热油管道优化设计技术研究

热油管道优化设计技术研究中图分类号：ＴＥ８３２单位代码：１０４２５学号：Ｓ０８０６０８２２◎寸闺石油六ｊ爹硕±学位论文ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍＭａｓｔｅｒＤｅｇｒｅｅＴｈｅｓｉｓＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＯｉｌＰｉｐｅｌｉｎｅＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎ学科专业：油气储运工程研究方向：油气长距离管输技术作者姓名：高书光指导教师：安家荣副教授二。一一年五月ⅢＹⅢ８Ⅲ，Ⅲ６川●川，ｍｌＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＯｉｌＰｉｐｅｌｉｎｅＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎＡＴｈｅｓｉｓＳｕｂｍｉｔｔｅｄｆｏｒｔｈｅＤｅｇｒｅｅｏｆＭａｓｔｅｒＣａｎｄｉｄａｔｅ：ＧａｏＳｈｕｇｕａｎｇＳｕｐｅｒｖｉｓｏｒ：Ｐｒｏｆ．ＡｎＪｉａｒｏｎｇＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰｉｐｅｌｉｎｅａｎｄＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ〔ＥａｓｔＣｈｉｎａ〕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奉献均已在论文中出了明确的说明。假设有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文作者签名：ｊ毫阻日期：如７／年ｆ月；／日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：保存学位论文，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局部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。学位论文作者签日期：少ｆ／年５－月岁／日，指导教师签名：Ｒ期：山，／年／月７同摘要长距离热油管道的建设关系到国民经济的开展，不仅工程建设投资巨大，建成后每年的运行费用也很大。如何对长距离热油管道进行优化设计减少管道建设费用和运行费用，还有许多值得研究探索和改进的地方。本文首先对国内外油气管道优化设计工作进行了分析和研究。以长距离无分支热油管道为研究对象，根据原油长输工艺理论和最优化原理，确定了以管径Ｄ，管壁厚度万。、保温层厚度瓯、泵站数％、加热站站数／ＩＲ、进站温度，ｚ、泵站扬程Ⅳ。．为决策变量，考虑到资金时间的价值性，以热油管道的建设费用现值为目标函数，综合考虑管道设计的热力约束、水力约束、强度约束和泵特性约束，建立了热油管道优化设计的数学模型。在热油管道的工艺计算中，采用离散温度法计算沿程温降，在每步计算段，及时对流态进行判断，计算原油物性参数、沿程水力迫降、管线传热系数等参数等，提高了计算精度。由于所建立的热油管道优化设计数学模型为混合离散变量非线性约束优化设计问题，难以求解。通过比照优化计算方法的优缺点，确定采用遗传算法对热油管道优化设计数学模型进行求解，系统阐述了求解思路，并设计了求解步骤。本文以某长距离热油输送管道为例，设计输量为１５００万吨／年，用Ｃ＋＋Ｂｕｉｌｄｅｒ平台进行编写计算程序，对其进行优化设计。通过比照计算结果，验证了本文所建立的数学模型与求解方法的可靠性和实用性。从结果上来看，进出站温度对优化方案影响较大，在优化计算过程后期，根本上就是对进出站温度的优化计算，说明进出站温度的优化在管道优化设计中处于重要地位。本文对热油管道的运行优化也具有一定的借鉴意义。关键词：热油管道，优化设计，遗传算法，数学模型ＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＯｉｌＰｉｐｅｌｉｎｅＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎＧａｏＳｈｕｇｕａｎｇ〔Ｏｉｌ＆ＧａｓＳｔｏｒａｇｅａｎｄＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ〕ＤｉｒｅｃｔｅｄｂｙＡｓｓｏｃｉａｔｅｄＰｒｏｆｅｓｓｏｒＡｎＪｉａｒｏｎｇＡｂｓｔｒａｃｔＬｏｎｇ—ｄｉｓｔａｎｃｅｏｉｌｐｉｐｅｌｉｎｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｉｓｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｈｅｅｃｏｎｏｍｉｃｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｃｏｕｎｔｒｙ．Ｎｏｔｏｎｌｙｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｉｓａｏｕｒｈｕｇｅｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ，ｉｔｉｓａｌｓｏａｌａｒｇｅｃｏｓｔｏｎｔｈｅａｎｎｕａｌｏｐｅｒａｔｉｎｇａｆｔｅｒｔｈｅｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎ．Ｉｔｉｓｗｏｒｔｈｔｏｍａｋｅｅｘｐｌｏｒｉｎｇｐｉｐｅｌｉｎｅ’Ｓｂｕｉｌｄｉｎｇｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔａｎｄｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｏｄｅｃｒｅａｓｅｏｉｌａｎｄｏｐｅｒｍｉｎｇｆｅｅｂｙｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎ．ｏｎＴｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｍａｄｅａｎａｌｙｓｅｓａｎｄｓｔｕｄｉｅｓｔｈｅａｃｔｕａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｌｏｎｇｄｉｓｔａｎｃｅｐｉｐｅｌｉｎｅａｓｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎｏｆｗｏｒｌｄｗｉｄｅｆｉｒｓｔｌｙ．