0 油气储运工程最优化概述 - 0.1.ppt

储运工程最优化,(概述),概述,主讲：赵江滨联系方式赵)E-mail:zhaojiangbin,最优化？最大or最小,OperationsResearch运筹学,第一章线性规划的基本概念及基本原理第二章线性规划求解的基本方法第三章对偶线性规划问题第四章整数线性规划第六章非线性规划问题及其数学基础第七章单变量函数的寻优方法第八章无约束条件下多变量函数的寻优方法第十一章动态规划方法简介,目录,概述,参考课程,教材：最优化应用技术卢名高编石油工业出版社2002年11月第2版参考资料:安家荣编，油气储运系统最优化，校内教材范鸣玉编，最优化技术基础，清华大学出版社运筹学，清华大学出版社优化设计及应用孙国正主编人民交通出版社优化技术及其应用何献忠编北京理工大学出版社MatlabOptimizationToolboxUsersGuide软件工具:MatlabC/C+/C#/Java,概述,参考文献:,参考课程（MITOpenCourse）,课程安排授课：1-14周编程：4学时成绩考试：80%平时：20%,In1939,Kantorovichpresentedanumberofsolutionstosomeproblemsrelatedtoproductionandtransportationplanning.DuringWorldWarII,Koopmanscontributedsignificantlytothesolutionoftransportationproblems.KantorovichandKoopmanswereawardedaNobelPrizeineconomicsin1975fortheirworkonthetheoryofoptimalallocationofresources,本课程讲述油田勘探、开发、石油化工以及生产管理中的最优化数学模型。通过对本课程的讲述，能使学生对线性规划、非线性规划、动态规划的有关知识有所了解。在线性规划部分里，介绍线性规划的基本理论、单纯形方法、对偶理论、整数规划和应用举例；非线性规划部分包括无约束问题的最优化原理、单变量和多变量的最优化算法；同时介绍了动态规划的基本概念和常用算法。,课程介绍,概述,最优化原理可这样阐述：一个最优化策略具有这样的性质，不论过去状态和决策如何，对前面的决策所形成的状态而言，余下的诸决策必须构成最优策略。简而言之，一个最优化策略的子策略总是最优的。一个问题满足最优化原理又称其具有最优子结构性质。最优化方法（也称做运筹学方法）是近几十年形成的，它主要运用数学方法研究各种系统的优化途径及方案，为决策者提供科学决策的依据。最优化方法的主要研究对象是各种有组织系统的管理问题及其生产经营活动。最优化方法的目的在于针对所研究的系统，求得一个合理运用人力、物力和财力的最佳方案，发挥和提高系统的效能及效益，最终达到系统的最优目标。,什么是最优化原理与方法,概述,实践表明，随着科学技术的日益进步和生产经营的日益发展，最优化方法已成为现代管理科学的重要理论基础和不可缺少的方法，被人们广泛地应用到公共管理、经济管理、国防等各个领域，发挥着越来越重要的作用。本章将介绍最优化方法的研究对象、特点，以及最优化方法模型的建立和模型的分析、求解、应用。主要是线性规划问题的模型、求解（线性规划问题的单纯形解法）及其应用运输问题；以及动态规划的模型、求解、应用资源分配问题。,什么是最优化原理与方法,概述,油气储运系统优化设计思路,最优化问题：如何从可行方案中找出最优方案的问题,可行方案：一个方案能达到预定的目的；满足约束条件。,最优方案：可行方案中最好的方案，达到最优的效果。,最优化所包含两层含义：,（1）寻找最优方案的过程,（2）由最优方案产生的效果,数学,极值或条件极值,按性质分类：（1）最小化问题：用最小的资源消耗完成规定的任务。（2）最大化问题：以一定的资源消耗达到最大的效益。,概述,建立最优化问题数学模型的三要素：,（1）决策变量和参数。决策变量是由数学模型的解确定的未知数。参数表示系统的控制变量，有确定性的也有随机性的。,（2）约束或限制条件。由于现实系统的客观物质条件限制，模型必须包括把决策变量限制在它们可行值之内的约束条件，而这通常是用约束的数学函数形式来表示的。,（3）目标函数。这是作为系统决策变量的一个数学函数来衡量系统的效率，即系统追求的目标。,建立数学模型的基础系统分析,1、系统-由相互联系的若干部分构成的具有一定功能的整体。如：埋地热油管道系统（管线、泵站、加热站、原油）系统基本特征：1）系统由若干部分组成，每一部分具有特定的功能。2）系统中的各个要素之间相互制约、联系和作用。3）系统是具有一定功能的整体，系统的总功能不等于各个部分功能的简单的迭加，系统的整体功能大于各部分的功能之和。4）系统存在于一定的环境中，系统与环境之间存在相互作用，系统与环境的划分是相对的，对于一个系统是环境，而对于另一个系统而言可能是其中的一部分。