（油气储运工程专业论文）西峰油田地面集输规划方案优化研究.pdf

及管径参数，最终选取使得集输系统设计寿命期末总费用最省的那个方 案作为西峰油田最优集输规划方案。 采用c + + b u i l d e r 6 0 编制了规划方案优化软件。为保证计算的准确性 和结果显示的直观性，读取了油区三维地形数据，并根据三维地形数据 制作了油区三维地理信息显示系统。 关键词：集输系统，规划方案，优化设计，遗传算法，软件开发 t h e o p t i m i z a t i o nr e s e a r c ho f x i f e n go i l f i e l d ss u r f a c eg a t h e r i n gs y s t e ms c h e m e s u nh a i ( o i l & g a s s t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o nd e p a r t m e n t ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl iz i - l i a b s t r a c t t h er e g i o nw h e r ex i f e n go i l f i e l dl o c a t e si st h es t e e pt o p o g r a p h y , a n d x i f e n go i l f i e l di st h ek i n do fo i l f i e l dt h a ti sl o wp e r m e a b l e ，a n dh a sh i g h g a s o i lr a t i o c o n s i d e r i n gt h e s ed i s t i n g u i s h i n gf e a t u r e s ，x i f e n go i l f i e l d a d o p t e dan e wa n dc r e a t i v eg a t h e r i n gm o d et oa d a p ti t s e l ft ot h ef e a t u r e s ， s u c ha sa d v a n c i n gw a t e rf l o o d ，e n l a r g i n gt h eg a t h e r i n gd i a m e t e r , d e c r e a s i n g t h en u m b e r o f s t a t i o n s ，a n do i l w a t e r - g a st h r e ep h a s et r a n s p o r t a t i o n t h ei n t r o d u c t i o no f n e w g a t h e r i n gm o d ei n t ox i f e n go i l f i e l di st of u l f i l li t s o w nn e e d s a l t h o u g ht h em o d ei sc r e a t i v ea n di n n o v a t i v e ，i tw i l l a l s o i n e v i t a b l yi n f l u e n c e db ym a n - m a d ei n f l u e n c ew h e ni ti sd e s i g n e d s os o m e o p t i m i z a t i o nt h e o r i e ss h o u l db ei n 仃o d u c e da n du s e dt oe v a l u a t et h en e w g a t h e r i n gs c h e m eo nt h eb a s i so f n o ti n t e r r u p t i n gt h em a i ng a t h e r i n gm o d e f i r s t l y , an e wm a t h e m a t i c a lm o d e lw a se s t a b l i s h e d t h ed e s i g nv a r i a b l e so f t h en e wm o d e li n c l u d et h es i t eo fa l ls t a t i o n sa n dt h ei n n e rd i a m e t e r so fa l i p i p e l i n e sa n dt h eo b j e c tf u n c t i o no ft h i sm o d e li st h et o t a lc o s to ft h e g a t h e r i n gs y s t e mw h e ni ti si nt h ep e r i o do fd e s i g ne n d i n g , b e s i d e s , a l lk i n d s o fc o n s t r a i n tc o n d i t