（油气储运工程专业论文）埕岛油田集输管网调整优化技术研究.pdf

s t u d i e so nt h eo p t i m i z a t i o na n d r e g u l a t i o n so fg a t h e r i n g n e t w o r ka tt h ec h e n g d a oo i l f i e l d at h e s i ss u b m i t t e df o r t h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：h a ns h u a i s u p e r v i s o r ：p r o f l iy u x i n ga n dx uz h i g a n g c o l l e g eo fs t o r a g e & t r a n s p o r t a t i o na n d a r c h i t e c t u r a le n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo f p e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位敝储繇馨哗 嗍冲年箩月湘 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者 指导教师签名 日期：为户年乡月孑j 日 日期：功f d 年5 月弓f 日 摘要 胜利埕岛油田为了适应滚动开发的需要，集输管网分期分批建成，没有统一的规划 和设计，存在流量分布不均，布局不合理的问题，而且一些边远区块的集输半径较大， 集输管网末端干压已经达到2 0 m p a ，对油井举升工艺和管道运行安全产生较大影响。 随着油田勘探开发不断深入，根据油藏调整规划，需新打3 1 2 口加密调整井，新建产能 约2 4 7 万吨，且规划建设中心三号平台，因此需要对目前的管网布局进行调整，优化管 网结构，确定新增油井的连入点位置以及管径大小，实现新增产能顺利进入集输系统， 同时解决目前管网存在的问题。 本文根据海上油田集输管网的实际情况，将管网的布局优化问题分解为三个子问 题：卫星平台分组优化、中心平台选址优化和管网布置优化。基于产量距离的概念，建 立了卫星平台分组优化模型，并利用遗传算法求解；结合图论中网络图的加权中心的概 念，建立了中心平台选址优化模型，利用w a r s h a l l 算法求解；对于管网布置优化，文中 建立了最小生成树模型和遗传算法模型，分别应用p r i m 算法和改进的单亲遗传算法进 行求解，并利用建立的海底管线费用模型对两种模型的优化结果进行比较分析，最小生 成树模型得到的管网总长度最短，但管网投资却不是最省的，而且存在集输半径较大， 管网流量分配不均的问题，而遗传算法模型则直接以管网的投资为优化目标，考虑了管 网中流量分配对投资的影响，得到的管网不仅投资省，而且流量分布、水力性能都较优。 结合埕岛油田的实际平台分布，利用本文的布局优化方法得到了一个优化的管网布 局，与现有管网相比可以节省约1 5 的投资。根据油田后期开发规划，优化了中心三号 平台的位置，给出了中心三号平台投产前后的管网布局调整方案，并利用p i p e p h a s e 软件优化新建管线的管径，模拟了管网的水力状况，模拟结果表明调整优化后的管网流 量分布均匀，大多数平台回压都控制在1 m p a 左右。 本文的研究成果可以为埕岛油田的油藏调整及二次开发规划方案提供直接的参考 依据，对集输管网的规划设计具有重要指导意义。同时也可以应用于其它海底油气田集 输管网的规划设计，对降低地面工程投资和生产运行成本，提高油田的整体效益具有重 要意义。 关键词：埕岛油田，集输管网，布局优化，遗传算法 s t u d i e so nt h eo p t i m i z a t i o na n dr e g u l a t i o n so fg a t h e r i n g n e t w o r ka tt h ec h e n g d a oo i l f i e l d h a ns h u a if o i l & g a ss t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l iy u x i n ga n dx uz h i g a n g a b s t r a c t t h e r eh a v eb e e n1 0y e a r ss i n c et h ec h e n g d a o ，s h e n g l io i l f i e l dw a se x p l o r e da t1 9 9 3 ， a n dar e t i c u l a rs u