最優(yōu)化在油氣儲運工程中的應(yīng)用

＊徐浩溥

（海灣工程有限公司 河北 050000）

引言

油氣資源在生產(chǎn)、生活中發(fā)揮著重要作用，油氣儲運作為開發(fā)中不可或缺的環(huán)節(jié)，會直接影響油氣產(chǎn)品質(zhì)量、自然環(huán)境等。隨著各行業(yè)對油氣產(chǎn)品需要量的增加，如何有效開發(fā)和利用油氣資源成為社會各界關(guān)注的問題之一，通過擴大油氣儲運工程建設(shè)規(guī)模、儲運量，解決油氣資源供需不平衡問題，將最優(yōu)化這種數(shù)學方法應(yīng)用其中，輔助施工人員選擇最佳的儲運計劃，在促使儲運效率提高的同時，為解決油氣分配、運輸以及油庫布局和規(guī)劃等問題提供參考。

1.最優(yōu)化、油氣儲運工程及其該方法應(yīng)用的價值分析

(1)最優(yōu)化

最優(yōu)化作為數(shù)學學科中常用的一種解題方法，即全面地對相關(guān)條件進行分析，以數(shù)學運算的方式尋找最佳的方案。該方法的關(guān)鍵在于尋找到研究對象、外部事物二者之間的聯(lián)系，通過現(xiàn)有的條件使事物的最大價值得以體現(xiàn)[1]。由于該方法所涉及的數(shù)學計算比較多，為了確保計算的準確性、效率，在應(yīng)用該方法解決復(fù)雜問題時，可以利用計算機進行計算。該方法研究的對象包括：生產(chǎn)經(jīng)營活動或各類系統(tǒng)性的管理問題，目的是獲取各類資源合理運用的最優(yōu)方案，發(fā)揮系統(tǒng)最大化效能，目前，該方法多應(yīng)用于工程建設(shè)、公共管理等領(lǐng)域，且取得較好的成效。在油氣儲運工程中應(yīng)用該方法，實質(zhì)是綜合考慮工程經(jīng)濟、環(huán)保、安全等因素，制定出最佳的油氣儲存、運輸方案，在滿足油氣實際需求的同時，實現(xiàn)儲運成本、資源的節(jié)約。

(2)油氣儲運工程

油氣儲運工程指的是為原油、天然氣等油氣提供儲存、運輸?shù)南到y(tǒng)化工程。油氣儲運的流程為：首先，借助相關(guān)裝置收集油氣井口所產(chǎn)生的油氣水化合物；然后，以管道傳輸?shù)姆绞綄⑵鋫鬏數(shù)教幚硌b置，對油氣進行加工處理；最后，將符合質(zhì)量要求的油氣產(chǎn)品通過管道運輸?shù)街付ǖ牡胤剑谡麄€油氣儲運過程中，對油氣加工處理的技術(shù)、管道設(shè)備質(zhì)量等要求比較高。我國早期的油氣儲運工程，其應(yīng)用主要集中于油氣資源的開發(fā)、利用，我國早期的管道運輸最長為幾百公里長度，隨著管道運輸行業(yè)的不斷發(fā)展，油氣儲運工程逐漸成型，其中所建成的克拉瑪依至獨山于的長輸油管道具有一定的代表性，可以反映出我國油氣儲運工程已實現(xiàn)了長距離運輸。隨著我國大慶油田、遼河油田等的開發(fā)，與大連、鐵嶺等輸油管道的連通，為油氣儲運工程的進一步發(fā)展打下基礎(chǔ)，尤其是西氣東輸事件可以突顯出天然氣運輸?shù)膬r值，逐漸在多行業(yè)應(yīng)用油氣儲運工程，推動儲油技術(shù)、管理技術(shù)的不斷革新，為油氣儲運工程提供廣闊的發(fā)展空間。