i o n sw e r ea l s oc o n s i d e r e d h o w e v e r , b e f o r es o l v i n gt h i s m o d e l ，w e l lc l u s t e rs h o u l db ec l a s s i f i e du s i n gt h eg a t h e r i n gd i a m e t e r t h e f o l l o w i n gs t e pi s t ou s ef u z z yc l u s t e r a n a l y s i s t oj u d g et h ep r e s e n c eo f p r e s s u r e dp o i n t f i n a l l y , g e n e t i ca l g o r i t h ma n dp e n a l t yf u n c t i o nw e r ea p p l i e d t os o l v et h i sm o d e l c h a n g et h eg a t h e r i n gd i a m e t e r , a n do b t a i nt h em i n i m u m t o t a lc o s t c o r r e s p o n d i n gt o t h eg a t h e r i n gd i a m e t e r t h ef i n a lc h o i c eo f o p t i m u mp l a n n i n gs c h e m e i sb a s e do nt h eo n ew h i c hh a sm i n i m u mt o t a lc o s t c + + b u i l d e r 6 0w a su s e dt od e v e l o pas o f t w a r ew h i c hi su s e dt od e t e r m i n e t h e o p t i m a lp l a n n i n gs c h e m e ，a n d i no r d e rt ob e p r e c i s e a n dv i v i d ， t h r e e d i m e n s i o n a lt e r r a i nd a t aw e r e g a i n e d a n dt h r e e d i m e n s i o n a l t o p o g r a p h i c a lm a p w a sg e n e r a t e d k e yw o r d s ：g a t h e r i n gs y s t e m ，p l a n n i n gs c h e m e ，o p t i m i z a t i o nd e s i g n ， g e n e t i ca l g o r i t h m ，s o f t w a r ed e v e l o p m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个入在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 年月日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 年 焦 月 月 日 日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 西峰油田地面集输规划方案概述 西峰油田位于甘肃省庆阳市境内，是继长庆靖安油田之后又一个百 万吨级的整装油田。西峰油田区别于国内其它油田的特点在于”i ： ( 1 ) 西峰油田属于超低渗透油田，油井无自喷能力： ( 2 ) 油田所处地区属黄土高原梁状和梁峁状丘陵沟壑地区，地形起 伏比较剧烈： ( 3 ) 气油比比较大，油田伴生气含量大： ( 4 ) 单井产油量低，新投产油井单井产油量一般在5 5 t d 左右。 针对这些特点，西峰油田在集输模式上采取了与传统规划方案不同 的策略，具体的有i ： ( 1 ) 采用超前注水驱油。由于油层属于低渗透油田。所以在开采初 期即开始对油井采用注水驱油，这就导致了油井在开采初期油井产出液 含水率就比较高，而且由于气油比比较大，所以集输系统管路中是油气 水三相混输： ( 2 ) 扩大转油站的处理规模。由于西峰油田地处偏远的山区，因此 为了减少建站费用，同时便于站建成后的维护和看守，扩大了转油站的 建站规模，已建成的某些转油站管辖的油井数甚至超过7 0 口； ( 3 ) 扩大集输半径。一般集输系统的集输半径( 油井至计量站之间 的距离) 都限制在l k m 范围之内，但是西峰油田的集输半径要远大于 l k m ，有的甚至超过了5 k m l ”1 ； ( 4 ) 建混输增压泵站。由于集输半径的扩大可能会导致某些油井仅 靠自身的井口回压不足以输送至转油站，因此把那些地形起伏比较剧烈、 集输半径比较大的油井连接到一个增压泵站上去，经增压泵站增压后的 油井产物就可以顺利地输送到转油站； ( 5 ) 二级星式布站。