b m a r i n ep i p e l i n ea n dc a b l en e t w o r kh a v eb e e nb u i l t a c c o r d i n gt ot h e o i l f i e l d sg r a d u a ld e v e l o p m e n t ，t h ep r o d u c t i o ns y s t e mw a sb u i l tb ys t a g e sw i t h o u taw h o l e p r o g r a m m i n g ，a sar e s u l t ，t h el a y o u to fp i p e l i n en e t w o r ki si r r a t i o n a la n df l o wd i s t r i b u t i o ni s u n e v e n s o m ep r o d u c t i o nb l o c k sa r ef a rf r o mt h ec e n t r a lp l a t f o r m sa n dt h ep r e s s u r eh a s r e a c h e d2 0 m p aa tt h ee n do fp i p e l i n e s h i g hb a c k p r e s s u r ei sb a df o ro i ll i f t i n ga n ds a f e o p e r a t i o no fp i p e l i n e s a c c o r d i n gt o t h er e s e r v o i ra d j u s t m e n tp l a n ，312i n f i l lw e l l sw i l lb e d r i l l e di no r d e rt oi n c r e a s ep r o d u c t i o nc a p a c i t ya b o u t2 4 7m i l l i o nt o n s a n dn o 3c e n t r a l p l a t f o r mi sa l s oi np l a n n i n g s oi ti sn e c e s s a r yt oo p t i m i z et h es t r u c t u r eo ft h ee x i s t i n g p i p e l i n en e t w o r k ，a n dd e c i d et h ec o n n e c t i n gl o c a t i o no fn e w w e l l sa sw e l la st h ed i a m e t e ro f n e wb u i l dp i p e l i n e s t h i sp a p e rr e s e a r c h e dt h eo p t i m i z a t i o no fo f f s h o r eo i l f i e l dg a t h e r i n gn e t w o r k i no r d e rt o o p t i m i z e t h e l a y o u t o fp i p e l i n en e t w o r k ，t h i sp r o b l e mw a sd e c o m p o s e di n t ot h r e e s u b - p r o b l e m s ：o p t i m a lp r o d u c t i o np l a t f o r m sg r o u p i n g ，o p t i m i z a t i o no fc e n t r a lp l a t f o r m s l o c a t i o n ，a n do p t i m i z a t i o no fp i p e l i n et o p o l o g y b a s e do nt h ec o n c e p to fp r o d u c t i o n d i s t a n c e ， am o d e lw a sp r e s e n t e dt oo p t i m i z et h eg r o u p i n go fp l a t f o r m s ，t h em o d e lw a ss o l v e du s i n g g e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) o p t i m a ll o c a t i o no fc e n t r a lp l a t f o r m sw a sd