,概述,2、系统分析法包括以下内容：1）确定所研究系统的范围及其所处的环境。如：一条长输管道的优化运行问题，要确定研究的是管道系统本身，还是与油田、炼厂统一起来考虑，两种情况就不一样。2）确定系统的组成部分、结构、功能、目的、各部分的功能和内部规律。如：长输管道系统，要确定有几个泵站？几个加热站？各站有几台泵？最大和最小输油能力？每个站有几台加热炉？发热能力如何？泵与站的关系如何？是先炉后泵还是先泵后炉？设备与管道的承压能力如何？等等,概述,3）明确系统各个部分之间的关系及整个系统与环境之间的联系。4）在上述分析的基础上，确定问题的决策变量及评价方案优劣的标准（即目标函数）。如长输管道优化运行问题中的进站油温为决策变量等.,概述,以安全可靠、经济合理的方式保质保量地完成原油、天然气及石油产品的运输和储存。由于储存和运量大，运距又长，故油气储运设施及系统的规模一般比较大，需要大量的投资和经营费用。对于这种大规模的工程系统，其设计或运行方案稍有改变就可能导致费用的很大变化，因此对这种系统的规划、设计、运行进行最优化就很有必要，并具有重要的经济意义。国外自上世纪60年代初就开始将最优化方法应用于油气储运系统。国内起步较晚，直至上世纪八十年代初才开始这方面的研究工作。,油气储运专业的任务,概述,1、成品油最优调和方案的制定,在炼厂或商品油库中，经常要进行成品油调和业务。这是因为从炼厂设备中生产出来的是组分油，而国民经济各行各业对成品油的需求是多种多样的，这就需要用几种组分油调和多种规格的成品油。,对于一个炼厂或商品油库来说，一般为了获取最大利润，需要在组分油总量一定的情况下，确定各种规格油品的产量，使总利润最大。,概述,2、商品油库的最优进货计划的制定商品油库是专门进行油品买卖业务的企业，它靠油品的进出库差价来获取利润，而油品的进货价可能随月份有所不同，因此，对于商品油库来说，存在一个最优进货计划问题。,概述,3、商品油库的最优规划与最优布局问题在货源及销售情况、库区的地形及水陆交通情况等外部环境因素已定的条件下，为了使油库建成后能获得最佳综合效益，客观上就存在一个最优规划作业区、工艺管线优布局问题。商品油库最优规划与最优布局的主要内容有：各种油品的最优容量、油罐的最优规格及数目的确定，各类工艺及辅助设施的最优规格和台数、各条管线的最优尺寸的确定，油罐区、各类泵房、锅炉房、收发油作业区、工艺管线等工艺设施以及道路、给排水、供电、消防等辅助设施的总体最优布局。可见，商品油库最优化规划与最优布局是一个相当复杂的大系统最优化问题。,概述,全国长输油气管道分布示意图,林源,铁岭,秦皇岛,北京,濮阳,沧州,靖边,马岭,石空,轮南,库尔勒,鄯善,乌鲁木齐,大连,拉萨,格尔木,花土沟,赛汉塔拉,阿尔善,成都,重庆,魏岗,荆门,洛阳,南京,青岛,东营,临邑,克拉玛依,独山子,广州,三亚,香港,东方,原油,天然气,成品油,银川,西安,茂名,湛江,石家庄,塔中,火烧山,郑州,洪湖,平湖,上海,舟山,哈尔滨,吉化,概述,4、长输管道的最优设计长输管道主要有三种类型：原油管道、成品油管道和输气管道。在长输管道的设计中都存在最优路径、最优管径、最优壁厚、最优泵站数（压气站数）的确定问题。对于原油管道，一般采用加热输送工艺，所以还存在最优加热站数的确定问题。对于成品油管道，如果采用顺序输送，则还存在最优输送顺序、最优循环次数、首末站最优储罐容量等一系列优化问题。,概述,主要包括局部方案优化和全项目方案优化。局部方案优化：线路走向的方案优化，一般说来投资少者的方案为优。管径选择和设备选择的方案优化，一般采用费用现值法，费用现值低者的方案为优。全项目方案优化：由于线路走向和管径选择制约了站场设置和公用工程的设置，因此每一个线路走向和管径选择方案必然带来一个全项目方案。在输量相同的情况下，全项目方案的优化，一般说来采用费用现值法和最低运价法，以费用现值最少或运价最低者的方案为优。最低运价即是按国家或行业规定的基准收益率，利用现金流量表返求出来的运价。,概述,5、长输管道的优化运行长输管道在运行过程中，各种运行条件如地温、总传热系数、油品性质都会发生变化，这就需要管道运行管理人员根据当前的运行条件制定最优的运行方案。对于热油管道，需要确定各泵站的最优升压值组合，即最优开泵方案。,概述,6、输油管道最佳月输油计划确定长输管道在输油任务一般以月为单位下达。对于一条长输管道，总有几种节流量最小的开泵方案。如对于有六座泵站的长输管道，节流量最小的开泵方案一般有：六座泵站全开、开三座泵站、开一座泵站，每种开泵方案都对应有一个输量，也就是说，一条长输管道总存在几个节流量最小的输量。如果管道按月平均输量运行，节流量可能很大，为了使能耗最小，可以用不同的输量运行不同的时间，从而满足月输油任务的要求。这就需要根据月输油任务，制定最佳的月输油计划（运行方案）。