由于地形因素的限制，主要采用了二级星式集 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 输模式，油井产物经转油站加热、增压后直接输向联合站，在联合站内 完成油气分离、计量、外输等工作，这样做的耳的是尽量地简化流程和 节省投资； ( 6 ) 增大井口回压。低渗透油田的井1 ：3 回压一般都比较大1 2 引，西 峰油田井口回压设定在1 2 5 m p a ，井口回压的增大能够保证集输半径 的扩大，但是会降低抽油机的寿命： ( 7 ) 建丛式井。由于单井产量太低，且集输半径又比较大，所以单 井建管线连接到转油站上是很不经济的，西峰油田采用的办法是将i 每近 的几口井连接到一个阀组上，形成一个丛式井组，然后再将丛式井的产 出液通过一条管线输送至转油站上。 1 2 西峰油田地面集输规划方案优化研究概述 西峰油田采用的这些特有的集输模式是为了适应油田自身的特点而 建立起来的，而这些特有的集输模式的建立突破了传统的油田地面集输 系统设计规范的规定，有很大的创新性。但是由于这些方案是新提出来 的，所以在集输规划方案的初期设计过程中，不免会受到更多人为因素 的限制，虽然能保证最终规划方案的可行性，但是未必能保证规划方案 的最优性，即不能保证集输系统正常运行情况下的整个集输系统投资最 省。因此，需要采用优化理论对西峰油田地面集输规划方案进行优选， 在不改变其主要集输模式( 即油井、转油站、联合站) 的前提下，采用 优化理论筛选最优集输规划方案，具体要实现的优化目标有： ( 1 ) 最佳集输半径的选取。由于西峰油田采用的集输半径远大于 l k m ，在人工设计时往往采用的是主观评判的方法，采用就近原则将油 井插入到附近的转油站，这存在一定的盲目性。优化研究能给出不同集 输半径情况下的优化结果，并从优化结果中选出一个适合于西峰油田集 输模式的最佳集输半径； ( 2 ) 增压点的确定。增压点是本文自创的一个概念，它实际上是起 到增压作用的泵站。由于西峰油田集输半径的扩大导致了一些井组内某 些比较离群的油井只靠自身的井1 3 回压不足以把油井产物输送至转油 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 站，此时要按照一定的方法将这个井组再分组，在分组后含油井数比较 少的组内建增压点，含油井数比较多的组内建转油站，然后把增压点连 接到这个转油站上，从而保证了正常输送； ( 3 ) 各级站站址和所有管线管径的确定。在以往的求解站址和管径 的优化中，往往采用的是分级优化算法，即首先在分好的井组内以集输 系统内所有管线长度最短为目标函数求解站址，然后以系统动力费用和 热力费用最省为目标函数求管径，分级优化不能保证最终的优化结果是 全局最优解。因此本文的优化研究尝试建立一个能求解全局最优解的数 学模型，在该数学模型内以各级站的站址以及所有管线的管径为优化的 设计变量，采用合适的方法求解该数学模型，以得到保证全局最优情况 下的各级站的站址和所有管线的管径。 1 3 油气集输系统优化研究现状 集输系统优化属于最优化问题，最优化问题的数学模型由设计变量、 目标函数和约束条件组成，一般可表示为如下形式l 1 ： | i l i n ( 或m a x ) f ( 石) ，x r ” 5 。：邑( x ) s o ，“2 1 ，2 ，一 ( 1 一1 ) ( x ) = o v = l ，2 ，p ( p 羟) 式中：f ( x ) 一目标函数或评价函数； s j 一英文“s u b j e c tt o ”的缩写，意为“受约束于”； ( x ) 一不等式约束函数，其个数为m ； 乜( x ) 一等式约束函数，其个数为p 。 对于工程优化问题，根据约束条件存在与否可分为无约束优化与有 约束优化问题；根据目标函数和约束函数的性质可分为线性优化与非线 性优化问题；根据变量的性质可分为连续变量优化与离散变量优化问题： 根据评价函数的个数可分为单目标优化与多目标优化问题；根据决定设 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 计的因素、条件是不是确定性的可分为确定性优化与非确定性优化问题， 根据能否用数量关系表示分为定性和定量两类。 油气集输系统工程中的大多数数学模型均属于非线性规划问题，且 某些或全部设计变量只能取若干个限定的值，成为约束非线性混合离散 变量优化问题，对于这样一个十分复杂的数学模型的求解问题，国内外 学者均作了大量的研究工作。 首先将优化方法引入到管道系统设计上来的是哈克斯，在2 0 世纪6 0 年代他利用库恩一塔克定理确定管道系统的最优条件，但该方法较筒单， 在实际应用时很有限。 c h e e s m a n a p 报导了一个管道优化设计软件，采用坐标轮换法寻优 以使费用最小。尽管对一个有约束的非线性问题而言，坐标轮换法并不 是一个效率很高的算法，但仍能使设计时间减少7 0 ，设计费用节省3 0 ， 设计质量也得到了提高。 1 9 7 2 年，f l a n i g n 以管径和压缩机功率为目标，在考虑若干非线性约 束条件下，将变量划分为状态和约束量，采用约束最速下降法，给出了 问题的算法，并确定出了状态量和决策量之间的相互关系。 国内在油气集输管道系统优化设计方面的研究起步较晚，主要有： 1 9 8 5 年，朱琦提出了一种简单优化数学模型，用总折合费用最小来 确定经济管径i 、j 。 