e c i d e db yw a r s h a l l a l g o r i t h ma c c o r d i n gt ot h ew e i g h t e dc e n t r ei ng r a p ht h e o r y m s t ( m i n i m u ms p a n n i n gt r e e ) m o d e la n dg am o d e lw e r eb u i l tt oo p t i m i z el a y o u to fp i p e l i n en e t w o r k p r i ma l g o r i t h mw a s a p p l i e dt os o l v et h em s t m o d e l i no r d e rt or e s o l v et h eg am o d e l ，a ni m p r o v e da l g o r i t h m ， s i n g l e - p a r e n tg e n e t i ca l g o r i t h mw a sp r o p o s e d c o m p a r i n gt h er e s u l t so ft h et w om o d e l s ，w e f i n dt h a t ：t h en e t w o r ko p t i m i z e du s i n gm s tm o d e lh a sam i n i m u ml e n g t ho fp i p e l i n e s ， h o w e v e r ，i t si n v e s t m e n ti sn o tt h em i n i m u m ，a n dt h e r ea r ea l s os o m eo t h e rp r o b l e m s ，s u c ha s ， t h eg a t h e r i n gd i s t a n c ei st o ol o n ga n dt h ef l o wd i s t r i b u t i o ni su n e v e n h o w e v e r ，t h eg a m o d e l t a k e st h ei n v e s t m e n to fn e t w o r ka st h eo p t i m i z a t i o no b j e c t t h en e t w o r ko p t i m i z e du s i n gg a m o d e lh a sal o w e s ti n v e s t m e n t ，a n dh a sab e t t e rh y d r a u l i cp e r f o r m a n c e a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ld a t ao fp l a t f o r m sa tc h e n g d a oo i l f i e l d ，t h eg a t h e r i n gn e t w o r k w a so p t i m i z e du s i n gt h em e t h o dp r e s e n t e di nt h ep a p e r a n dt h eo p t i m a ln e t w o r kc a l ls a v e 15 o ft h ei n v e s t m e n tc o m p a r e dw i t ht h ee x i s t i n gp i p e l i n en e t w o r k i nt h ep a p e r ，t h el o c a t i o n o fn o 3c e n t r a lp l a t f o r mw a so p t i m i z e d t h el a y o u t so fn e t w o r kb e f o r ea n da f t e rt h ec e n t r a l p l a t f o r mc o m p l e t e dw e r ep r e s e n t e dr e s p e c t i v e l y t h e nt h eh y d r a u l i cp e r f o r m a n c eo ft h e n e t w o r kw a ss i m u l a t e du s i n gp i p e p h a s e ，a n dt h eo p t i m a ld i a m e t e r so fp i p e l i n e sn e w - b