(3)應(yīng)用價值

其一，在油氣儲運工程建設(shè)中，需根據(jù)工程實際、成本等因素制定多個方案，從中選擇出最優(yōu)方案，目的是在滿足設(shè)計要求的基礎(chǔ)上節(jié)約成本。在選擇方案的過程中，應(yīng)用最優(yōu)化法來確定工程各項指標權(quán)重，建立評價矩陣，在處理指標值的基礎(chǔ)上建立評價模型，根據(jù)評價結(jié)果對該方法所確定的指標權(quán)重值的合理性進行驗證。其二，油氣本身具有易揮發(fā)、易燃易爆等特點，需不同類型的管道、設(shè)備以及站場輔助油氣集輸工作實施。另外，這些設(shè)備在重壓、腐蝕的作用下容易出現(xiàn)破裂，油氣的泄露不僅污染環(huán)境，而且會引發(fā)安全事故。而在該工程中應(yīng)用最優(yōu)化法，來確定油氣管道系統(tǒng)脆弱性評估指標的權(quán)重，了解各指標對管道的影響程度，以此為依據(jù)制定相應(yīng)的防范措施。其三，油氣儲運生產(chǎn)運輸環(huán)節(jié)，由于油氣中含有水分、雜質(zhì)，容易腐蝕管道、設(shè)備，導(dǎo)致設(shè)備故障或被損壞，為了有針對性地制定防腐措施，需了解各腐蝕因素的影響程度，通過最優(yōu)化法對影響管道腐蝕的各因素指標進行分析，為防腐措施的制定提供指導(dǎo)。其四，油氣儲運作為復(fù)雜的工程系統(tǒng)，當建設(shè)施工完成后，應(yīng)計劃和組織生產(chǎn)活動，對其進行有效的指揮、監(jiān)督，以最少的能耗獲取最大的效益，這一目標的實現(xiàn)，需充分發(fā)揮生產(chǎn)管理評價的作用，即采用最優(yōu)化法獲取各指標的權(quán)重，制定可行的管理方案。

2.油氣儲運工程中常用的最優(yōu)化方法

(1)層次分析法

該方法是以目標分解、方案分析等形式對與決策相關(guān)的元素進行定性、定量分析，即對相關(guān)問題的影響因素綜合分析，構(gòu)建出具體化的結(jié)構(gòu)模型，為綜合分析、系統(tǒng)化建設(shè)提供參考依據(jù)[2]。在油氣儲運工程中應(yīng)用該方法，以綜合、系統(tǒng)的角度對各層次進行分析，在各環(huán)節(jié)活動可以體現(xiàn)目標、方式。比如制定管道穿跨越方案時，可以應(yīng)用該方法來確定權(quán)重，層次分析的目標層為：選擇最佳的河流穿越方案，準側(cè)層、方案層分別為選擇條件、備選方案，建立最佳方案的層次模型，通過對各因素權(quán)重的計算來確定最優(yōu)方案。但是，該方法的應(yīng)用存在一定的局限性，比如當存在多個評價指標時，該方法很難對其清晰判斷，判斷矩陣無法達到一致性的要求。

(2)灰色關(guān)聯(lián)法

該方法指的是利用曲線幾何圖形進行綜合分析的方法，實質(zhì)是通過曲線幾何圖形的相似度對曲線之間的相關(guān)性進行評價[3]。在油氣儲運工程中應(yīng)用該方法，通過對待選、預(yù)設(shè)方案關(guān)聯(lián)度計算，分析待選方案的優(yōu)缺點，如果二者的關(guān)聯(lián)度比較高，說明待選方案實施的效果越接近預(yù)設(shè)方案的結(jié)果，比如對某油田進行全面管理時，依據(jù)該油田特點采取統(tǒng)一管理方式，對原有的排污裝置進行改進，在發(fā)揮油田能效的同時，降低對環(huán)境的污染。

(3)灰色物元法

該方法指的是利用三要素所組成的三元組對事物的基本元進行描述。該方法在應(yīng)用前，應(yīng)建立灰色物元矩陣，以加權(quán)求和的方式對各個方案的關(guān)聯(lián)度進行分析，選擇出最優(yōu)的方案。比如在建設(shè)某輸氣管道時，依據(jù)所選擇的管徑、輸氣壓力、站數(shù)以及費用等參數(shù)制定相應(yīng)的方案，在標準方案選定后構(gòu)建矩陣，結(jié)合所計算的關(guān)聯(lián)度選擇出最佳的方案。

