1、优化成品油管道工艺方案的研究摘 要：改革开放以来，随着社会经济的不断发展，在经济发展中对成品油的需求量也越来越大。然而在成品油的生产过程中，成品油要经过一系列的原油来进行加工生产而成的，然后根据管道对成品油进行分输。又因为在对成品油进行输送的管线中，通常是运用顺序输送的方式在输送途中建设许多的分输站来对各种成品油进行输送，随着流量的输送呈现阶梯状进行递减，管径也会随之成品油的输送而发生变化。要想减少在输送过中减少混油的损耗量，就需要对成品油的输送管道的工艺进行优化。本文结合优化成品油管道工艺系统的结构特点以及工艺优化设计的变量，对如何优化成品油的管道工艺方案进行研究，希望能对成品油的管道运输方
2、案的选择与优化提供帮助。具体内容如下： 关键词：成品油管道 工艺设计 优化 一、引言 成品油是经过原油进行加工生产而成的混合油，可分为石油燃料或者是石蜡以及汽油和煤油等，在成品油的运输中，由于成品油的运输管道具有距离长、输送的品种多、输送量较大以及输送工艺等特点，而成品油管道输送的建设直接涉及到国家政治经济、生态环境以及社会技术等方面的系统工程建设，所以在对成品油的管道建设的方案的设计，直接影响到在建设期间的管道使用寿命以及其带来的经济效果。因此，合理的设计和定制成品油的管道建设工艺方案，对这类管道的运营有着非常重要的意义。我国在管道的优化设计中注重于对热油管道的优化运行，而对成品油管道的运行
3、工艺设计这方面的研究比较少。对成品油的管道工艺方案进行优化设计的主要目标就是在管道建设后的使用期内发挥出在保证成品油输出量的前提下，使经济效益达到最大化。又因，在成品油管道输出的建设中需要进行大量的投资，在管道工艺设计中又涉及到许许多多外在因素，因此就需要根据相关的工艺结构特点采用合适的优化设计方法来进行成品油管道工艺方案的优化设计。 二、成品油工艺系统的特点 成品油的输出管道中的工艺系统主要根据首站、管道、中间的接收站、中间泵站以及分输站和末尾站构建而成，在一些落差比较大的地段，还要建设相关的减压站。其中建设管道系统的外部环境包含着管道的其他子系统以及掩埋管道的土壤等。成品油的输管道的工艺是
4、一个即连续又统一的输出系统。对与单根成品油的输出管道，在它的输出方向已经确定的情况中，对其的优化方案主要是对泵站管道的设置以及钢管规格的选择上。在建设成品油的管道中，其中的工艺系统是管道建设中的主要投资部分，而成品油泵站和管道的建设投资在总的投资量中也占据了比较大的比例，因此应将两种相结合来进行成品油管道工艺方案的优化设计。 三、管道工艺设计方案优化的决策变量 描述成品油管道工艺设计方案中的变量就是优化管道工艺方案中的设计变量。选择相应的决策变量的基本前提就是，一旦将决策变量的值确定之后，成品油管道工艺设计的优化方案方向就确定下来了。在成品油管道工艺设计中的工艺方案涉及到泵站和管道这两个方面。
5、其中泵站分为泵站中的机组配置以及连接方式，还有泵站位置等进行设计。而管道可分为管径、管道材料以及管道壁厚来进行设计。在对成品油的管道进行设计时，一旦成品油的输出种类、输出走向以及输出的流量等因素确定的情况下， 那么成品油的管道工艺的优化设计方案就确定下来了。又因这些因素不是独立的，而是相互制约的。从数学方面来将，这些因素都可以成为数学模型中的优化决策变量，但是为了使所建立的数学模式的物理意义明确以及结构相对简单化，便于求出管道的变量，根据相关的设计准则可以选择一组关联程度相对较低的决策变量来对成品油的管道工艺进行优化设计。 还有在成品油输出管道的设计中，还需要对输出管道的建设附近设置几个泵站来
6、给成品油的输出提供相应的压力能，因每个泵站所提供的压力能都决定着成品油的输出量，因此应充分的利用管道路线的强度来设置压力值。也以将泵站的压力能作为决策变量，主要是因为在管道输出中所设立的泵站要尽可能的相同，设置的相关配置也相同，这样的话使成品油的输出管道中的承担的压力就会相差无几，从而有力与设备的维修保养，进而减少投资成本以及管道运行使用的相关维护费用。 四、目标函数和约束条件 对成品油的管道工艺方案进行优化设计的前提是在满足多种约束条件下，从而寻找质量最好的管径、管材、设计压力、管道壁的厚度、泵站的数量以及位置、操作的压力、成品油的输送顺序以及管道的首站和末尾站，还有各种成品油的储罐设置等等