u i l t w e r ec a l c u l a t e db yt h es o f t w a r e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ef l o wd i s t r i b u t i o ni nt h e n e t w o r ki su n i f o r ma n dt h eb a c k p r e s s u r eo ft h ep l a t f o r m sw e r ec o n t r o l l e dt oa r o u n d1 0 m p a t h es t u d yr e s u l t sc a np r o v i d ed i r e c tr e f e r e n c ef o rt h eo p t i m i z a t i o no f g a t h e r i n gn e t w o r k d u r i n gt h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fc h e n g d a oo i l f i e l d a n di ta l s oc a nb ea p p l i e dt ot h e p l a n n i n ga n dd e s i g no fg a t h e r i n gn e t w o r kf o ro t h e ro f f s h o r eo i l f i e l d a n di tw i l lh a v ea s i g n i f i c a n te f f e c to ni m p r o v i n gt h eo v e r a l le f f e c t i v e n e s so fo i l f i e l d k e y w o r d s ：c h e n g d a oo i l f i e l d ，g a t h e r i n gn e t w o r k ，o p t i m i z a t i o no fl a y o u t ，g e n e t i c a l g o r i t h m 目录 第一章概论1 1 1 课题目的及意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 研究现状2 1 2 2 发展趋势5 1 3 本文研究内容5 1 3 1 研究内容一5 1 3 2 研究思路6 1 3 3 研究重点与难点6 第二章集输管网的数学描述7 2 1 图论基础7 2 1 1 图的概念7 2 1 2 图的矩阵表示8 2 2 海底集输管网形式1 0 2 2 1 海底集输管网构建模式一1 1 2 2 2 管网图的计算机实现。l2 第三章集输管网布局优化1 3 3 1 平台最优分组1 3 3 1 1 数学模型13 3 1 2 模型求解1 5 3 1 3 算例分析2 5 3 2 中心平台选址2 7 3 2 1 图论中的选址问题2 7 3 2 2 中心平台的选址2 8 3 2 3 算例分析3 0 3 3 集输管网布局优化3 0 3 3 1 海底管线的投资费用31 3 3 2 集输管网布局优化模型3 2 3 3 3 算例分析4 0 3 4 j 、结4 4 第四章埕岛油田集输管网优化一4 5 4 1 工程概况4 5 4 1 1 平台基础数据4 6 4 2 2 已建管网资料4 8 4 2 埕岛油田管网优化计算5 0 4 2 1 已建管网的优化5 0 4 2 22 0 0 8 2 0 0 9 年管网调整优化5 9 4 2 3 未来管网整体规划一6 0 第五章结论与建议7 1 5 1 结论7 1 5 2 建议7 2 参考文献7 3 致谢7 7 v 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题目的及意义 第一章概论 在油气田地面工程建设中，油气集输系统作为主体工程，其投资一般占整个油田地 面工程的6 0 7 0 ，占整个油田工程的4 0 左右。而对于海上油气田的开发，海底管 线的造价和建设安装费用更高。管网投资费用主要取决于管线的直径、长度以及油田所 处的地理位置和海洋环境条件。在北海的环境条件下，海底管线的投资费用大约为0 3 4 5 万美元m m k m 。对于一条管径为3 0 0 m m 的海底输油管线来说，每公里的投资高达1 0 5 万美元【1 1 。可见在保证油田生产和油气集输要求的条件下，合理布置管网系统，尽量减 少管线的长度是节省投资的关键。因此各井组平台间的集油管线如何布置，将直接影响 到整个海底油气集输系统的投资费用。特别是对于平台数量较多的油田来说，由于油气 集输管网规模庞大，投资更大，对管网系统进行优化就显得非常必要。 