1 9 8 6 年，杨延觉以输气管道年成本费用为目标函数建立输气管道经 济模型，并采用二维坐标轮换法进行求解f 6 1 。 1 9 8 9 年，刘扬提出了n 级星式网络拓扑布局优化模型，并采用动态 规划方法对模型进行了求解【7 l 。 1 9 9 0 年，刘扬提出了在确定网络拓扑关系下集输管网系统得布局优 化设计方法，即在已知井站隶属关系情况下，将某一个井组内所有油井 采用加权中心法确定站的位置，为站位置确定提供了一种方法f g l 。 1 9 9 2 年，刘扬用模糊优化理论，研究油气集输管网系统的优化设计 问题，将温度、压力约束处理为模糊约束，建立了优化问题的数学模型， 提出了数值求解方法p j 。 1 9 9 3 年，刘扬和关晓晶等人在以前星式网络的拓扑优化设计、油气 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 集输管网系统的布局优化设计的基础上又研究了环形集输管网的布局优 化设计问题l j o l 。 1 9 9 4 年，宋振邦在油田地面布局优化软件开发中运用了图论和运筹 学的方法，对最优井组划分、计量站选址、站控井数设计等进行油田地 面布局优化问题进行了解决l 。 1 9 9 4 年，于达在原油集输规划方案的优选软件开发中，采用了分级 优化的方法，即首先按照紧致性规则划分最优井组，然后在划分出来的 各个井组内以管线长度最短为目标确定站址，最后以动力和热力消耗最 省优化出管线参数，整个优化过程清晰明了【1 1 l 。 2 0 0 0 年，李宏伟、谭家华为提高海上边际油田开发的经济性。对海 上边际油田群综合开发的海底油气集输管网系统进行了分析，利用图论 中的最小生成树方法和网络的加权中心问题，对海底管网布置进行优化， 得出了满意的投资方案f 1 3 】。 2 0 0 1 年，王兴峰在开发原油集输网络系统优化软件的开发中。采用 了一个启发式算法，实际上该算法也是一个分级优化算法，只是在最优 井组划分时加入了人工干预的成分，即指定某口油井为井组划分的起始 油井。 2 0 0 3 年，刘扬在油气集输系统拓扑布局优化过程中首次采用了遗传 算法，经过实际应用刘扬认为利用遗传算法的全局收敛性和局部搜索算 法的快速性相结合的混合遗传算法能够很好地解决布局优化问题，且这 种混合遗传算法的优化结果要优于传统的分级优化方法【”l 。 2 0 0 4 年，张启阳、史培玉采用遗传算法对油气混输管网的管径进行 了优化设计，结果表明遗传算法能够应用于复杂混输管网的管径优化， 这为混输管网进行站址和管径的全局布局优化提供了珍贵的参考资料 。 综上所述，目前国内的研究大多仅限于分级优化法、动态规划法等 传统优化理论方法。其中，将集输问题抽象为任意级星式网络模型，分 为拓扑级和几何级进行分级优化设计并通过迭代加以协调的方法，在实 际应用中取得了巨大的经济效益：另外还有将油区划分为井组，采用直 接搜索法求解的应用实例：近年来，禁忌搜索( t s ) ，模拟退火( s a ) 遗传 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 算法( g a ) ，人工神经网络( a n n ) 等新发展起来的优化算法在油田开发决 策中得到不同程度的应用。但是应该看到的是，油气集输系统是一个大 系统，由于其复杂性、多元性，其优化的工作量非常大，迄今为止世晃 上尚未出现完善的油气集输管网优化设计专用软件，有待于科技工作者 和工程技术人员近一步努力。 1 4 主要研究内容 本文在对西峰油田地面集输系统进行深入调查和系统分析的基础 上，主要对西峰油田地面集输系统规划方案的优化方面做了深入的研究， 在此基础上采用c q - v b u i l d e r 6 0 编制了优化研究软件，并对西峰油田地面 技术规划方案作了数值模拟研究，在软件开发过程中研究的主要内容包 括： ( 1 ) 最优井组的划分。以集输半径为指标对油井进行最优井组划分， 在最优井组划分过程中要根据西峰油田自身的特点引入新的约束条件以 解决最优分组问题； ( 2 ) 增压点的确定。增压点是本文自创的一个概念，它的产生也是 西峰油田自身特点的产物，在判断过程中应该采用模糊数学的相关知识 加以确定： ( 3 ) 数学模型的建立与求解。数学模型是以各级站的站址和所有管 线的管径为优化设计变量的，是一个全局优化数学模型，而模型中的设 计变量有的是连续的，有的则是离散的，求解这样一个复杂的数学模型 应该采用合适的优化理论； ( 4 ) 混输管线水力学和热力学计算公式的建立。在参考前人工作的 基础上，对现有的油气水三相混输管路的水力学和热力学计算公式加以 改进，以得到合适的便于编程实现的混输水力学和热力学公式； ( 5 ) 三维地形数据的获取。对现有的二维地形数据进行处理，以得 到所研究油区的三维地形数据，三维地形数据的获取能够保证集输系统 优化结果的准确性： ( 6 ) 建立三维地理信息显示系统。三维地理信息显示系统的建立是 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 为了查看最终的优化结果的合理性，它能够以真三维地理图像的方式提 供出一个直观形象的结果显示。 