(4)系統(tǒng)分析法

該方法在實際應(yīng)用中需確定所研究系統(tǒng)的范圍、所處環(huán)境，比如在優(yōu)化一條長輸管道運行問題時，需確定所研究的系統(tǒng)范圍，即是管道系統(tǒng)自身，還是與其相關(guān)的油田、煉廠問題，然后確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、目的、組成部分、功能及內(nèi)部規(guī)律等，在研究長輸管道系統(tǒng)時，需要確定泵站、加熱站的個數(shù)，各站需要設(shè)置多少臺泵、多少臺加熱爐，分析各個泵的最大、最小輸油能力，加熱爐的發(fā)熱能力，泵與站之間關(guān)系，設(shè)備與管道之間的承壓能力等。在此基礎(chǔ)上，需要明確系統(tǒng)各部分之間的關(guān)系，整個系統(tǒng)與環(huán)境之間的關(guān)系，最后確定決策變量，指出評價方案優(yōu)缺點的標準，即目標函數(shù)，比如在優(yōu)化長輸管道運行問題時，決策變量可以設(shè)置為進站油溫。

3.在油氣儲運工程中如何有效地應(yīng)用最優(yōu)化法

油氣儲運工程專業(yè)的主要任務(wù)是選擇最經(jīng)濟合理、安全可靠的方式，對原油、石油化工品及天然氣進行保質(zhì)保量的儲存、輸送。由于不同種類的石油產(chǎn)品輸送量、儲存量比較大，且輸送的距離比較長，意味著其儲運的系統(tǒng)規(guī)模、設(shè)施比較大，在對其建設(shè)中投入的資金、人力、物力等比較大，對于這種大規(guī)模工程系統(tǒng)而言，若其設(shè)計、運行方案有所調(diào)整，可能產(chǎn)生費用會超出預(yù)算。因此，需要優(yōu)化其系統(tǒng)的規(guī)劃和設(shè)計、運行，將最優(yōu)化方法應(yīng)用油氣儲運系統(tǒng)中，具體從以下方面入手：

(1)管道最優(yōu)路徑選擇

由于我國油氣資源區(qū)域分布不平衡，需以長距離運輸?shù)姆绞綕M足部分地區(qū)能源方面的需求，在長距離管道運輸過程中需考慮油氣儲運的安全、穩(wěn)定性。在對于成品油、原油以及天然氣進行長距離管道運輸過程中，在保障油氣運輸質(zhì)量、安全的基礎(chǔ)上，應(yīng)考慮運輸方面的費用問題，這就要求選擇最優(yōu)的管道輸送路徑。比如在對原油進行輸送時，為了獲取最大效益，主要采取加熱的方式進行運輸，在制定設(shè)計方案過程中，需合理設(shè)置加熱站的數(shù)量、位置等，原油管道的費用主要包括泵站和管道建設(shè)、運行和維修費用等，油罐的投資、運營中產(chǎn)生的費用不包括在內(nèi)。在設(shè)計成品油管道運輸方案時，為了防止混油現(xiàn)象的發(fā)生，應(yīng)對混油罐進行合理布局，且有針對性地處理混油問題，比如設(shè)置專門的混油罐，盡可能地減少各方面的損失。