本课题来源于胜利油田“埕岛油气集输管网系统优化研究”项目。由于埕岛油田生 产系统是为了适应油田滚动开发的需要，分期分批建成，没有统一的规划和设计，而且 主体区域边远区块的集输半径已经很大，部分井组回压较高，对油井举升工艺和管道运 行安全产生较大影响，影响了油井产量。随着胜利埕岛海上油田勘探开发不断深入，根 据油藏调整规划，需新打3 1 2 口加密调整井，新建产能约2 4 7 万吨，以实现对老油藏的 替补。新建产能需要依托已建油气集输系统，而新管线的敷设又受到己有管缆、作业平 台停靠、管线登平台位置等因素制约，新建产能进入目前集输管网难度很大。 为了从根本上解决这一问题，必须调整目前集输管网结构，优化油井隶属关系，特 别是新增油井的连入点位置以及管径大小，改变目前管网中流量分配不合理的现状，同 时对于个别“卡脖子 的管道，研究采用其他措施降低井口回压。 本文调研了国内外有关管网布局优化技术方面的大量文献，结合埕岛油田现有的油 气集输管网系统，开展集输管网布局优化及改扩建调整等方面的研究。本文的研究成果 可以为埕岛油田的油藏调整及二次开发规划方案提供直接的参考依据，对集输管网的规 划设计具有重要指导意义。同时该项研究成果也可以应用于其它海上油田的开发，对我 国其它海底油气田集输管网的规划设计也有一定的借鉴意义，将具有很大的经济效益和 社会效益。 第一章概论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 研究现状 从目前已经发表的文献资料来看，对于管网系统的优化主要集中在陆上天然气集输 管网，原油集输管网，油田注水管网及城镇配气管网和供排水管网等，专门针对海底集 输管网的很少。从目前已发表的文献来看，海底集输管网规划设计的最优化研究还不够 成熟。从应用数学的角度来看，输气管网，输油管网，注水管网以及城镇供排水管网等 的规划问题同属网络规划问题，因此在进行海底集输管网规划布局的优化研究时，可以 参考和借鉴其他管网布局规化的优化技术和方法。 自2 0 世纪6 0 年代起，部分发达国家就开始对简单管网系统进行优化研究。由于管 网系统规模较大，且比较复杂，属于高维的约束非线性优化问题，直接求解比较困难。 因此，在早期的研究中，都是在假定某些变量为已知的情况下求解问题中的部分设计变 量，只是实现了管网的部分参数最优，而没有使整个管网达到最优状态。e d g a rt f 、 h e n r yb m 、r o t h f a r bb 、f l a n i g n 、c h e s s m a na p 等人应用广义简约梯度法、动态规划 法、最速下降法、坐标轮换法等传统优化方法研究管网最优化问题。后来，黄志潜和 s e i r e ga 对此前石油天然气管道工程问题的最优化研究进行了总结和论述，包括管道系 统的最优设计、最优扩建、最优运行和最优控制【l 刁】。从上世纪8 0 年代开始，国内的管 道储运工作者和高校科研人员开始深入到管网系统优化领域，刘扬、汪玉春、李长俊等 人也在管网的布局优化及结构参数优化等方面进行了深入研究并取得了一定成果。近年 来，随着计算机技术及人工智能算法的发展，人们越来越多地把一些现代启发式优化算 法引入到管网优化领域，例如遗传算法、模拟退火算法、h o p f i e l d 人工神经网络、禁忌 搜索算法等，和传统最优化方法相比，由于这些现代启发式优化算法通用性高、简单易 用，全局搜索能力强，在解决管网系统最优化领域取得了很好的效果。 根据所查阅的关于管网系统最优化问题的文献，将目前这方面的主要研究内容和优 化方法进行总结： 无论是环状管网，还是树状管网，实际上都可以将管网抽象为一个有向连通图g ， 管网中的节点相当于图的顶点，各节点之间的管线则相当于图的边。根据优化目标函数 的不同，可以对边赋予不同的权值。例如，在管网最优规划的早期研究中，以管网总长 度最短作为优化目标，这时，连通图g 中边的权就是两节点之间管线的距离，管网的最 优规划方案就是图g 的一棵最小生成树，可以应用图论中求连通图最小生成树的经典算 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 法如：p r i m 算法、k r u s k a l 算法等来确定管网的最优布局。 确定最优网络布局要用图论算法求解完备图的最短生成树问题。由图论可知，随着 连通图中顶点数目的增加，图的生成树数目也将急剧增加。采用图论中的k x u s k a l 和p r i m 算法，能够通过很少的有限次搜索就能确定出网络的最短树。但后来的研究发现，采用 s i 算法( s t e i n e ri n s e r t i o na l g o r i t h m ) 所求得的解要优于k r u s k a l 和p r i m 算法求得的解， 可以较好地解决完备图的最短生成树问题，该算法通过引入外部点( 称为s t e i n e r 点) 来构建图的最小生成树( 简称为s m t ) ，已经证明s m t 树的总长要小于上述其它算法 求得的最小树i s 。 