Ｔａｋｉｎｇｔｈｅｌｏｎｇｄｉｓｔａｎｃｅｈｅａｔｅｄｏｉｌｐｉｐｅｌｉｎｅｓｔｕｄｙｏｂｊｅｃｔ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｌｏｎｇｄｉｓｔａｎｃｅｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎｔｈｅｏｒｙａｎｄｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ａｈｅａｔｅｄｏｉｌｐｉｐｅｌｉｎｅｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎｍｏｄｅｌｗａｓｆｏｕｎｄｅｄ．Ｉｎｔｈｅｍｏｄｅｌ，ｔｈｅｖａｒｉａｂｌｅｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇＤ〔ｏｕｔｓｉｄｅｄｉａｍｅｔｅｒｏｆｐｉｐｅｌｉｎｅ〕、６ｓ〔ｗａｌｌｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｐｉｐｅｌｉｎｅ〕、６ｂ〔ｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｉｎｓｕｌｔｌａｙｅｒ〕、胛Ｒ〔ａｍｏｕｎｔｏｆｔｈｅｈｅａｔｉｎｇｓｔａｔｉｏｎｓ〕、刀ｃ〔ａｍｏｕｎｔｏｆｔｈｅｐｕｍｐｓｔａｔｉｏｎｓ〕、，ｚ〔ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｔｔｈｅｉｎｌｅｔｏｆｅｖｅｒｙｈｅａｔｉｎｇｓｔａｔｉｏｎ〕ａｎｄＨ〔，〔ｔｈｅｌｉｆｔｏｆｅｖｅｒｙｐｕｍｐｓｔａｔｉｏｎｓ〕．．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｔｉｍｅｃｏｓｔｖａｌｕｅｏｆｔｈｅｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ，ｗｅｃｈｏｏｓｅｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｖａｌｕｅｏｆｔｈｅａｓｏｆｔｈｅｈｅａｔｅｄｏｉｌｐｉｐｅｌｉｎｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｔｈｅｏｂｊｅｃｔｉｖｅｆｕｎｃｔｉｏｎ．Ｗｅｒｏｕｎｄｌｙｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ，ｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ，ｓｔｒｅｎｇｔｈｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ，ａｎｄｐｕｍｐ’Ｓｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｏｎｓｔｒａｉｎｓ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ，ｗｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｒｏｐａｌｏｎｇｔｈｅｌｉｎｅｂｙｄｉｓｃｒｅｔｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｔｈｅｈｅａｔｅｄｏｉｌｐｉｐｅｌｉｎｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ．Ｉｎｅａｃｈｓｔｅｐ，ｗｅｈａｖｅｔｏｊｕｄｇｅｔｈｅｆｌｏｗｐａｔｔｅｒｎｆｒｏｍｔｉｍｅｔｏｔｉｍｅ，ａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｅｏｔｈｅｒａｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓｓｕｃｈｔｈｅｐｈｙｓｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｏｆｏｉｌ、ｈｙｄｒａｕｌｉｃｌａｎｄｉｎｇａｌｏｎｇｔｈｅｗａｙ，ｔｈｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｔｈｅｐｉｐｅｌｉｎｅ．Ｉｔｉｓｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｐｒｏｂｌｅｍａｓｔｈｅｍｏｄｅｌｗｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｆｏｒｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｏｆｏｉｌｐｉｐｅｌｉｎｅｃｏｎｔａｉｎｓｄｉｓｃｒｅｔｅｖａｒｉａｂｌｅｓｃｏｍｐａｒｉｎｇｔｈｅａｎｄｎｏｎｌｉｎｅａｒｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ．Ｂｙａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ，ｗｅｄｅｃｉｄｅｄｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｏｆｏｉｌｐｉｐｅｌｉｎｅｂｙＧＡ〔ｇｅｎｅｔｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍ〕．Ｗｅｅｘｐｏｕｎｄｅｄｔｈｅｔｈｉｎｋｉｎｇｏｆｔｈｅｓｏｌｕｔｉｏｎａｎｄｄｅｓｉｇｎｅｄａｓｏｌｖｉｎｇｐｒｏｃｅｄｕｒｅ．Ａｔｌａｓｔ，ｔａｋｉｎｇａｃｅｒｔａｉｎｌｏｎｇｄｉｓｔａｎｃｅｈｅａｔｅｄｐｉｐｅｌｉｎｅａｓｅｘａｍｐｌｅ，ａｍｏｄｕｌｅｉｓｐｒｏｇｒａｍｍｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｃｏｍｐｕｔｅｒｌａｎｇｕａｇｅＣ＋＋Ｂｕｉｌｄｅｒ６．０．ＯｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎｗａｓｍａｄｅｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｃｏｍｐｕｔｅｒａｌｇｏｒｉｔｈｍｌａｎｇｕａｇｅＣ＋＋．Ｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎｄｐｒａｃｔｉｃａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌａｎｄｓｏｌｖｉｎｇｍｅｔｈｏｄａｒｅａｐｐｒｏｖｅｄｂｙｃｏｍｐａｒｉｎｇｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｒｅｓｕｌｔｓ．Ｆｒｏｍｔｈｅｒｅｓｕｌｔ，ｗｅｃａｎｓｅｅｔｈａｔｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｏｕｔｏｆｓｔａｔｉｏｎｓｈａｖｅａｇｒｅａｔｉｍｐａｃｔｉｎｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ．Ｉｎｔｈｅｌａｔｅｏｆｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ，ｉｔｉｓｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｓｔａｔｉｏｎｓ．Ｓｏ，ｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｓｔａｔｉｏｎｓｉｓｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｉｓａｌｓｏｕｓｅｆｕｌｆｏｒｔｈｅｏｉｌｐｉｐｅｌｉｎｅｏｐｔｉｍａｌｏｐｅｒａｔｉｏｎｔｏｓｏｍｅｅｘｔｅｎｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｈｏｔｏｉｌｐｉｐｅｌｉｎｅ，Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎ，Ｇｅｎｅｔｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌ目第一章录前言………………．．１１．１课题研究目的和意义…………………．．１１．２最优化问题……………．．１１．３国内外热油管道优化研究现状………．．４１．４本文主要研究对象与内容……………．．７第二章热油管道优化设计数学模型………８２．１决策变量确实定………………………一８２．２模型假设条件…………～９２．３目标函数的建立………………………１０２．４管径规格初选模型……………………１５２．４．１管道壁厚度约束条件……………．１５２．４．２管道的刚度约束条件……………．１５２．４．２经济流速约束条件………………．１６２．５约束条件的建立………………………１６２．５．１管道强度约束条件………………．１６２．５．２泵站特性约束条件………………．１７２．５．３热力约束条件……………………．１９２．５．４水力约束条件……………………．２０２．６热油管道优化设计数学模型…………２０２．７本章小结………………２１第三章热油管道优化设计数学模型求解………………一２２３．１选择优化算法…………２２３．２遗传算法根本概念……………………２２３．２．１遗传算法的特点…………………．２３３．２．２标准遗传算法的根本步骤………．２３３．３热油管道优化设计模型求解方案……………………２４３．３．１管径初选方案……………………．．２４３．３．２决策变量编码……………………．２４３．３．３初始种群的设计…………………．２６３．３．４适应度的设计及其调整…………．２７３．３．５温降离散法计算沿程能量损失…………………．２８３．３．６遗传操作的设计…………………．３９３．３．７遗传算法终止条件判断…………．４２３．３．８站址确定…………．．４２３．４热油管道优化设计求解流程…………４２３．５本章小结………………４３第四章软件程序编制与算例分析………．．４５４．１软件程序设计说明……………………４５４．１．１参数录入模块……………………．４５４．１．２参数关系式拟合模块……………．４６４．１．３管径初选模块……………………．４６４．１．４优化计算模块……………………．４６４．１．５站址布置与设备选型模块………．４６４．２算例根本数据资料……………………４６４．３算例根底数据拟合……………………４９４．３．１粘温曲线关系……………………．４９４．３．２比热容．温度关系…………………４９４．３．３泵特性拟合………………………．．４９４．３．４遗传算法参数……………………．５０４．４算例优化设计结果及其分析…………５ｌ４．４．１管径规格初选……………………．５ｌ４．４．２优化计算结果及比照分析………．５１４．４．３站址调整与泵、加热炉选型……………………．５５４．４．４优化设计影响因素分析…………．５６４．４本章小结………………５８第五章结论………………５９参考文献………………………６０致谢…………………………６３中困石油人学〔华东〕硕ｆ：学位论文第一章１．１课题研究目的和意义前言随着国民经济的高速开展，我固对石油、天然气的依赖性越来越大。目前我国东部地区石油、天然气产量已经进入递减阶段，而西部地区的长庆油田、塔罩木油田等石油产量逐年增加，以及我国与俄罗斯、哈萨克斯坦等国的石油进口工程也得到了落实。管道运输因具有运输量大、密闭平安、能长期稳定运行、能耗少、运费低、便于管理、易于实现自动化和远程集中监控等优点，成为石油、天然气这种大量、单向、定点运输等流体的首要运输方式。因而长距离输油管道的优化设计研究对国民经济的开展有着重大意义。从世界范围来看，长距离输油管道向着大口径、高压力的大型化输油管道的方向开展。大型化的长输管道建设根底建设投资巨大，管道建成后的运营费用也是不容无视的。尤其是我国的高粘易凝原油多采用加热输送，一般管道加热所损耗的燃料油占管道所输原油的ｌ～３％左右。因此，在管道建设规划设计阶段不仅要考虑到根底建设费用，还要考虑到管道运行费用ｌｌＪ。将长距离输油管道工程经济利益作为研究对象，在保证完成任务输量的前提下，把管道运输工程技术与经济有机的结合为一体，对各种设计方案经济效果，采用各种定量计算、定性分析、统计比较和综合评价，对长距离管道系统做最优化分析。影响长距离输油管道设计的因素很多，包括所输送原油的物理性质、管道本身的工艺条件、运行参数、沿线地理环境和经济参数等。考虑因素多，产生的可行性设计方案就多，难以用一般的数学方法求解。随着应用数学技术的开展，国内外学者将最优化理论和最优化技术应用在长距离输油管道设计中，并取得丰硕的研究成果。根据长距离输油管道设计的实际问题，分析管道设计中的各种参数，构造长距离输油管道设计优化的数学模型，采用合理的最优化方法求解数学模型，并对最终结果进行评价分析，找出最优和次优设计方案。１．２最优化问题在实际工作中，为了完成一项任务或解决某个问题往往可采取多种不同的方案，我们把他们都称为可行方案。虽然所有可行方案都可以到达预期的根本目的，但我们可以第一章前言按照某种标准对方案的优劣做出评价，一般来说不同的方案将导致不同的效果。从众多可行方案中找出最合理方案或最优方案以到达最优效果，即是所谓的最优化问题。求解最优化问题的方法叫做最优化方法。从数学上讲，最优化问题的实质就是求函数的极值或条件极值，根据问题的性质可分为最小化问题和最大化问题。