另外，針對成品油順序輸送中的批量、批次問題，根據(jù)工程實際情況在首站、末站位置布設(shè)數(shù)量合理的油罐，批次越少，批量越大，意味著油罐投資越多，所產(chǎn)生的混油量越少，其混油損失越少，間接性反映出首末站罐建設(shè)投資、混油損失作為衡量管道效益的重要指標，在優(yōu)化設(shè)計的過程中需要重點考慮這兩方面的因素，即以最優(yōu)化的思維合理處理批量、批次成品油輸送與油罐成本之間的關(guān)系，達到運輸成本最低，效益最大的目的。對于成品油管道，若應(yīng)用順序輸送方式，存在最優(yōu)循環(huán)次數(shù)、最優(yōu)輸送順序等優(yōu)化問題，可以從局部、全項目兩方面入手，制定相應(yīng)的優(yōu)化方案，前者局部最優(yōu)方案的制定，即優(yōu)化線路走向，通常以投資額的多少作為最優(yōu)判斷的標準，即投資越少的為最優(yōu)方案；關(guān)于管徑、設(shè)備方案的優(yōu)化，通常采取費用現(xiàn)值法，即費用現(xiàn)值越少的為最優(yōu)方案。后者全項目方案的優(yōu)化，由于站場建設(shè)、公共工程建設(shè)受線路走向、管徑選擇因素的制約，所以，每一個管徑選擇和線路走向方案會對應(yīng)出一個全項目方案，在輸量相同的前提下，優(yōu)化全項目方案，通常會采取最低運價法或費用現(xiàn)值法，即運價最低或費用現(xiàn)值最少的為最優(yōu)方案。此外，長距離管道運輸中，油品性質(zhì)、傳熱系數(shù)及地溫等作為動態(tài)變化因素，應(yīng)依據(jù)運行條件制定最優(yōu)運行方案，比如在制定等溫輸油管道開泵方案時，需選擇各個泵站最佳升壓值組合，即確保開泵方案的最優(yōu)化，在制定熱油管道方案時，需考慮各站最優(yōu)溫度、最優(yōu)升壓值等因素，確定二者的最優(yōu)組合，即確定開泵點爐方案的最優(yōu)化。

(2)最優(yōu)調(diào)合比、油品進貨方案制定

油品調(diào)和作為生產(chǎn)過程的最后環(huán)節(jié)，目的是將原油調(diào)和成為生產(chǎn)、生活中所需的不同類型的成品油，該環(huán)節(jié)的操作受多方面因素影響，操作過程相對復(fù)雜，為了選擇出最優(yōu)調(diào)和比，需依據(jù)各組分性質(zhì)來制定最佳的調(diào)和比例，擬定最優(yōu)調(diào)和順序，保證生產(chǎn)出的成品油質(zhì)量達標。比如煉油廠、商品油庫在開展成品油調(diào)和作業(yè)時，應(yīng)根據(jù)當前市場油品需求情況、價格等，將生產(chǎn)出來的組分油調(diào)和成為多種規(guī)格的成品油，以滿足各行業(yè)對油品多樣化的需求。對于商品油庫、煉油廠而言，在實際進行成品油調(diào)和作業(yè)時，需保證組分油總量不變，來確定各種規(guī)格油品的實際產(chǎn)量，即在保證質(zhì)量的前提下，盡可能地提高效益，控制成本，使自身獲取的總利潤最大化。此外，對于經(jīng)營油品買賣業(yè)務(wù)的公司而言，其獲取利潤的方式主要為賺取進出庫差價，由于油品的進貨價、售價受月份影響，為了從中獲取最大利潤，應(yīng)對市場進行實際調(diào)研，獲取各月份油品進貨價、售價等數(shù)據(jù)，對其分析后掌握相應(yīng)的油品價格變化規(guī)律，從而以此為依據(jù)制定最優(yōu)的油品進貨方案，或者根據(jù)市場變化情況靈活地調(diào)整自身的進貨計劃，確保以最低的價格進入油品，增加自己的利潤空間。