但是，无论k r u s k a l 算法、p r i m 算法还是s i 算法，这种方法仅仅以管网的总长度为 优化目标，没有考虑管网中流量分布对管网投资和水力性能的影响，所得到的布局方案 并不一定是最优的。实际上管道的投资不仅仅是管线长度三的函数，同时还和管径d 、 壁厚万等规格参数之间存在一定的函数关系，然而在管网布局规划尚未确定之前，管网 中各管段的流量分布也无法确定，所以管径d 和壁厚万也无法确定，这样整个管网的投 资也就无法确定。由此可以看出，管网系统的布局优化是和管线的结构参数及管网的水 力性能之间是相互关联、相互影响的，它们是一个整体系统。如果将这两个方面分割开 来，逐个求解，分别进行优化设计，所得到的方案往往不能达到全局最优。 如果作为一个整体，将会是一个规模庞大的非常复杂的优化问题，涵盖了离散优化、 非线性优化和动态优化等方面的内容。其目标函数包括运行费用，投资费用等；约束条 件包括井口压力、流量约束，井、管线、站等隶属关系唯一性约束，管道、站等承压能 力约束等。尤其是大量离散变量的出现，使得对其直接求解变得不现实。汪玉春在文献 中【9 1 把该问题分解成两个相互关联的子问题，分别采用s i g n o m i a l 几何规划法和灰色关 联分析法进行处理，并把它们有机地结合起来。 文献【1 0 1 5 】把遗传算法引入到管网布局优化领域中。遗传算法是借鉴生物的自然选择 和遗传进化机制而开发出来的一种全局优化自适应概率搜索算法，通过对当前群体实施 复制、交叉和变异等一系列遗传操作，从而产生出新一代的群体，并逐步使群体进化到 包含或接近最优解的状态。遗传算法思想简单、易于实现，它给我们提供了一种通用的 算法框架，特别是对于一些大型、复杂非线性问题，表现出了比其它传统优化算法更加 独特和优越的性能。由于遗传算法的灵活性和通用性较高，不同学者根据具体问题的实 际情况，对标准遗传算法进行改进，并和其它优化算法结合起来共同求解管网优化问题， 形成了单亲遗传算法、混合遗传算法等，在管网优化领域取得了较好的效果。 3 第一章概论 文献【1 6 】中提出了运输功的概念，定义原油的输量与运输距离的乘积为运输功。文中 假设原油运输费用与输量、距离成正比，且单位运量、单位运距的运费基本为常数，基 于这个假设，文中建立了以运输功最小为目标的多级星式集输管网拓扑优化数学模型， 并利用神经网络方法进行了求解。在研究中发现，选择不同的神经网络控制参数，会对 优化结果和迭代次数有较大的影响，该文建议加入遗传算法以提高全局收敛性，加快求 解速度。 文献f 1 7 】对新增产能建设的拓扑优化问题，即管网系统扩建的拓扑优化问题进行了研 究。在充分考虑已建管网系统的基础上，建立了新增产能建设布局优化的数学模型，通 过对该模型进行复杂性分析得知，该问题为n p 难问题。文中采用分级迭代法将优化问 题分解成拓扑级优化和几何级优化，并在两级优化之间通过几何约束进行协调，获得了 较好的优化效果。 管网的设计优化是指对管网中管线管径、壁厚等规格参数及泵出口压力、管网节点 压力等水力参数进行优化。该优化模型为带有等式和不等式约束的非线性规划且设计变 量( 管径) 为离散变量。 w o n m os u l l g 在文酬1 9 1 中提出了一种混合网络模型h y p i p e n e t ，并利用m c s t c d 算法进行求解，即将m c s t 算法( m i n i m u mc o s ts p a n n i n gt r e e ，最小费用生成树算法， 简称m c s t ) 与c d 算法( c o n s t r a i n e dd e r i v a t i v e s ，约束导数法，简称c d 算法) 结合 起来，在m c s t 算法确定管网布局的基础上利用c d 法优化管径等参数。在该模型对管 网的优化中，采用参数研究法研究各个独立参数之间的相互影响关系，例如初始压力、 流量及管径等，发现管径和初始压力之间存在一种最优的关系。 文献【2 3 j 应用遗传算法对油气混输管网的结构参数进行了优化。在油田地面混输管网 优化研究中，结构参数是一个很重要的问题，这是一个多目标非线性规划问题，文中建 立了优化计算的目标函数、水力热力学模型及管网分析模型，分别应用权重系数变化法 和并列选择法把多目标优化问题转化为一个单目标问题，然后利用遗传算法对其进行求 解。通过实例计算表明，该优化方法可以节省费用1 5 以上。 管网系统的优化通常被分为两个独立的问题：一是管网系统布局优化，二是在管网 结构确定的情况下对管网工艺参数进行优化。实际上在进行管网的规划设计时上述两个 问题是相互关联。