1 5 创新点 本文查看国内外大量的文献，紧跟国内外在油气集输系统规划、设 计方面的最新研究成果，对西峰油田集输系统进行了优化研究，在研究 过程中提出了一些新的理论和方法。 ( 1 ) 增压点的确定。增压点的存在是因为西峰油田地形起伏比较大、 集输半径比较大而导致某些油井单靠自身的井口回压不足以把油井产物 输送至转油站。为解决这个问题，要采用一个增压泵站对这些油井进行 增压，但是增压点的存在为集输系统的布局优化提出了新的难题，即不 是所有的油井都需要增压，也不能把增压点作为一级站来考虑，因此增 压点的确定是一个模糊问题，本文采用模糊数学中的模糊聚类分析来确 定增压点； ( 2 ) 数学模型的建立与求解。该数学模型是以集输系统设计寿命期 末总费用为目标函数，以各级站站址和所有管线管径为设计变量而建立 起来的，是一个全局优化数学模型，在求解该数学模型时采用遗传算法 和惩罚函数相结合的策略； ( 3 ) 三维地形数据的获取及其实际应用。采用一定的方法获取了西 峰油田所处地区的三维地形数据，并采用这些三维地形数据计算了管线 近似长度，保证了管线造价计算的准确性；还计算了管路沿线上坡高度 之和，保证了混输管路水力学计算的准确性：最后利用这些三维地形数 据创建了三维地理信息显示系统，该系统可在三维地形图上清晰地显示 出最后的优化结果。 中晷匿涵大学( 华东) 硕士论文第2 章优化数学模型的建立与求解 第2 章优化数学模型的建立与求解 油气集输系统优化设计计算的任务就是在给定浊井位置、产量的情 况下，优选各级站的位置、个数和管辖范围，以及确定集输系统内所有 管线的运行参数，优化的约束条件是流量平衡，压力平衡和温度、压力 等满足工艺条件，目标函数是建设投资与运行费用之和最小。本论文在 比较全面的考虑影响西峰油田地面集输管网总费用的各项因素的基础 上，将所有费用折算为设计寿命期末总费用，并以此折算费用为目标函 数，提出了一个比较全面、合理的集输系统优化设计经济模型，并在此 基础上，通过分析比较选择了适合本模型的最佳求解方法。 2 1 经济决策方法的选取 对一个待建管网，安全是第一要素。只有技术上可行才能保证所建 设的管道安全、可靠。经济因素是除安全因素以外的另一个重要因素， 评价设计方案优劣的技术经济指标有多种，如最小费用现值、内部收益 率、投资回收率等，本论文采用设计寿命期末总费用最小作为工艺方案 优化设计的最优准则1 1 71 8 ，眦。 设计寿命期末总费用是指：管道线路和各种设各的初始投资与按一 定的折现率，将设计寿命期内各年的维护管理费用和能耗费用折现到设 计寿命期末值的累加值之和。其中初始投资包括：管材费用、管道铺设 费用、管道外防腐覆盖层费用、附件费用、各级站投资，年维护费用包 括：管道线路的年维护管理费用和各级站的年维护管理、运行费用。 在考虑设计寿命期末总费用现值最小时，主要有静态分析法和动态 分析法。静态分析法是通过投资偿还期的概念将一次性费用和经常性费 用联系起来；动态分析法是通过银行的贷款利率和设备或基础设施的使 用年限将一次性投资和经常费用联系起来。动态分析法考虑到资金现值 和将来价值之间的关系，比较合理的反应了工程投资项目的经济效益， g 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章优化数学模型的建立与求解 是工程经济分析中的主要方法，因此本论文研究中采用动态分析法。 采用动态分析法的集输系统设计寿命期末总费用的目标函数为： f ：尼。0 + i c ) ”+ 毋。业掣 ( 2 1 ) 七 式中：f 一投资偿还期末应付的总费用5 f g 一项目建设初期固定设备的一次性投资，主要包括管道的 投资、防腐和保温材料投资、各种站的投资； e 一集输管网年运行费用，主要包括水力和热力费用； 毛一资金年利润率，取i c = 1 2 ； 一投资偿还期，年，取n = 1 1 年。 2 2 设计变量 设计变量是指决定方案优劣的待优化变量，本文建立的模型函数是 以集输系统设计寿命期末总费用为目标函数，采用遗传算法求解这个目 标函数，最终优化出来的结果是各级站的站址留，j ， 以及集输系统中各 段管线的管径 d ，因此优化目标函数的设计变量是各级站的站址留，王，) 和各段管线的管径 d ，即： o p t 口，】， d ( 2 2 ) 2 3 集输系统设计寿命期末总费用的确定 由上面的分析，模型的目标函数是以集输系统在其寿命期末的总费 用作为目标函数，总费用主要包括管道建设费、各级站的基建费用和运 行管理费三部分。其中建设费是一次性投资，而运行管理费是逐年投资， 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章优化数学模型的建立与求解 由于资金的时间价值，单位建设费和单位运行管理费是不等值的。将建 设费用与运行费用均按相同的年利率折算到管线设备寿命末年时的费 用，从而得到集输系统设计寿命期末总费用为： 巴= e 。4 - e 。4 - 岛。( 2 - 3 ) 其中：一集输管道总的折算费用，万元： e 。一管道建设费的折算费用，万元； e 。一各级站建设费的折算费用，万元； 巧。一运行管理费的折算费用，万元。 2 3 1 管道建设费的折算费用 这部分折算费用主要包括管道的建设费用和防腐保温层的费用，分 别计算如下： ( 1 ) 管道建设费用e 。” 