(3)油庫、天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)最優(yōu)規(guī)劃、布局

在油庫建設(shè)中，假設(shè)庫區(qū)地形、貨源、銷售等外部因素保持不變，為了保證其效益的最大化，應(yīng)對油庫進行最優(yōu)規(guī)劃和布局。具體內(nèi)容包括：需確定各油品最佳庫容量、油罐最優(yōu)數(shù)量和規(guī)格，配套設(shè)施和設(shè)備投入的最優(yōu)規(guī)模、數(shù)量以及規(guī)格，以及供電、道路以及管線等設(shè)施的最優(yōu)布局。同時，在對天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)進行設(shè)計時，需對布局、參數(shù)進行優(yōu)化，比如以最優(yōu)化的思想來確定布站、管網(wǎng)連接方式及中間站的位置，各工藝管道壁厚、管徑及所需設(shè)備等參數(shù)，利用數(shù)學模型、計算機程序?qū)υO(shè)計方案進行優(yōu)化。由于不同天然氣生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)條件、規(guī)模等存在一定的差異，出售給天然氣銷售企業(yè)的價格也存在不同，并且天然氣管道在正式運營后，能夠確定其輸送能力，可以計算出天然氣輸送過程中產(chǎn)生的總費用，對于天然氣銷售企業(yè)而言，應(yīng)綜合考慮各方面的成本、收入以及管網(wǎng)輸氣能力等多因素，在確保天然氣質(zhì)量的基礎(chǔ)上，制定出最佳輸氣、配氣方案，使該公司獲取最大利潤。

(4)優(yōu)化油氣集輸系統(tǒng)

目前礦場油氣集輸系統(tǒng)多以計量站、聯(lián)合站以及轉(zhuǎn)油站的形式進行管理，在對礦場油氣集輸系統(tǒng)的設(shè)計、運行進行優(yōu)化時，假設(shè)油井分布、產(chǎn)量保持不變，確定小站流程之間的關(guān)系，針對由氣、水管道以及油連接起來的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，需確定各站最佳的建設(shè)規(guī)模、設(shè)備數(shù)量以及管道工藝等[4]。同時，在制定最優(yōu)運行方案時，應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟、注水系統(tǒng)、油藏系統(tǒng)等多方面因素，通過建立油田生產(chǎn)優(yōu)化模型對整個系統(tǒng)進行優(yōu)化。比如關(guān)于油氣集輸系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的最優(yōu)選擇，可以利用相關(guān)軟件對主要設(shè)備進行優(yōu)選，簡化以往復(fù)雜的計算過程，促使設(shè)計水平提高。另外，優(yōu)化管道外徑時，可以運用網(wǎng)格法獲取最優(yōu)方案，或者搭建系統(tǒng)運行方案的最優(yōu)數(shù)學模型，比如目標函數(shù)、約束條件分別設(shè)置為油氣集輸系統(tǒng)運行最小費用、原油進站溫度和進口回壓及滲水壓力，使用序列二次規(guī)劃法進行求解，實現(xiàn)該系統(tǒng)生產(chǎn)運行軟件的編制。

(5)確定最佳月輸油計劃

對于長輸油管道而言，通常以月為單位下達輸油計劃，可以根據(jù)實際情況，制定出多種最小節(jié)流量的開泵方案。比如對于有6座泵站的長輸管道，可以制定出4種最小節(jié)流量的開泵方案，即開6座泵、3座泵站、2座泵站、1座泵站，每種開泵方案對應(yīng)一個輸量，可以間接性反映出一條長輸管道存在多個最小節(jié)流量的輸量，若管道依據(jù)月平均輸量進行運行，意味著其存在較大的節(jié)流量，能量消耗較大。因此，為了節(jié)約能耗，可以在不同運行時間段使用差異化的輸量，也能完成月輸油任務(wù)，即根據(jù)月輸油任務(wù)制定最佳的輸油計劃，促使能耗利用率提高。

4.結(jié)束語

在油氣儲存、運輸各環(huán)節(jié)運用最優(yōu)化法，目的是降低系統(tǒng)能耗，降低投資、運行等方面的費用，獲取最大的經(jīng)濟效益。由于我國不同區(qū)域油氣產(chǎn)品生產(chǎn)加工、銷售等處于不平衡狀態(tài)，在油氣儲運工程中應(yīng)用該方法，可以實現(xiàn)油氣開采、冶煉以及銷售等環(huán)節(jié)的平衡，使該工程運行更加高效、穩(wěn)定，突顯出最優(yōu)化思想應(yīng)用的價值。