，所以制定一個合理的設計方案十分重要且必要。

將輸石油管道作為此次進行優(yōu)化設計的例子，通常在進行油田的開發(fā)時，進行長輸油管道的建設，此時油田仍處于未穩(wěn)產的狀態(tài)。地下情況相對復雜，影響油田產量的因素較多，因此在油田的開發(fā)初期很難具體確定油田的穩(wěn)產量，甚至會出現(xiàn)實際產量與預期產量相差較大，下一階段與上一階段產量相差較大的情況。造成管道設計輸量與建成后的實際輸量不一致（偏大或偏?。?，使建成的管道不能滿足經(jīng)濟輸送要求。因此，在建設原油長輸管道前，要考慮油田初期、中期和遠期的產量規(guī)劃，正確分析油田的產量變化趨勢，使油氣管道設計方案盡可能接近實際的最優(yōu)方案，并充分考慮各種不確定性因素，尤其是輸量的不確定性對設計方案的影響，尋找最佳設計輸量，確定合理經(jīng)濟的設計方案。

需要現(xiàn)制定一個合理的開發(fā)計劃，并按照該計劃進行油田的開發(fā)，先確定某年的運輸量。設定該油氣管道建成并投入使用后，可能出現(xiàn)m中實際運輸量。設定為Q1、Q2、Q3....Qm，并且Q1

運輸量Qi（i=1、2、3.....m），實際運輸量為Qj（j=1、2、3....m），并且該設計方案的費用是Fj（j=1、2、3....m），Qj出現(xiàn)的概率則為Pj（j=1、2、3....m）。按照該設計方案建設的油氣管道，其投資費用的現(xiàn)值期望值及方差分別為：

E（Qi）=■Fj·Pj i=1，2，…m；j=1，2，…m

？滓（Qi）=■

其中E（Qi）為按照Qi進行設計的費用現(xiàn)值期望值，而σ（Qi）則為按照Qi進行設計的方差。

比較不同設計輸量Qi下油氣管道設計方案費用現(xiàn)值，期望值越小，方案越優(yōu)，根據(jù)這一準則就可以確定出最佳設計輸量和最優(yōu)油氣管道設計方案。

3 結束語

在油氣管道的建設工程中，優(yōu)化設計階段是整體工程的重要組成部分，并且是保障油氣管道運輸安全性、穩(wěn)定性、和設備使用功能正常發(fā)揮的重要階段。以往在進行油氣管道的設計時，未能充分考慮能源開采、市場消費等對年輸量產生的影響。從而按照某一固定的年輸量數(shù)值進行油氣管道的優(yōu)化設計，致使部分油氣管道存在設備閑置，部分油氣管道無法滿足實際的運輸量等現(xiàn)象。因此在進行油氣管道的優(yōu)化設計時，應充分考慮到年輸量的不確定性的特點，結合能源開發(fā)和市場開發(fā)的情況下運輸量較大、能源儲存量下降導致運輸量下降等情況。對于油氣管道無法滿足實際運輸情況的，應及時采取相關措施如加泵站等方法進行調整。并且在保障運輸安全性、穩(wěn)定性和質量的前提下，使成本最低。

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