利用最优化方法解决实际问题的一般步骤如下：一、提出优化问题，收集相关数据与资料；二、选取变量，明确目标函数和约束条件，构造最优化问题数学模型；三、分析数学模型，选择适宜的最优化方法；四、编制计算程序求得最优解；五、对最优解进行分析评价。为了求解最优化问题，首先要建立问题的数学模型，一般应该符合以下要求：〔１〕现实性：模型在一定程度上反映系统的客观实际情况；〔２〕简洁性：在保证必要精度的前提下，模型应尽量简单明了，便于求解；〔３〕适应性：当系统外部条件变化时，模型应具有一定的适应能力。数学模型包括两局部内容，即目标函数表达式和约束条件，用函数、方程式和不等式来描述所求解的最优化问题。其一般形式为：式中：ｏｐｔ．为ｏｐｔｉｍｉｚｅ的缩写，假设是最小化问题ｎ－］＇胤ｍｉｎ．，最大化问题可以写成豇ｏｐｔ。募ｉ竺：：：０：了蠹’ｉ：１～ｍｓＪ．ｇ，〔ｘｌ，ｘ２，ｘ３，…，ｘ。〕≥Ｏ＝～ｍｍ?，、’ｍａｘ．：ｓａｔ．为ｓｕｂｊｅｃｔｔｏ的缩写，即约束条件；ｆ〔ｘ１，ｘ２，Ｘ３，…，％〕为目标函数；吕〔ｘｌ，ｘ２，Ｘ３，…，Ｘｎ〕≥０扛１～ｍ为约束函数。在数学模型中，目标函数是实际问题最优准那么的数量描述，目标函数值直接用于评价一个方案的优劣程度。对于工程优化问题，最优准那么通常包括系统性能准那么和经济准那么两类。系统性能准那么是指使系统的某些性能指标〔如功率、效率等〕到达最大或最小。经济准那么是指使系统的某些经济指标到达最优，如利润最大、能耗最低、本钱最低等。约束条件定量地描述了系统中诸因素之间及系统与环境之间相互联系、相互制约的关系。根据约束条件的性质和形式，工程问题的约束条件主要有以下几种类型：〔１〕物理约束：反映系统在运行过程中应遵循的物理规律，它可以是等式，也可以是不等式。例如热油管道运行过程中站间管段的温降关系或压降关系是一个等式形式的物２中国石油人学〔华东〕硕Ｌ－学位论文理约束，而任一加热站的出站温度必须高于该站的进站温度这一条件那么构成一个不等式形式的物理约束。〔２〕几何约束：描述了系统内部及系统与环境之间的几何关系。例如圆柱型油罐的直径与高度之间必须满足一定的几何关系。〔３〕性能约束：反映了对系统的某些性能指标的具体要求。例如热油管道优化运行问题中各站进站温度不得低于工艺要求的最低值等。〔４〕边界约束：也叫上、下限约束，它限制了模型中变量的取值范围。其形式为不等式，是最简单的一种约束条件。例如热油管道优化运行问题中要求各站出站温度不超过规定的上限值就是一个边界约束。一般来说，实际最优化问题的数学模型大多带有边界约束。最优化方法属于运筹学的范畴，根据不同的分类方法可以分为多种类型：按最优解是一组数还是函数分为静态和动态最优化问题；按最优准那么的数目分为单目标和多目标最优化问题；根据问题本身提供信息的准确程度分为确定性和非确定性最优化〔随机性〕问题；根据有无约束可分为有约束和无约束最优化问题；按照决策变量足连续的还是离散的，最优化问题可分为连续型和离散型最优化问题；按照约束条件和目标函数是线性的还是非线性的分为线性最优化问题和非线性最优化问题；按决策过程的结构分为单阶段和多阶段决策问题。如果目标函数和所有的约束式都为线性的，那么称为线性最优化问题或线性规划问题。线性规划是运筹学中研究最早、开展最成熟，也是目前应用最广泛的优化方法。它多应用于解决生产管理、任务分配等最优化问题。这种最优化方法也别广泛应用于油气储运系统工作运行中，比方成品油库多种油品的运输分配问题、输油管线中最有输油量方案问题，油品调和时最优调和比问题等，应用线性规划方法都可以解决。如果目标函数或约束条件中有一个是决策变量的非线性函数，那么这种最优化问题称为非线性最优化问题，可用非线性规划方法求解。假设目标函数为二次函数，而约束式为线性的，那么称为二次规划问题。二次规划是从线性规划到非线性规划的过渡，是最简单的非线性规划。在输油管道优化设计中，能耗随着管道运行温度和压力的变化都是非线性的关系。动态规划问题是指最优化问题的最优解不是空间内的一点，而是随着时间或者空间因素变化的曲线或函数，常把这种问题分解成假设干个相互关联的连续阶段或假设干个子系统处理，使整个过程实现预期的最优目标。输油管道优化设计中的管道线路走向问题和第一章前言全线泵机组合问题可以应用动态规划方法来解决。自上世纪８０年代以来，一些新颖的智能算法得到了快速的开展，这些算法将某些自然现象或过程的机理与数学理论相结合，为解决实际中复杂问题提供了新的手段和思路，如遗传算法、人工神经网络算法、混沌算法、模拟退火算法、进化规那么和蚁群算法等。智能算法以其独特的直观性和自然机理得到了国内外学者的广泛认可，并且已经成功应用于诸多领域。智能算法在输油管道优化设计中也应有广阔的应用前景。１．３国内外热油管道优化研究现状前苏联在２０世纪５０年代，由契尔尼会最早提出热油管道最优工况的概念，用微分法导出了往复泵开式流程下输送原油为牛顿流体的热油管道的最优出站温度。美国在２０世纪６０年代初，杰斐逊应用动态规划对等温密闭输油管道的站间压力进行了分配，后来又有人应用隐枚举法确定了站内最优泵组合。１９６１年，Ｇｅｆｆｅｒｓｏｎ【２】探讨了热油管道的运行优化问题，假设输油管线等温输送，输量一定，应用动态规划方法对各泵站所能提供的压力进行合理的分配，求出的最低能耗值。１９７１年，Ｃｈｅｅｓｅｍａｎ〔美〕等人【３Ｊ采用坐标轮换法，以使用费用最小为目的寻求最优管径，并编制了管道优化设计软件，尽管坐标轮换法效率不高，但仍然能够有效的缩短设计时间，同时也使设计质量得到了提高了。１９８０年，Ｇｏｐａｌｌ４】等人对管道泵站的运行进行优化。根据泵机的效率，应用数学规划算法，对泵机组组合搭配进行优化计算。还采用动态规划算法优化了出站压力，在保证任务输量的前提下，使总动力费用最优。这为以后的管道运行优化研究奠定了根底。１９８８年，Ｂｈａｄｕｒ与Ｔａｌａｃｈｉｆ５１将天然气管道系统的运行状态用非线性约束条件来表述，并针对天然气管道运行系统的管径、壁厚和压缩机站数等，利用非线性算法中的广义简约梯度法与广义几何规划法进行了优化。１９９９年，美［羽ＣＮＧＴ［６】输气公司将动态闭环、实时优化技术应用在该公司实际管道上，实验说明，管道的运营能耗下降了十分之一左右。自２０世纪８０年代，我国才开始重视对油气管道优化设计问题的研究。通过广阔石油工作者的不懈努力，在油气管道优化理论模型、求解算法和软件方面取得了突破性进展，并且在生产中有效地应用了这些研究成果，产生了巨大的经济效益。１９８３年，严大儿、吴长春【７叫首次提出了热油管道稳态运行的典型代表性模型——４中困石油大学〔华东〕硕仁学位论文两级阶梯模型，管道输油温度优化为较高层次的模型，全线泵组合和各站间管段的最优匹配较低层次模型，前者嵌入到后者中进行优化。采用黄金分割法确定输油温度，再采用动态规划法求解全线各站泵组合和各站间管道的最优匹配方案。这为我国输油管道优化运行研究打下了根底。１９８６年，朱琦等人｜Ｊ０１利用管道的总折合费用来评价管径，提出了经济管径的概念，并建立了经济数学模型来确定经济管径，可惜的是只考虑了管径，没有对其他参数做研究。