管网优化设计模型复杂，给求解带来一定困难。在寻求合适的优化方 法求解优化设计模型的同时，寻找求解更方便、更加符合工程实际的数学模型也将成为 管网优化设计研究的重点。如一些参考文献上建立的模糊优化设计模型【2 7 】，扩展混合网 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 络模型等，都是一些有益的探索。 1 2 2 发展趋势 工程最优化问题一旦被描述成数学模型之后最为迫切的问题就是如何求解。由于实 际问题的复杂性，在众多的非常有效的非线性规划算法中，尚无一种像单纯形法对于线 性规划问题那样的万能算法，用以解决一切非线性规划问题，特别是约束非线性混合离 散变量优化问题。所以寻求高效、可靠、通用性好的非线性优化算法是优化算法的一个 重要发展方向。 集输管网系统的优化与最优化理论和技术的发展息息相关。随着最优化理论的日益 成熟完善，集输管网系统优化技术得到进一步的发展和推动，但由于管网系统的特殊性 和复杂性，在此领域最优化技术的发展也有自身的特色。 ( 1 ) 多目标化【2 5 】 2 8 - 3 1 】 过去，国内外不少学者在管网系统布局优化方面，作了大量的卓有成效的研究工作， 但多是针对经济最省一个目标进行研究，把目光投注在管网系统的投资和运行费用上。 然而，油气管网系统输送的介质具有易燃、易爆、工作压力高，设备繁多且管网系统跨 越地域广阔，施工条件困难，环境差异大，管理技术复杂等因素，使之具有很大的危险 性。因此，进行油气管网系统的拓扑优化还须对其作风险分析，考虑风险小、可靠性高 的方案。目前，已经有部分论文建立了关于管网优化的多目标优化模型，这是今后管网 优化的一个发展方向。 ( 2 ) 启发式智能优化【3 2 。4 】 管网优化设计问题中设计变量数量和类型多，约束条件复杂。传统的求解方法都存 在着一些缺陷，算法的通用性和实用性也比较差。另外，许多方法还存在着对目标函数 可导性要求比较严格、计算量大、收敛速度慢等缺点，使其应用在一定程度上受到了限 制。近年来，智能优化算法的迅速发展，为优化设计提供了新的思路。比较典型的有启 发式算法、群体智能算法、混沌算法等。深入研究新兴的智能算法在管网优化中的应用， 针对问题的特点，将多种方法有机结合，取长补短、优势互补将是管网优化设计的热点。 1 3 本文研究内容 1 3 1 研究内容 针对埕岛油田主体区域油藏调整方案，进行埕岛油气集输管网工艺系统优化研究， 5 第一章概论 并提出可行的油井加密方式以及集输系统规划设计方案。主要内容有： ( 1 ) 根据油藏调整规划方案，优化调整目前的集输管网结构布局，优化油井隶属 关系； ( 2 ) 确定中心三号平台最优位置； ( 3 ) 确定新增井组平台的连入点位置及新建管线管径； ( 4 ) 模拟优化管网的水力状况，最终使管网中各个平台的回压都保持在一个合适 值，满足生产要求。 1 3 2 研究思路 ( 1 ) 收集基础资料。收集目前埕岛油田集输管网的结构、组成管网的每条管线的 管径、壁厚，输量，起终点压力温度等参数；收集海上平台及油井的位置坐标、产量等 数据。 ( 2 ) 采用分级优化的方法，把整个集输管网的布局规划分解为几个子问题：确定 中心平台管辖的井组；中心平台选址优化；管线布局优化，对于每一个子问题，根据图 论及网络优化理论，编制相应的程序，最终形成管网的规划方案。 ( 3 ) 用p i p e p h a s e 软件对调整优化后的集输管网进行模拟，优化管网的操作压力 等参数。对于回压仍较高的平台，提出经济可行的降低井口回压的措施，如加药降粘、 安装混输泵、铺设复线等，最终使整个管网中各个平台的回压都稳定在一个合适值，满 足生产要求。 1 3 3 研究重点与难点 ( 1 ) 针对埕岛油田的实际现状，建立合理的布局优化模型和管网参数优化模型； ( 2 ) 如何在两级模型之间建立协调机制，将管网布局和管网结构参数的优化； ( 3 ) 寻求合适的、高效的优化计算方法进行模型求解，以得到满意的最优解。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章集输管网的数学描述 要进行管网的布局优化，首先需要对实际管网进行抽象简化，用有效的数学工具来 描述。很显然，图和网络是集输管网最恰当的数学表示。 2 1 图论基础 为了更好地理解和运用图论的知识，首先介绍一些图的基本概念、术语、符号和一 些初等结果。 2 1 1 图的概念 下面首先给出一些定义【3 5 1 。 定义1 图( g r a p h ) ：所谓图g 是一个三元组，记作g = ，其中 v ( g ) = v l ，1 ，2 ，v n ) ，y ( g ) ，称为图g 的结点集合( v e r t e xs e t ) 。e ( g ) = e i , e 2 , - - , e 。) 