7、因素进行组合，使设计的管道工艺方案能在规定是时期中获得最大化的经济效益。在对管道设计中，对成品油的工艺方案进行优化设计的基本前提以及相关原则是：将成品油的输出管道按照分输站点来进行划分为几个管段，其管段之间的管径要相同；按照相同的温度对管道工艺进行设计；管段之间的压力设计要相同；不考虑对成品油的建设进行分期投资和分时间断进行建设；各种成品油输出时的体积和流量要相等。还有在管径以及其他的相关参数作为基础对成品油的输送顺序进行研究，因考虑到对成品油的输送量跟管道中的内径相关，因此可以将成品油的输送顺序优化放在这个管道工艺设计方案中进行统一探究。 1.目标函数 根据我国现今的管道建设情况，可以选择在
8、管道系统中的建设和运行中的总费用值用最小 F 作为目标函数，在进行管道建设以及运行中的费用进行计算时，为了简化计算，可以只探究跟管道工艺设计方案相关的一些费用项。在对成品油管道的总费用进行计算时可以根据管道的线路、泵站以及储油罐和相关的混油处理这四个部分来进行计算，从而得出目标函数表达式，如下图所示： 在以上的目标函数表达式中，其中（P/A，i，y）表示的是总体系数；i表示的是基准收益率即（基准贴现率）y 为计算的年限；i 表示第一个 i 的管径；li 表示的是管道中管段的长度；m 表示是的分输站的总数目；Cp 表示的是购买钢管的费用；Ca 表示的是安装管道的费用；Ct 表示喷涂管道防腐剂的费
9、用；b 表示的管道建设中站泵的数目；W 表示的是在线路运行期间的维护费用；a 表示给泵站的设置投资中跟机组的功率五关的部分；b 则表示的是在泵站的投资建设中跟机组功率相关的部分；c 则表示的是成品油运输顺序的周期；Cd 则表示的是建设存储油罐的相关费用；其中 m3 表示元；g 表示的是存储油罐的维护费用；Ch 表示的处理混油的相关费用；T 表示的是管道全线使用储罐的总容量；f 1 则表示的是线路初期的投资费用；f2 则表示的是计算管道使用期限内每年管理维护费用的叠加值；f3 表示的就是管道泵站初始投资；F4 表示的是计算管道泵站使用期限内每年管理维护费用的叠加值；f6 表示的是每年新增加的储蓄
10、油罐的相关投资费用；f7 则表示的是在计算使用管道期间对混合油的处理费用的叠加值；其中管道中各个管段之间的管径 i 为设计变量，管道的输送顺序周期为 c 管道泵站数目为 b。还有目标函数所表示的是有离散变量（j） 、整型变量（b）和连续变量（pj、c）的非线性函数。 在对成品油管道工艺方案进行优化设计中的约束条件包括强度的约束、水利的约束、工艺操作的相关条件约束以及钢管的相关规格约束和流态约束等等。钢管强度的约束条件，根据相关的规定（即 GB50253-2003） ，管道泵站的出站压力要满足管道的强度相关要求。如下图所示： 在上述函数公式中 s 表示的是钢管的强度，i 表示的是 j 和 j+1
11、中管道泵站之间的包含的管段；j=1，b钢管运行稳定的约束条件。在管道建设中为了防止钢管在施工建设期间以及运行期间因外部的一些压力过大导致钢管产生弯曲现象，因此 GB50253-2003 中对钢管的壁厚和钢管的外径的比对进行了相关规定，如下图所示： 管道钢管中的规格约束，因为成品油的输送管道所用的钢管的按照相关的标准规则进行制造的，因此在对成品油中管道工艺设计中要根据相关的标准来进行设计管径和管道的壁厚。管道中水压的约束条件，就是任何的动力水压必须要大于最小的动力水压。水力约束条件，成品油在管道中的流动速度必须很水压维持供需平衡的关系。 五、优化管道工艺的方法 对成品油管道工艺方案的优化程序可以