１９８７年，严大几…】等人对特重质原油管道的优化设计问题进行了研究，采用掺稀降粘加热输送工艺，以特重质原油管道的管径、加热输送温度、稀释比和泵站扬程为决策变量，采用直接搜索的网络法对其进行了优化。１９９０年，吴立峰【１２】建立了含蜡加热输送原油管道系统优化设计的数学模型，该模型是～个具有混合离散变量有约束的非线性优化问题，文中采用混合离散变量组合形法〔简称ＭＤＣＰ法〕对所建立的数学模型进行了求解，无需对目标函数求导，取得较好的效果。１９９３年，汪玉春【ｌ３】等人建立了输气管道优化设计数学模型，采用广义几何规划法〔ＳＣＰ〕进行了求解，得出较合理的优化设计方案工艺参数；并根据所得工艺参数，设计了多个符合工程实际的可行性方案，再采用灰色关联分析法进行综合评价，从中优选出最优方案，到达“优中选优〞的目的。２００３年，黄善波等人‘１４１采用模拟退火算法对所建立的热油管道优化设计数学模型进行求解，计算结果说明，模拟退火算法在求解管道模型方面具有明显的优势：方法简单，计算效率高，可对全局进行搜索，且对初始点的依赖性不强，无需进行函数求导，而且能够防止过早的局部收敛。但是文中数学模型的决策变量只有两个管径和保温层厚度，没有考虑加热温度与泵站扬程的影响。２００３年，高松竹、蒋忠等㈣采用免疫遗传算法求解等温输油管道优化数学模型，通过实例计算，说明该算法优化效率高性能好，能够应用在等温输油管道优化设计问题。免疫遗传算法是传统遗传算法与生命科学中免疫原理相结合得到的一种新算法，对求解非线性规划问题有显著效果。２００４年，高松竹、汪玉春等㈣将遗传算法和模拟退火算法结合构成一种混合遗传算法对输油管道优化的运行进行了研究。实例计算说明，该混合遗传算法具有较好的鲁棒性、快速搜索和易收敛的特点，用该方法计算得到的动力损耗比用动态规划法少３．５８％，第一章前苦证明该方法在输油管道优化运行中的有效性和实用性。２００５年，严宏东、汪玉春【１７】采用改进混沌综合法求解所建立的热油管道优化设计数学模型，模型以年折合费用为目标函数。通过实例计算与其它优化算法〔方案比较法、改进混沌法、复合形法〕的比照说明，采用该算法可降低设计本钱，减少工程投资，缩短设计时问。文中指出出站温度对系统总投资影响较大，其变化会影响全线摩阻和热能消耗等，进而引起其他参数的变化。２００７年，李科星等人【１８】建立了新的热油管道优化设计两级阶梯模型——年输量模型与参数优化模型。因为考虑到实际中年输量会随油田产量与市场需求的变化而变化，应用最正确平方逼近法确定管道的设计输量，并用微粒群算法与混合离散变量随机搜索法合成的混合微粒群算法求解参数优化模型，实现了热油管道的整体优化设计。算例说明，该综合算法得到热油管道优化设计方案比单一采用根本的微粒群算法、离散变量复合型法和离散变量随机搜索法计算得到的方案的年费用更低，且考虑了年输量变化的热油管道优化设计方案更符合工程实际。２００８年，支淑民、史培玉¨９】从降低输油本钱和节省能耗的角度出发，以输油运行费用最低为准那么，建立两级阶梯管道运行优化模型并采用线性规划法求解数学模型。通过对东辛输油管线的大输量试验，确定泵机组与管路的最优匹配和最优输油温度，优化了运行参数，制定了最正确运行方式。由上述的国内外研究现状可以看出，输油管道优化可以分为两种，一种是输油管道的优化运行问题，即对已经建成运行的管道，优化其操作参数，如进出站温度和泵站扬程等，以寻求最低年运行费用为目标；另一种是输油管道的优化设计问题，即对一条还没有建设的管道进行设计规划，确定将建设管线的管径、加热站与泵站个数及位置，以及各站的进出站温度和压力，使按照此参数建设的管道能够符合工艺要求，并且经济合理。后者根本上包含前者。传统上讲，以上两种问题中包含三个问题：管径的选取，全线输油泵与管线的最优匹配和输油温度确实定。输油温度确实定通常采用的最优化方法有坐标轮换法、广义梯度法和黄金分割法等；全线输油泵与管线最优匹配多采用动态规划法、梯度法求解；管径的选取多采用枚举法、方案分析法，模糊数学分析法等比照评价方法。智能算法，如遗传算法、免疫算法、模拟退火算法、微粒群算法、混沌算法等，由于其智能性，能够对这些问题做综合考虑。采用最优化算法，提高了设计计算效率和准确性，降低了设计投资，但是也存在不少缺点：应用这些最优化方法，必然要对实际问题进行简化处理，６中国石油大学〔华东〕硕ｆ：学位论文有的只对其中几个因素进行优化，考虑不全或者过于简化；有的把问题分为几个层次进行研究，忽略了各局部之间的联系；有些算法本身存在缺陷，如动态规划法进行多维计算时效率低、准确性差，遗传算法、混沌算法、模拟退火算微粒群算法等由于采用随机搜索方法，可能会陷入局部最优解。１．４本文主要研究对象与内容本文以无分支长输管道为研究对象，输送方式为埋地加热输送，对热油管道系统主要参数进行优化设计。主要研究内容如下〔１〕研究分析热油管道优化设计理论，建立输油管道优化数学模型；确定热油管道最优化设计方案，涉及管径、管材、壁厚、各站的工作压力、加热温度、加热站数、泵站数及各站泵的组合等参数，在一系列相应的约束条件下的最优组合。由于影响因素众多，关系复杂，建立一个能够真实反映热油管道系统的数学模型是十分必要的。〔２〕选择适宜的最优化方法求解数学模型；由于输油管道的优化设计是一个具有非线性约束的非线性规划问题，设计变量包括连续变量和离散变量，所以这种多变量的非线性规划问题，用传统的解析法一般不能求其精确解，应另外选择适宜的最优化方法。〔３〕开发热油管道优化设计软件程序；〔４〕根据的参数优化计算，确定管线优化设计方案。第二章热油管道优化设计数学模型第二章２．１决策变量确实定热油管道优化设计数学模型热油管道优化设计的目的是在满足约束条件的前提下，为完成规定任务输量寻求最优设计方案，确定热油管道系统的设计参数，使得所建的管道系统的投资最小。影响管道系统投资的参数有以下几类１２０￣２２】：〔１〕管道工艺参数有：管径Ｄ：管径Ｄ直接影响管材消耗投资与管道的铺设费用，管径Ｄ越大，管材消耗投资与管道的铺设费用越大；管径Ｄ间接影响到管道摩阻损失，管径Ｄ越大，摩阻损失越大，所产生的动力费用变小，泵站数减少，泵站投资费降低。另外，管径Ｄ还间接影响到热力损耗，一定输量下，管径Ｄ越大，管内的流速就越小，油品在管道内停留的时间就越长，散热越多，热力费升高。因此管径Ｄ的选取对热油管道设计至关重要。管道壁厚ｔ：管道壁厚以主要影响管道承压情况。管道外径一定，壁厚?越大，管道承压越大，设计压力等级也就可以越高。加热站进、出站温度％ｆｚ：加热站进、出站温度，舟、ｔｚ直接影响整个管道的散热状态，进出站温度ｔ尺、ｔｚ越高，全线温度也就越高，与周围土壤温度差增大，管线散热量增加，但是管道内的油品粘度降低，全线摩阻损失减小，动力费用降低。因此加热站进、出站温度ｋｔｚ对全线运营费用起着举足轻重的作用。加热站进、出站温度，只、ｔｚ之间存在一定的函数关系，受流量Ｇ、管径Ｄ、管道总传热系数Ｋ、加热站间距厶的影响。