是g 的边集合( e d g es e t ) ，其中e i 为 v j ，u ) 或 。若p f 为 v ，) ，称q 为以和 v t 为端点( e n dv e r t i c e s ) 的无向边( u n d i r e c t e de d g e ) ；m e j 为 ，称p f 为以为 起点( o r i g i n a l ) ，v t 为终点( t e r m i n u s ) 的有向边( d i r e c t e de d g e ) 。f a ( g ) ：e 专v xv 称 为关联函数( i n c i d e n c ef u n c t i o n ) 。 定义2 邻接结点( a d j a c e n tv e r t i c e s ) ：关联于同一条边的两个结点称为邻接结点。 邻接边( a d j a c e n ts i d e s ) ：关联于同一个结点的两条边称为邻接边。 环( 1 0 0 p ) ：两端点相同的边称为环或自回路( c i r c u i t ) 。 平行边( p a r a l l e le d g e s ) ：两个结点间方向相同的若干条边称为平行边或重边 ( m u l t i p l ee d g e s ) 对称边( s y m m e t r i ce d g e s ) ：两端点相同但方向互为相反的两条有向边称为对称边。 定义3 无向图( u n d i r e c t e dg r a p h ) ：每条边都是无向边的图称为无向图。 有向图( d i r e c t e dg r a p h ) ：每一条边都是有向边的图称为有向图。 定义4 简单图( s i m p l eg r a p h ) ：无环并且无平行边的图称为简单图。 完全图( c o m p l e t eg r a p h ) ：任何不同结点之问都有边相连的简单无向图称为完全图。 在简单图g = 中，以x 为起点少为终点的边至多有一条，因此， 7 第二章集输管网的数学描述 图中的边可以直接用顶点对表示，而关联函数妒就可以直接表示在其边集合中，故可以 简记为g = 。 定义5 设2 ，和 ，是任意图g 的顶点，图g 的一条u 一，链( c h a i n 或w a l k ) 是有限 的顶点和边交替序y uu o e l u l e 2 l , l n _ ! e 。z ，。 = 甜o ， ，= u n ) ，其中与边p 羽f n ) 相邻的两顶 点甜h 和甜，正好是e ，的两个端点。数刀称为链的长度( 1 e n g t h ) 。边互不同的链称为迹 ( t r a i l ) ，内部点互不同的链称为路( p a t h ) 。 定义6 给定无向图g = ，x ，y v ( g ) ，若图g 中存在连接x 和y 路，称结点x 和y 是连通的( c o n n e c t e d ) 。规定x 到自身总是连通的。 如果无向图g 中每一对不同的顶点石和y 都有一条路，则称g 是连通图( c o n n e c t e d g r a p h ) ，反之称为非连通图( d i s c o n n e c t e dg r a p h ) 。 为了便于分析问题，特别是为便于借助计算机进行管网优化，集输管网在通过一定 的简化和缩略之后，可以抽象为一个简单图g - - ，其中v = x 1 ) x ：，x n 是图g 的结点集合，对于海上管网来说，对应于各海上平台；e = e i , e 2 , - - - , e 。 是g 的边集合， 对应于连接海洋平台的管线。根据图论的知识，矩阵是表示管网图的最简单和最有效的 方法。但图的矩阵表示并不是唯一的，可以用以下几种矩阵表示。 2 1 2 图的矩阵表示 我们知道图的数学抽象是三元组，还知道形象直观的图的图形表示。为便于计算， 特别是为便于用计算机处理图，下面介绍几种图的矩阵表示方式。 1 邻接矩阵( a d j a c e n c ym a t r i x ) 设g = 是任意图，其中v = x 1x 2 ，x 。) ，e = e l , p 2 ，e 肼) ，则n 阶方阵 a = ( ) 删称为g 的邻接矩阵。其中a 口为图g 中以x ，为起点且以x 为终点的边的数目。 举例说明：图2 1 所示的图g ，的邻接矩阵是 a = 0 2 2 0 11 1o 8 1l 1o 0l 11 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 e 1 图2 - 1 无向图g j f i 9 2 - 1 u n d i r e c t e dg r a p h 研 由定义知，无向图的邻接矩阵是对称矩阵。对于简单无向图，则其邻接矩阵是一个 n 阶o 一1 矩阵，当图里的边相对少时，邻接矩阵是稀疏矩阵，即只有很少的非0 项的矩 阵，此时，可以用特殊的方法来表示和计算这样