管道的建设费用包括勘察、设计、施工以及购买管材所消耗的费用， 即： e = ( 口o + 口l g ) l ( 2 4 ) 式中：口。一管道勘察、设计、施工等的费用，万元k m ； a ，一管材单位重量的价格，万元吨； g 一单位管长重量，与管径d 和壁厚万有关，吨k m ； 上管长，k m ； 作为已知数据由设计院评估后给出，口。作为管材系列的已知数据 给出，g 值与管径d 和壁厚万有关，由下式确定： g = p x z x j ( d 一万) ( 2 - 5 ) l o 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章优化数学模型的建立与求解 式中：p 钢材的密度，一般可取p = 7 8 4 9 c m 3 ； 万钢管壁厚，m ；d 钢管的外径，n l 。 ( 2 ) 防腐保温层的费用只f 2 2 j e 包括保温层的费用m b 、辅助材料的费用m ，( 防腐层、防水层、 保护层和防潮层) 和施工费用肘。，即： e = 0 订0 + 靠+ j ) i 靠) l o 4 ( 2 6 ) 式中：膨。一保温层造价，元，m 0 的计算一般可以采用如下公 式：g b = 刀x l x 日“陋磊 2 一洲： 且一保温材料的价格， m 3 ,三管线长度，m ； 皖一保温层的厚度，m ；d 管道外径，m ； m f 一辅助材料造价，元，m ，= 万l x b 2 ( d + 2 皖) ； 鼠保护结构价格，元m 2 ： m s 一施工费用，元，m s = ( 膨8 + m f ) ； 口保温结构施工系数。 则管道建设费的折算费用： 互。= ( e + e ) ( 1 + ) ( 2 7 ) 2 3 2 各级站建设费的折算费用 根据对经验数据的归纳和分析，每一级站的建设费用与处理量大致 呈线性关系，可按照线性方程分段求解，假设某种站有两种已知的处理 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章优化数学模型的建立与求解 量和造价关系，即q 。，只和q 2 、e ，那么对于处理量为q 时的站的造 价f 为： f = 面q 2 - q 亿一e ) ( 2 8 ) 则各级站的总建设费用尼为： 兄= e ( 2 9 ) 式中：n - - 各级站总数： f 一各种站的单站造价，万元。 折算到寿命末年的折算费用： 忍。= f z ( 1 + 屯) ( 2 1 0 ) 2 3 3 运行管理费的折算费用 运行管理费包括动力费、热力费用和维修管理费，以热力费为主， 且比较稳定。其中动力费用的表达式如下所示e 3 i ： ，d ：e 1x a p x q v x t 1 0 7 ( 2 1 1 ) | h x i | d 式中：且一电力价格，元k w h ； p 泵出口压力与泵进口压力之差，p a ： 笪0 管道内流体的体积流量，m 3 ，s ； f 一管道年运行时间，h ； 仉泵机组的效率，取仉= 5 6 7 0 ： 玑一电机的效率，取巩= 8 5 。 1 ， 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章优化数学模型的建立与求解 在软件编制过程中，由于所研究的集输管网是气液混输管网，增压 设备应该采用混输泵，其动力费用计算公式中涉及的参数g 近似地采用 液体的体积流量。 热力费用碌的表达式如下所示笠： 几= 型等等业枷。4 ( 2 - 1 2 ) 式中：口2 一热量价格，元j ；g 。一流体的质量流量，k g m ； z 一管道起点温度，；已一管道终点温度，； f 一管道年运行时间，h ；r i 一加热炉的效率； c 一流体的比热容，j ( k g - c ) 。 则运行管理费的折算费用局。为： 历。：( t o + 昂) 。哗 ( 2 - 1 3 ) 2 4 约束条件 为了保证集输系统安全经济的运行，在对系统进行优化过程中必须 充分考虑系统的各种约束条件。本论文根据实际情况，主要考虑以下几 种约束： ( 1 ) 管径选择约束 在设计过程中采用的管道管径为离散变量，管径的选择必须满足现 有国内生产的管径标准，管径的确定按照混输管线经济流速选取，即： 嵋厚 v 删 ( 2 - 1 4 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章优化数学模型的建立与求解 其中：d 一管内径，m ：v 一经济流速，0 0 8 0 1 5 m s ； q 一原油的流量或油、水混合物的流量，m 3 s 。 通过查阅文献 2 4 2 5 1 得知：对于油、气、水三相混输管路，采用( 2 1 4 ) 式计算管径时，流量q 应该采用混输管内原油的流量或者采用油、水混 合物的流量，本论文直接采用油、水混合物的流量计算混输管线的管径； 而经济流速v 的取值范围是0 0 8 0 1 5 r i g s ，这个取值范围要比输油管的 经济流速的取值范围小得多；计算在经济流速范围内管径的取值范围， 即1 ，= o 0 8 m s 时对应的最大管径矗一，v = 0 1 5m s 对对应的最小管径 矗。，然后再到管线规格数据库内将落在 d 。，d m 。 范围内的管线选出 来。 ( 2 ) 管道承压约束耻6 j 要求管道在工作压力时，管壁承受因内压弓i 起的应力应小于管材的 最低屈服极限，通过管线壁厚来满足该约束条件，由管道壁厚公式： 6 p=2dpd|fp七c(2-15) 式中：管线壁厚，1 1 1 1 2 1 ；p 一设计工作压力，m p a ； d 一管子外径，m m ；f 一设计系数， f = o 7 2 ： 仃，管材最低屈服强度，m p a ，本次设计取盯，= 2 4 5 m p a ； 伊一纵向焊缝系数，对于无缝管、电阻焊管和弧焊管妒= 1 0 ， 对于熔池搭接和电熔焊管，妒= 0 。8 ，对于熔池对焊管， p = 0 6 1 c 腐蚀余量，m m ，根据所输介质腐蚀性的大小取值，当所 输流体中不含腐蚀性物质时c = o ，含腐蚀性物质时， 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章优化数学模型的建立与求解 c = o 5 l m m a ( 3 ) 进站温度约束 由于输送的原油温度降低到其凝点以下时会发生凝固，因此原油在 管道中流动的最低温度要高于最低进站温度，通常最低进站温度控制在 原油凝点以上3 5 ，本文取原油凝点以上4 。 ( 4 ) 出站温度约束 出站温度约束是考虑到防腐绝缘层的耐热程度和为了防止液体受热 轻组分挥发过于严重而提出的，本论文取最大出站温度为6 0 。 ( 5 ) 进站压力约束 最小进站压力约束是为了满足站内管线摩阻和站内泵的入口吸入性 能要求而提出的，本论文取为0 3 m p a ( 表压) 。 ( 6 ) 出站压力约束 为了降低运行成本，在保证顺利输送的前提下，西峰油田规定了站 的最高出站压力，其值为6 m p a 。 ( 7 ) 油井井口回压约束 为了延长油井上抽油机的使用寿命并缩短其维修周期，油井井口的 回压必须低于井口最高允许回压，通常情况下为了降低运行费用，在不 影响生产的情况下尽可能降低井口回压，油井最高允许回压一般取为 1 0 2 5 m p a ，由于西峰油田属于低渗透油田，对低渗透油田井口回压 一般取的比较高，本论文并口回压取2 5 m p a 。 ( 8 ) 油井分组约束 一般来说，计量站所管辖的油井数为8 1 0 口，油井到计量站的距 离一般不超过l k m ，但是西峰油田集输系统里面增加了增压点，增压点 的存在能够使偏远的油井顺利地输送到计量站，从而使长庆油田的集输 半径超出了传统规范规定的l 公里这个数值，因此在划分井组的时候， 以集输半径作为划分井组的依据，将位于集输半径内的所有油井划为一 个井组。 ! 旦互迪盔堂! 些奎! 堡主堡茎 笙! 童垡垡墼堂堡型堕垄兰量垄鲤 2 5 优化数学模型 综合以上分析得到优化的模型函数为： m i n “慨阢跏= 石 溉j ， 翻 ) + n 石以，巴，q ) n + 慨，l ，厶) s t 名。只s i = 1 , 2 , 3 ，n 尸蛳。巴s 。i = 1 ，2 a n 瓦。霉。s ? ki = 1 , 2 ，3 , - - - n s 乙s k 扛1 , 2 ，3 ，n 向厅( 包，鼻)i = l ，2 w 3 ， 。s q v 。i = 1 , 2 ，3 ，n 式中： d 卜一各管段设计管径变量； 弼一各管段设计壁厚： r 各站的设计位置坐标； 石一管材费用函数； 以一动力费用函数； 五热力费用函数； 匕，巴f 号管段起终点压力；厶一号管段管长 乃，乃f 号管段起终点温度； q f 号管段体积流量； 是( d ，只) 一i 号管段最小设计壁厚；v 。一f 号管段流速； v r a m ，v 一一经济流速范围；， 蚍，一压力上下限； 的 d 幻 纠 h 纠 纠 心 拢 心 ( ( ( ( ( ( ( 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章优化数学模型的建立与求解 l 。，温度上下限； n - - 管网中总管段数目。 目标函数中各项分别为管材费用、动力费用和热力费用，不等式约 束条件分别为压力约束、温度约束、壁厚约束和经济流速约束。 2 6 油井最优分组的确定 集输系统布局优化设计属于平面内的站址选择问题，一般来说该问 题的解决方法应该为：在给定平面内的，1 个点，只、最、只只，各 点分别拥有相应的权值c 。、c 2 、c 3 g ，求场址q 满足 o ( q ) = r a i n e ，l ，其中的是只与o 之间的欧氏距离，即 = g 一) 2 + 一m ) 2 ，其中的仁y ) 就站址q 的坐标。求场址q 使之 满足中 ) = m i n c lx _ 的条件是： 筹= 窆e 孚地等= 窆q 学= 0 ( 2 - 2 3 ) 苏智。，l砂智 由于海赛矩阵是正定的，所以用上式求出来的坐标g ，y ) 即为最优站 址，但是由于目标函数毋( q ) 既是非线性的，又是不连续的和非凸的，所 以直接采用上面的式子求解站址是非常困难的。针对这个问题，很多学 者采用过不同的优化算法对上面的式子进行过求解，得出了很多有价值 的结论1 8 j 2 , 4j 。 但是在采用合适的优化算法对集输系统站址优化时首先会面临一个 问题，即对于这以个井点，究竟哪些点由哪个站管辖? 只有首先确定了 哪些油井由哪个站管辖，才能在这些油井组成的一个井组内采用合适的 优化算法对站址进行优化。考虑到这一点，本论文在开始布局优化之前 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章优化数学模型的建立与求解 首先对油井进行井组的划分，由计算机自动地对所有油井给出一个满意 的初始剖分，在这个初始剖分基础上优化各级站的站址。 