加热站数ｎＲ、泵站数玎Ｒ：加热站数，ｚ月、泵站数门只主要受水利条件、热力条件的约束，应满足全线动力损耗和热力损耗的需要。保温层厚度瓯：保温层厚度皖直接影响保温层投资费用，保温层厚度瓯越大，投资费用越高；但是保温层厚度皖主要影响管线散热，保温层厚度皖越大，管线热损失越小，热力费用减小。管线是否要保温，需要通过经济性计算确定。泵站机组扬程Ｈｒ：泵站机组扬程Ｈｆ由原油输量Ｇ和管路能量消耗Ⅳ所决定，而８中国石油大学〔华东〕硕上学位论文且要充分利用管道承压能力。根据输量和设计压力等级的不同，泵站机组有不同的泵机组和方式，可以根据泵机组输油泵型号和台数灵活组合。〔２〕油品物性参数：油品的密度Ｐ、动力粘度∥、比热容Ｃ等物性参数受温度的影响比较明显，都与温度存在函数关系。加热温度就是通过影响这些物性参数来影响管道的运行状态。〔３〕水力参数：管道水力坡降ｆ、管线摩阻损失Ｈ受流量Ｇ、管径Ｄ、管道运行温度丁的影响。〔４〕热力参数：管道总传热系数Ｋ受管径Ｄ、保温层厚度瓯、管线埋深ｈ、管道内油品的流动状态影响。〔５〕设备参数：泵机组效率％、加热炉效率刁月受流量Ｇ、设备型号以及组合方式影响。〔６〕经济参数及其他参数：管材、保温层、电力、燃料油、输油泵、加热炉等设备的价格参数是随着市场变化的：管线沿线的水文参数和地形参数，管线总长度￡、年任务输量Ｇ．Ⅳ、土壤性质等都是不能改变的。以上各种参数中，工艺参数是管道优化设计中的重要参数，在设计阶段可由设计人员选择，选择原那么是：技术上可行，经济上合理；油品物性参数、水力参数、热力参数和设备参数是随着管道工艺参数变化而变化的；经济参数和其他参数是不能为设计人员所能选择的。显然，热油管道优化设计决策变量只能在管道的工艺参数中选择。根据上述参数的特点，本文决定将管径Ｄ，管壁厚度以、保温层厚度瓯、泵站数＂ｃ、加热站站数门Ｒ、进站温度，ｚ、泵站扬程日ｃ作为热油管道系统优化设计的决策变量。２．２模型假设条件一条热油长输管道系统主要由管线和站场两大局部组成，站场主要包括首站、中间泵站与加热站，管线可为保温管线也可为不保温管线。因热油管道优化设计问题比较复杂，影响的因素众多，在不影响结论的前提下，为保证建立数学模型的工艺可行性和经济合理性，做出下述假设ｆ２３￣２６】：〔１〕热油管道内油品属于一维单相〔液相〕均质流动；〔２〕油品密度随压力变化微小，油品不可压缩；９第一二章热油管道优化设计数学模型〔３〕采用密闭输送流程，全线输量Ｑ一致；〔４〕管道水力、热力工况稳定；〔５〕管道热力计算忽略径向温度变化，只考虑轴向温度变化；〔６〕］ＪＨ热站等距布置，各加热站站间管路沿线的地理地质、热力和水力条件相同；〔７〕各泵站泵机组配置情况相同；各站进站、出站压力相等；〔８〕输油泵使用电机驱动：加热炉采用燃油直接加热方式。２．３目标函数的建立目标函数必须是决策变量的可计算函数，是热油管道设计经济指标的数学表达式，能够用来评价设计方案的优劣。因此，选择一个好的目标函数对整个热油管道优化设计是十分重要的。正如前面所提到，热油管道优化设计的目的是在完成任务输量下，寻求工艺上可行的设计参数，并使热油管道的投资最少。长距离热油管道由于运输距离长，输量大，管道建成投产后即全年连续运行，所消耗的管线根底建设投资费用和每年运营所消耗的燃料和动力费用都很大。考虑到资金的时间价值问题，本文采用热油管道系统的费用现值作为评价热油管道系统经济性的指标，即将热油管道系统的费用现值作为优化设计数学模型中的目标函数。热油管道系统的财务净现值是指管道建设工程按石油管道运输行业的基准收益率或设定的折现率ｆ，，将管道建设工程计算期内各年的资会流量，包括管道建设期间内的每年的建设投资和管道运行期间每年的运行投资，折现到管道建设期初的现值之和。它是考察热油管道系统在计算期内盈利能力的动态评价指标。费用现值的计算公式为：ＮＰＣ＝∑〔，。＋Ｇ－Ｓ矿－Ｗ〕，〔１＋ｆ。〕〞一１〔２－１〕式中：，。：第ｎ年的全部投资；Ｃ：：第ｎ年的经营本钱；Ｓ矿：计算期末回收的固定资产余值；∥：计算期末回收的流动资金；Ⅳ：计算期或管道的寿命期；ｆｃ：行业基准收益率。ｌＯ中国石油人学〔华东〕硕Ｊｊ学位论文第船年的全部投资，。那么指管道建设期间的投资，包括热油管道总基建投资和热泵站的站场总投资。第胛年的经营本钱Ｃ指的是每年的热油管道所消耗的动力费用和燃料费用以及全部职工工资支出和其他费用。由此可以得出热油管道优化设计的目标函数为：ｍｉｎＰＣ：∑ｋ〔Ｌ＋乙〕〔１＋仃一＋兰〔Ｃ—Ｃ２ｎ＋ｃ，。〕〔１“广〔２－２〕月＝ｌｎ＝ｋ式中尸Ｃ——热油管道的费用现值，万元；，。。——第＂年热油管道基建投资，万元；，：。——第门年热站、泵站站场投资，万元；Ｃ。。——第甩年热油管道的电力费用，万元／ａ；Ｃ：。——第刀年热油管道的燃料费用，万元／ａ；Ｃ，。——第刀年全部职工工资支出和其他费用，万元／ａ；ｆｃ——行业投资收益率，取Ｏ．１５。〔１〕热油管道根底建设投资〔，。〕热油管道〔含保温层〕根底建设投资，。包括管道投资费Ｓｇ和保温层投资＆，其中管道投资Ｓ霉包括管道钢材投资和管道铺设附加投资，这两局部都为管径的函数；保温层投资既包括保温层本身投资及其铺设附加投资。本文将保温层的铺设附加投资，折算到保温层价格中，那么保温层投资＆可按保温层体积来计算。可用式〔２－３〕进行计算。，ｌ＝Ｓｇ＋ＳｂＳｇ＝ｆ〔Ｄ，嚷〕＝上ｋ×１０。〔２－３〕Ｓ６＝ｆ〔Ｄ，瓯〕＝￡砒〔Ｄ皖＋群ｘ１０‘４式中三——管道总长度，ｋｍ；Ｄ——管道外径，ｍ；万。——管壁厚度，ｍ；瓯——保温层厚度，ｍ；第一二章热油管道优化设计数学模型％——保温层价格，包括保温材料费用与保温层铺设费用，元／ｍ３；匕——每千米管道根底建设投资，元／〔ｋｍ〕。每千米管道根底建设投资ｋ为管径Ｄ和壁厚ｔ的函数，可采用多项式回归得到：ＹｇＬ＝ａｏ＋０１Ｄ＋ａ２以〔２—４〕ａｏ，ａＩ，ａ２——回归系数。假设管道工程建设期为ｋ年，每年的热油管道根底建设投资，，可以按照总投资的百分比ｑ，计算。Ｌ＝１１，ｑ，，ｆ＿ｌ～七〔２?５〕〔２〕加热站与泵站的站场投资〔Ｊ『：〕加热站和泵站的站场投资费用包括首站的建设投资、中间泵站的建设投资、加热站的建设投资和术站建设投资可用式〔２．６〕表述。１２＝Ｓ昭＋〔ｒｌｃ一１〕Ｓｚｚ＋〔ｔ＂／月一１〕Ｓｅｅ＋Ｓ腕〔２－６〕式中＆——首站站场建设投资，万元；ＳＺｚ——每座中间泵站站场建设投资，万元；Ｓｅ，ｚ——每座加热站站场建设投资，万元；％——末站站场建设投资，万元％——泵站数量；ｒ１只——加热泵站数量。假设管道工程建设期为ｋ年，每年的泵站与加热站的站场建设投资Ｉ，可以按照总投资的百分比ｇ，计算。１２，＝１２，ｑ，，ｆ＝１～七〔２－７〕〔３〕热油管道年电力消消耗用〔Ｃ，〕热油管道每年电力消消耗用〔Ｃ，〕可用式〔２－８〕表述：１２中国石油大学〔华东〕硕Ｌ学位论文ｃ?＝８．４×１。一４×ｇＧＰ弦Ｙｏ?羔ｔ＝１日ｃ．，式中Ｇ——所输送油品的质量流量，ｋｇ／ｓ；Ｈｏ——各个泵站所提供的扬程，ｍ；ｙＤ——电力价格，元／〔ｋＷ．