,概述,7、矿场油气集输系统的最优化问题,概述,包括矿场油气集输系统的优化设计和优化运行。目前我国油田矿场油气集输系统大多采用“三级管理”的小站流程，即计量站、转油站和联合站。对于这种流程，优化设计的主要内容包括：在油井分布和油井产量一定的条件下，确定计量站、转油站和联合站的最优数目，油井与计量站、计量站与转油站、转油站与联合站的最优隶属关系。各站之间由油、气、水管道连接，形成一个树枝状的网络系统。对于这样一个网络系统，要确定各站的最佳规模、各种设备的最优规格及台数、各类工艺管道的最优尺寸等。,7、矿场油气集输系统的最优化问题,概述,我国各地区油气产品的生产、加工和消费很不平衡，为满足全国炼厂对原油的需求和各地区对成品油的需求，实现全国范围内的采、炼、销的综合平衡，使国家获得最佳的宏观经济效益，就存在一个油气产品的合理分配与运输问题。,8、全国油气产品的合理分配与运输,概述,1、澳大利亚石油天然气公司OMV的天然气集输系统，在1971-1973年间采用纯线性规划（LP）和混合整数规划（MIP）进行优化。当时的计算条件在计算5个离散变量时需要一个小时。经过优化器的优化后，系统中燃料天然气可节约5%-30%。2、弗罗里达天然气输送管网系统长约850km,22065kW的输送功率，日送气量约16744m3/d。这条输气管道不象北美地区其它的输气管道，该系统送气高峰在夏季。1997年，该系统用优化技术对运行进行了优化，结果表明能更好地操作管道，同时还能考虑天然气输送公司和顾客的利益。3、德州东部输气公司（TETCO）的管道系统大约有近1561km长的管道，包括74个压缩机站。该系统从靠近麦卡伦的墨西哥边界，延伸到纽约州的Staten岛。1998年的研究表明，在TETCO的管道系统中采用优化技术后，每年要节约300万美元的费用。而采用同样的技术，在美国CGT的管道上每年则要节约400万美元。,概述,优化问题建模,示例：制造问题AmanufacturerproducesfourdifferentproductsX1,X2,X3,andX4.Therearethreeinputstothisproductionprocess:laborinmanweeks,kilogramsofrawmaterialA,andboxesofrawmaterialB.Eachproducthasdifferentinputrequirements.supposethatoneunitofproductX1sellsfor$6,andX2，X3,andX4sellfor$4,$7,and$5,respectively.求生产安排，以获得最大收益。,优化问题建模,Thegoaloflinearprogrammingistodeterminethevaluesofdecisionvariablesthatmaximizeorminimizealinearobjectivefunction,wherethedecisionvariablesaresubjecttolinearconstraints.Alinearprogrammingproblemisaspecialcaseofageneralconstrainedoptimizationproblem.Inthegeneralsetting,thegoalistofindapointthatminimizestheobjectivefunctionandatthesametimesatisfiestheconstraints.Werefertoanypointthatsatisfiestheconstraintsasafeasiblepoint.Inalinearprogrammingproblem,theobjectivefunctionislinear,andthesetoffeasiblepointsisdeterminedbyasetoflinearequationsand/orinequalities.,Ingeneral,thenumberoffeasiblepointsisinfinitelylarge.However,asweshallsee,thesolutiontoalinearprogrammingproblemcanbefoundbysearchingthroughaparticularfinitenumberoffeasiblepoints,knownasbasicfeasiblesolutions.Therefore,inprinciple,wecansolvealinearprogrammingproblemsimplybycomparingthefinitenumberofbasicfeasiblesolutionsandfindingonethatminimizesormaximizestheobjectivefunctionwerefertothisapp