2 6 1 油井最优分组的思路 井组最优划分目标是确定油井与转油站间的最佳隶属关系，使得各 油井到相应转油站之问的距离之和最短，以达到节省建设费用的目的。 在集输系统的优化设计中，井组划分的成败将直接影响以后的优化工作。 通过查阅文献【n 2 7 。8 , 2 93 0 l 得知，以前做过的井组最优划分都是采用在 集输半径和一定的井式( 站管辖下的油井数目) 约束条件下，在不考虑 管道流量而仅仅按照距离之和最短的原则进行分组的方法，由于没有考 虑转油站的处理量规模，这样在优化结果中有时会表现出各转油站的实 际处理量分布不尽合理：有的处理量过大，而有些处理量过小，与实际 的生产情况相差甚远；出现这种结果的另外一个原因是在以往的计算井 站间距中没有考虑井与站之问高差的因素，这在地形起伏比较剧烈的地 区是不合理的。 长庆西峰油田的集输半径超出了传统的i k m 限制，实际的集输半径 要远大于1 k m ，集输半径的扩大导致的一个直接结果是转油站所管辖的 油井数目大大增加，目前己建成的某些转油站甚至管辖了7 0 多口油井， 因此就不能再把并式( 即站辖井数) 作为一个约束条件了；同样也不能 设定转油站的最大处理量，这是因为如果设定了转油站的最大处理量， 受转油站处理量的限制，集输半径就不可能取得太大，只能在与转油站 最大处理量对应的集输半径内变化，而软件研发的一个主要目的就是确 定西峰油田这种集输模式下采用多大的集输半径是合理的，因此在站的 流量设置方面只设置最小流量，当站的处理量小于这个最小流量的时候 不值得建站：另外，又由于该地区地形起伏十分剧烈，在计算井一站问管 线长度的时候要考虑高差的影响。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章优化数学模型的建立与求解 2 6 2 油井最优分组数学模型的建立 综合以上分析，油井最优分组的目标函数建立如下： m 1 n f = 爿f 岛 = l 扛i s 丁 a ，= 1 ( f = 1 ，2 ，埘) = 1 l f 呜r ( f = l ，2 ，一h ；，= l ，2 ，。坍) g o u a f = 0 ，i ( 扛l ，2 ，l ；，= l ，2 ，m ) 式中：f 一某井组内管线长度总和； m 一转油站的总数； q j 一第_ ，个转油站的处理量； ( 2 - 2 4 ) ( 2 - 2 5 ) ( 2 - 2 6 ) ( 2 - 2 7 ) ( 2 - 2 8 ) 以一油井的总数； 彳f 0 1 设计变量； r 一集输半径： g m 。一转油站所管辖的最少油井数； 三。一考虑了高程影响的第i 油井到，转油站问管线的长度， k m ，计算过程请参考第三章4 2 2 节的内容。 约束条件中，式( 2 - 2 5 ) 表示每口油井只能隶属于一座转油站：式 ( 2 2 6 ) 表示集输半径约束；式( 2 2 7 ) 表示转油站处理量规模约束； 式( 2 2 8 ) 表示设计变量的取值约束，即 。1 1 当第讲隶属于第阱量接转站 一” 【0 当第讲不隶属于第计量接转站 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章优化数学模型的建立与求解 2 6 3 油井最优分组数学模型的求解 对于油井最优分组的合理性是采用紧致性来度量的，而紧致性用组 内井点到该组中心的离差平方和来度量的，本论文油井最优分组的目标 是对井位集合确定一种划分，使各组的紧致性最好。具体的步骤如下所 述： ( i ) 令七= 0 ，e 忙) ：0 ： ( 2 ) 按照集输半径划分初始井组； 如下图所示，在用集输半径划分初始并组时，首先采用链表将油井 按照一定顺序排列起来，形成一个油井序列。例如可以采用的排列顺序 是：横坐标由小到大并且纵坐标也由小到大变化。加上纵坐标由小到大 的限制是为了防止不同油井出现相同横坐标的情况出现，如下图中的6 、 8 井以及5 、2 井横坐标相同，单独采用横坐标由小到大排列会出错。当 采用横坐标由小到大并且纵坐标也由小到大变化排序后得到的油井序列 是：l 、7 、8 、6 、2 、5 、4 、3 。 图2 1 井组划分示意图 排好序后，采用以下步骤对油井进行初始并组的划分： 定义一个油井集合a ，在a 中先放置油井序列的第一口井，即把 井1 放到a 里面去； 取油井序列的第二口井放入到a 中，即把井7 放入到a 中； 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章优化数学模型的建立与求解 计算此时a 集合里面所有油井中任意两口井的距离，取距离的最 大值，当这个最大值小于等于2 r 时，则将该油并加入到a 中，否 则剔除这口油井； 继续依次选取油井序列中其它所有油井，即依次地把井8 、6 、2 、 5 、4 、3 放入到a 中，返回到，判断是否满足约束条件； 假设经过判断集合a 中满足条件的油井是井l 、2 、6 、8 ，即这四 口井中任意的两口井之间的间距都小于等于2 r ，此时的a 就成为 第一个被划分出来的井组，保存这个分组结果后把a 清空； 从油井序列的首位开始搜索，找到第一口没被划入已存在井组中 的油井，即找到井7 ( 因为井7