12、分别分为内外两个层次，所谓的外层就是输送顺序的周期优化，而内层就是管道中管道的壁厚以及管径等参数的优化。由于相关的总费用值跟输送顺序的周期之间的关系是单峰函数，因此在优化成品油输送顺序周期时可以采用一维搜寻法来进行优化。由于内层的优化相关的数学模型是属于非线性混合整数，因此不能使用相关的通用优化方法来进行求解。现今在求这种类似的方法有离散复合型法等其他的方法，但是这些方法对函数的优化有着一定的要求，并且所求出的优化结果跟确定的初值的影响比较大。而差分进化算法跟离散复合型法不一样，它可以作为一种全局搜寻方法，因其具体不需要其他的辅助信息以及鲁棒性等特点，可以应用于其他领域当中。为了使函数的求解变
13、得简单些，可以将压力离散设计为离散值，还要采用相关的实数编码制，来对相应的函数值进行处理，可以用以下方法进行处理：对违法约束条件的进行惩罚，违法约束程度越大所受到的惩罚也将越大；将可行点数相适应的函数值作为管道建设的总费用现值（即总利润值） ，而对非可行点要进行相关的惩罚项，相关的算法完结条件就是需要其中一代的最差和最好的个体中的适应值之差要小于 0.1%。如下图所示： 因为在建设成品油管道之前，就已经对各个分输站的建设位置已经确定下来了，又因，在通常的建设情况下，对管道优化设计的人员都希望将管道中建设的分输站和泵站进行合并，这样不仅可以节约一部分投资建设费用，还可以给运行后的管理和维护带来许
14、多的便利。在进行成品油管道系统总体工艺方案的优化设计时可以运用赋权有向图来表示，在设计成品油管道泵站的位置时，所选择的建设点必须要对应图的顶点，根据对管道中管径和压力所允许的设计取值范围，从而可以确定两个顶点之间有没有弧。当这两个顶点之间没有弧时，设计弧的权值可以为无穷大。我们所说的最短路径就是指两个顶点之间的权值为最小的路径。因此， 从起点算起到终点之间所有的路径集合起来的最小权值路径就是成品油管道工艺方案中的最优化方案。在实际的设计应用过程中，需要对管道工艺的设计方案进行综合对比，因此就需要对最短路径进行扩展，形成多条最短路径。如下图所示： 根据上图所示，对最短路径的求解步骤：先计算出每个
15、成品油管道的最大流量和最小流量；然后确定管道中每个管段间的管径；确定一个成品油输送顺序周期；随意选择管道中的两个泵站位置在满足约束条件下计算出管道的总费用值；改变管道输送顺序周期，运用一维搜索法进行搜寻，从而确定管道的最佳壁厚、管径、以及输送顺序周期和设计压力；运用差进化算法计算出多条最短路径；最后对设计的管道工艺方案进行校核。通过以上的对最短路径的计算，可以在管道泵站选择位置确定的前提下，将对管道优化设计方案转化成最短路径，然后进求解，不仅有利于对管道建设中的问题进行分析，还有利于求出最佳的管道工艺方案的优化。 六、结束语 综上所述，优化成品油管道工艺方案设计到诸多方面的因素，其优化程度直接
16、影响到经济效益的高低。所以在对成品油管道工艺方案进行优化的时，首先，可以在管道泵站设置确定的情况下，可以将管道工艺的优化为题转成最短路径问题进行相关求解，不仅有利于对优化问题进行合理的分析，还有利于对成品油管道工艺方案的进一步优化。其次，还可以根据传统的函数算法来进行求解，同时对设计算法进行相应的改进和创新，再进过实际的比例从而得出更优的管道工艺方案。再次，还可以编辑一些成品油的管道工艺方案优化设计的相应软件，可以给成品油管道工艺方案进行优化设计提供相应的辅助和参考，从而设计出更好的成品油管道工艺设计方案。随着我国社会经济的不断发展，对成品油的需求量也在不断的增加，因此对成品油管道工艺的合理设
17、计优化，不仅可以有效的减少成品油在管道输送中成品油的损耗，更有利于在运行中对管道的维护，从而减少成本的投资，进而还可以最大化的提高经济效益。 参考文献 1 王浩. 成品油管道顺序输送技术研究J. 中国石油和化工标准与质量. 2011（08） 2 初飞雪，吴先策，张宗伟. 基于 N 条最短路径的成品油管道优化设计J. 石油化工高等学校学报. 2008（02） 3 刘伟，梁江. 成品油管道总体工艺方案优化设计J. 油气储运. 1999（03） 4 邓宗竹，刘德俊，姜东方，李明德，宫宁宁. 成品油顺序输送批次和罐容的优化设计J. 北京石油化工学院学报. 2011（04） 5 袁方. 成品油管道技术现状及发展趋势J. 石油化工技术经济. 2006（04）