ｈ〕；ｅ斥——机泵的综合效率，为电机效率‰与泵效率７７尸的乘积。〔４〕热油管道燃料油消消耗用〔Ｃ：〕热油管道每年的燃料油消消耗用〔Ｃ：〕可用式〔２－９〕表述〔２－８〕ｃ：矗叫枷屯去?弘式中仁９，绋，——各个加热站的有效热负荷，Ｊ／ｓ；Ｋ——燃料油价格，元／ｔ；ＢⅣ——燃料油最低发热值，ｋＪ／ｋｇ；７７只——加热炉效率。单座加热站的有效热负荷绕为：ＯＲ＝ｅＧｃ〔咖式中ｔＲ——加热站出站温度，℃；，：——加热站进站温度，℃；〔２－１０〕Ｃ何——所输送原油比热容，其随油品温度的变化而变化，Ｊ／〔ｋｇ。℃〕。原油比热容随温度变化的趋势如图２．１所示，可以由析蜡点温度毛、最大比热容温度Ｉ。。，将ｃ—Ｔ曲线分成三个区，分别可用下式计算：第一二章热油管道优化设计数学模型比热容ｃ／ｋＪ／〔ｋｇ?℃〕看困＼％。囡温度刀℃氏图２．１油品比热容．温度曲线Ｆｉｇ２－１Ｔｈｅｃｕｒｙｅｏｆｔｈｅｏｉｌｓｐｅｃｉｆｉｃｈｅａｔｃａｐａｃｉｔｙ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ轮咒一堕嚣业强＜丁＜ｔ。。，０＜丁＜疋。。，Ｃ＝４．１８６一Ａｅ盯Ｃ＝４．１８６一Ｂｅ〞７’〔２?１１〕式中Ｃ：油品的比热容，ｋＪ／〔ｋｇ?℃〕：纠５：油品在１５＂Ｃ的相对密度；丁：油品的温度，℃。彳、Ｂ：常数，随原油而不同，ｋＪ／〔ｋｇ?℃〕：刀、ｍ：常数，随原油而不同，１／℃。ｌ区，油品温度高于析蜡温度强，在该温度范围内，温度升高，比热容缓慢上升；２区，油品温度在析蜡温度砬和最大值的温度Ｉ。。之间，该温度范围内，因单位温降的析蜡率逐渐增大，放出的潜热多，故随温度降低，比热容急剧上升。３区，油品温度低于最大比热容温度瓦。。，该温度范围内，因大局部蜡晶已经析出，继续降温时，单位温降的析蜡率逐渐减小，故随油温降低，比热容又逐渐下降。为保证热油管道的平安，一般要求管道进站温度都高于原油凝点，而大多原油的最大比热容温度ｔ。。都低于原油凝点，因此，计算时只考虑比热容在１区和２区内的变化情况即可。此外，油品比热容也可通过实验室数据采用多项式回归求得：ｃ〔，〕＝∑口，，‘〔江ｏ，１，２…〕〔２—１２〕１４中国石油大学〔华东〕硕．｝ｊ学位论文式中ａ，为回归系数。〔５〕其他费用Ｃ，其他费用包括全部职工工资、福ｇＪ，ｕ管线维修费用等。２．４管径规格初选模型建设热油管道所用的钢管应该符合现行国家标准?石油天然气工业输送钢管交货技术条件第１局部：Ａ级钢管?〔ＧＢ／Ｔ９７１１．１〕。现行生产的管道规格比较多，根据管材、管径、壁厚等不同，管径规格有上千种之多。设计时，不可能把所有的管径都进行计算比照，因此应初选出几种管径进行设计。根据工艺要求和经验，可利用设计流量、设计压力与经济流速对管径进行初选，同时钢管还应受最小壁厚和管道刚度的约束。在钢管外径相同的情况下，壁厚也厚，管材消耗越大，因此从根底建设中的管道投资来讲，壁厚越小越好；壁厚越小，那么管线内径越大，有达西公式可知，管线内的摩阻损失越小，因此从能耗来讲，壁厚越小越好；有上述总传热系数计算中可知，壁厚仅对油流至管内壁的放热系数口。产生影响，壁厚越小，口．越小，而管线总传热系数Ｋ就越小，因此从管道散热损耗来讲，壁厚越小越好。２．４．１管道壁厚度约束条件由输油管道工程设计标准可知，输油管道的钢管管壁厚度应不小于最小壁厚【３７】，即：嚷≥瓦ＰＤ〔２－１３〕式中Ｐ——设计压力，ＭＰａ；，——设计系数，根据设计标准，输油站外一般地段取０．７２；矽——焊缝系数；盯。——钢管最低屈服强度，ＭＰａ。２．４．２管道的刚度约束条件管道的刚度应满足运输、施工和运行时的要求。钢管的外直径Ｄ与其壁厚万。的比值不应大于１４０１３７１。＿Ｄ≤１４０〔２－１４〕６９第一二章热油管道优化设计数学模型２．４．２经济流速约束条件假设设计输量一定，管道的管线投资费用会随着管径的增大而增大，但是相应的泵站数以及其投资会减少，同时管道的输油动力费用也会下降，因此综合管道建设投资和动力费，设计输量必然对应着一个经济效益较好的经济流速。根据大量管道设计计算结果和运行实践，前人总结出了长距离输管道经济流速的变化范围，一般为１．０～２．０ｍ／ｓ。但是经济流速范围会因国家不同和时间的推移有所变化。目前我国对ＤＮ３００～７００ｍｍ的含蜡原油管道，一般设计时取流速１，＝１．５～２．０ｍ／ｓ，液化石油气管道可取Ｏ．８～１．４ｍ／ｓ，但考虑到因输送介质与管道摩擦使液体温度升高而需要进行冷却的能耗，最大流速不应超过３．０ｍ／ｓ。因此，本文中经济流速取１．５～３．０ｒｎ／ｓ。１．５≤等ｎ０〔２－１５〕刀订式中Ｑ——油品体积流量，ｍ３／ｓ；ｄ——管道内径，ｍ。综上所述，可得到管径规格初选模型：〔Ｄ，ｍｉｎｔ〕，ｆ＝１，２，…万。≥』生６ｊＨ巾６ｓ—Ｄ≤１４０〔２－１６〕Ｊｇ１．５ｓ兰望＝≤３．０式中：ｍｉｎ?——在管道规格中相对应于Ｄ的最小管径。２．５约束条件的建立实际工程设计中的变量参数都是有一定的取值范围的，变量参数的取值范围有的是受到自然条件或者变量自身性质限制，有的是与之相关的参数受到某些约束。与模型目标函数一样，模型约束条也是用决策变量的函数来表示的。对于热油管道设计优化问题来讲，主要约束条件有管道强度约束条件、水力约束条件、热力约束条件和泵站特性约束条件等。２．５．１管道强度约束条件为保证热油管道运行工作的平安，要求管道强度能够满足管道在最大压力下的工作１６中国石油大学〔华东〕硕上学位论文要求，通常泵站的出口处，管道所受压力最大，即每座泵站的出站压头Ｈｄ应等于或者小于管道允许的最大工作压力【以一】，即：／－／ｄ＝Ｈ。＋日，一Ａｈｃ≤【Ｈｄ一】〔２－１７〕‰。。】＝２．０４ｘ１０５式中ｊＰ２０〔丝Ｄ－Ｌ２３９〕〔２—１８〕ⅣＪ——泵站的出站压头，ｍ；日，——泵站所提供的扬程，ｍ；Ⅳ，——泵站的进站压头，ｍ；△见——泵站内摩阻损失，ｍ；【日ｄ。。卜一管道允许最大工作压头，ｍ；Ｆ——设计系数，根据设计标准，输油站外一般地段取０．７２；矽——焊缝系数；盯。——钢管最低屈服强度，ＭＰａ：ｄ——管道内经，ｍ；仍ｏ——原油２０℃的密度，ｋｇ／ｍ３；Ｄ——管道外径，ｍ；２．５．２泵站特性约束条件目前长距离输油管道上常用的是离心泵机组。对于固定转速的离心泵，可以通过泵样本手册上的扬程、排量数据，采用最小二乘法回归泵的特性方程，为便于长距离输油管道工艺计算的应用，可近似的表示为：日＝口一６Ｑ２－坍式中日：离心泵扬程，ｍ液柱；Ｑ：离心泵排量，ｍ３／ｈ；口，ｂ：常数，由扬程、排量数据，由最小二乘法回归得到；聊：由流态所决定的常数。〔２．１９〕１７第二章热油管道优化设计数学模型长距离输油管道，为了完成任务输量，泵站一般都将多台相同型号的泵〔一般不多于四台〕串联或者并联组合成泵机组工作。可由离心泵的组合特点求的泵站特性。〔１〕假设泵站由Ｐ台泵串联组合而成，通过每台泵的排量相等，即为该泵站排量；泵站扬程为各泵扬程之和，那么串联泵站特性方程为：Ｈ。＝∑Ｈ，＝ｐ?口一ｐ?ｂＱ２〞〔２－２０〕〔２〕假设泵站有Ｐ台泵并联组合而成，每台泵的扬程相等，即为该泵站扬程；泵站排量为每台泵排量之和，那么并联泵站特性方程为：耻Ⅲ阿〞高效流量范围内：亿２?，离心泵的效率排量成曲线变化，为了能充分利用离心泵效率，任务输量应该在泵站Ｑｍ。≤Ｑ≤瓯。式中绋。。——泵高效区最小流量，ｍ３／ｓ；Ｑ。——泵高效区最大流量，ｍ３／ｓ。〔２－２２〕当离心泵进口压力过低时，会引起输油泵汽蚀现象，因此还应对泵站入１３压力进行限制：Ｈ。加≤Ｈ，≤日～式中日。。——离心泵最小允许吸入压力，ｍ；〔２－２３〕Ⅳ。。——离心泵最大允许吸入压力，ｍ。由以上可得泵站机组特性约束条件为：ＪＨ。＝Ｐ?日一Ｐ?ｂＱ卜〞Ｈｃ＝Ｈｅ，１耻Ⅲ防〞中国石油人学〔华东〕硕上学位论文２．５．３热力约束条件２．５．３．１加热站出站温度加热站出站温度受原油物性、沥青防腐层和输油管道的平安三方面的影响１３７１。〔１〕原油物性：假设加热站出站温度过高，超过原油初馏点温度，原油中轻馏份汽化，导致离心泵入口压力过低，无法正常吸入，引起离心泵汽蚀，输油管道运行的平安性和平稳性就受到影响。因此，加热站出站温度，尺应小于初馏点温度。〔２〕沥青防腐层：目前热油管道多使用沥青防腐层和聚氨醋泡沫塑料保温层。沥青防腐层有一定的耐热能力，假设加热站出站温度过高，会导致沥青层软化流淌，而且容易老化，从而使管线的使用寿命大大减少。因此，加热站出站温度，月应该受沥青防腐层的耐热温度范围的影响。〔３〕管道的运行平安：加热输油管道运行时，管道温度比施工时要高很多，有时因方案或者事故需要停输时，会引起管线温度下降，这些温度变化所产生温差应力会影响到管道强度，进而影响到管线的平安运营。因此，加热站出站温度，旯应在温度应力允许的范围之内。由上述可知，对加热输油管道来说，原油出站温度ｌＲ应予以一定的约束，即：【，月曲】≤，Ｒ＜【，Ｒ一】〔２．２５〕式中【，尺砌卜一管道允许的最低出站温度，℃；【，月。。卜一管道允许的最高出站温度，℃。２．５．３．２加热站进站温度加热站进站温度，ｚ可以由出站温度，尺和加热站间距计算得到：ｔｚ＝〔Ｔｏ＋６〕＋【，月一〔瓦＋６〕】Ｐ一吐〔２－２６〕一般加热站进站温度要通过经济分析束确定。而原油温度在凝固点附近，原油粘度变化比较大，故加热站进站温度常常略高于凝固点温度；在方案停输或者事故停输时，为留有适当的停输再启动时间，要有足够的温降空间。因此，为确保输油管线的运行平安，原油进站温度应不小于原油凝固点温度。ｔｚ≥【，ｚ。ｉ。】〔２—２７〕１９第二章热油管道优化设汁数学模型式中【ｆｚ。ｉ。】——管道允许的最低进站温度，一般为原油凝固点温度，℃。２．５．４水力约束条件由能量平衡原理可知，为确保完成热油管道系统给定的任务输量，全线泵站所提供总扬程应大于或者等于该任务输量下管路所需的总压头损失，管路所需的总压头损失包括全线沿程摩阻损失、局部摩阻损失、热站和泵站内的摩阻损失与高程差。以ｆ日ｆ≥口，刀月ｈ｜Ｒ＋刀ＲｚＸｈ．Ｒ＋刀ｒＡｈｃ＋△Ｚ〔２—２８〕式中：口。——考虑管路沿线阀门、弯头等所产生的局部摩阻而乘的附加系数，一般局部摩阻按沿程摩阻的２％计算，即口．＝１．０２；△％——加热站站内压头损失，ｍ；么纵——泵站站内压头损失，ｍ；彳Ｚ——管路终点与起点高差，ｍ：ｈＲ——加热站站间管路的沿程摩阻损失，ｍ。２．６热油管道优化设计数学模型综上所述，建立热油管道优化设计数学模型为：ｒａｉｎＰＣ＝∑〔乇＋，２。〕〔１＋ｆ。〕〞＋∑〔ＣＩＪ＋ｃ２。＋Ｃ３。Ｘ１＋ｆｃ〕１＝∑ｑＪ￡ｋ×ｌＯ。４＋￡万〔％＋Ｙｑ〕〔Ｄ６０＋８；〕ｘｌＯ～＋Ｓ船＋〔刀ｃ一１〕Ｓｚｚ＋〔ｒ／舟一１〕Ｓ彪＋ＳＭｚ】〔１＋ｔ〕一〞．ｋ＝ｎ２＂，〕ＩＹＧｇ?，Ｏｌｘ４＋兰／８ｅｆｃ：ｉ¨３舵４枷气去‰ｉ＝１城卜广Ｉ－ｊｌｌＲｂＨ１〔２—２９〕２０中国杠油大学〔华东〕硕仁学位论文胛〔、Ｈ〔．≥口，，２月ｈ月＋ｒｌＲＡｈ．Ｒ＋，ｔＡｈｆ’＋ＡＺＰＨｃ＋Ｈｓ—Ａｈｃ≤—二－一｛汐２０【ｒＲ。】≤，月＜【，尺一】ｔｚ≥【ｔｚ。ｊ１１］〔２—３０〕ＱｍｉＩｌ≤Ｑ≤Ｑ。。Ｈ。ｍ｜ｎ≤Ｈ，｜ＳＨｓｍ。串联Ｈｆ＝∑Ｈ，＝Ｅａ－ＺｂＱ２〞并联Ⅳｆ＝口一６〔号］扣〞２．７本章小结本章首先通过对热油管道系统各种参数的分析，确定将管径Ｄ，管壁厚度万。、保温层厚度瓯、泵站数％、加热站站数〞月、进站温度，ｚ、泵站扬程日ｃ作为热油管道系统优化设计的决策变量。在不影响结论的前提下，提出热油管道优化设计假设条件。从资金时间价值的角度考虑，将热油管道的根底建设费用、热泵站根底建设费用和管道运行中的电力费用、燃料费用和管理费用，利用行业内部收益率折算为管道建设初期的费用现值作为热油管道优化设计模型的目标函数；利用管道壁厚约束条件、管道刚度约束条件和经济流速约束条件建立了管径规格初选模型；以管道强度约束、泵站特性约束、热力约束和水利约束作为优化设计模型的约束条件，从而建立了热油管道优化设计的数学模型。２ｌ第三章热油管道优化设计数学模型求解第三章热油管道优化设计数学模型求解３．１选择优化算法对本文所建立的热油管道优化设计数学模型进行分析可知，决策变量有７个，管径Ｄ、壁厚６。、保温层厚度瓯、泵站数％、加热站数聆月、进站温度ｆｚ、泵站扬程Ⅳｃ，其中经过管径初选模型将管径Ｄ和壁厚万。合并成一个变量，那么管径Ｄ与泵站扬程Ｈｒ为非等间距离散变量，保温层厚度瓯、泵站数仇，与加热站数胛。为等问距离散变量，进站温度，，为连续变量。约束条件中，泵站特性为等式约束条件，管道强度约束、水力约束和热力约束条件都为非线性约束。因此，所建立的热油管道优化设计数学模型为混合离散变量非线性约束优化设计问题。所建立的热油管道优化设计数学模型比较复杂，对目标函数求解一阶偏导数比较困难，约束函数也无法转化为较简单的线性约束函数，因此需要寻找一种比较适宜的优化方法来求解。考虑到约束为非线性约束，如果采用非线性规划方法，因非线性规划方法处理的对象为连续变量，需要将问题中的离散变量处理成连续变量，优化计算出最优结果后再搜索该点最近的可行离散点。这种处理方法可行性强且简便，但是对于多峰值问题，搜索到的离散点不一定为优化问题的最优解，可能是次峰值附近的离散点。因本模型计算比较复杂，如果采用网络法对变量进行穷举计算，计算量比较庞大。对于这种变量较多且变量种类也比较多的优化问题，近期开展起来的一些智能算法对其有较好的适应性，其中遗传算法是一种多点并行计算优化方法，能够有效的防止这种情况的发生，因此，本文采用遗传算法对所建立的热油管道优化设计数学模型求解。３．２遗传算法根本概念遗传算法是由生物进化论〔适者生存，优胜劣汰遗传机制〕和遗传学演化开展起来的一种随机化搜索方法。１９７５年，由美国的Ｊ．Ｈｏｌｌａｎｄ教授首先提出【４ｌ】，现在己被人们广泛地应用于机器学习、模型识别、人工生命、信号处理、自适应控制、组合优化和管道线路优化等领域。遗传算法为现代智能计算开创了新的思路和技术【４２￣４３１。不同于