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摘 要： 這篇管道工程師論文發(fā)表了成品油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)，我國(guó)成品油的運(yùn)輸主要依靠管道運(yùn)輸，論文介紹了成品油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)，論文介紹了雜交差分進(jìn)化法等幾種有效算法，并歸納和分析其在成品油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)和不足之處。最后，給出了成品油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)研究建議
這篇管道工程師論文發(fā)表了成品油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)，我國(guó)成品油的運(yùn)輸主要依靠管道運(yùn)輸，論文介紹了成品油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)，論文介紹了雜交差分進(jìn)化法等幾種有效算法，并歸納和分析其在成品油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)和不足之處。最后，給出了成品油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)研究建議。
關(guān)鍵詞：管道工程師論文,成品油管道,優(yōu)化設(shè)計(jì),優(yōu)化模型,優(yōu)化算法
目前，我國(guó)成品油管道正處于大發(fā)展時(shí)期[1]。成品油管道投資大，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)效益也很大，一條成品油管道投資高達(dá)幾億乃至上百億元，其每年的運(yùn)行管理與維護(hù)費(fèi)用也相當(dāng)大，其優(yōu)化設(shè)計(jì)的潛力也很大，在設(shè)計(jì)方面一個(gè)微小的改善，就可以節(jié)省大量的費(fèi)用，因此對(duì)其進(jìn)行工藝方案優(yōu)化設(shè)計(jì)研究具有重要意義。成品油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)是指在滿(mǎn)足各種內(nèi)、外部約束條件的前提下，合理選擇設(shè)計(jì)方案，使所設(shè)計(jì)的管道在計(jì)算期內(nèi)完成預(yù)期的輸油任務(wù)，同時(shí)獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益。
1優(yōu)化模型的建立
成品油管道優(yōu)化模型與長(zhǎng)距離油氣輸送管道優(yōu)化模型相似，其一是要達(dá)到最優(yōu)的既定目標(biāo)(生產(chǎn)費(fèi)用最低或者投資總額最少);其二是在滿(mǎn)足現(xiàn)有的客觀約束的條件(資源、設(shè)備、能力等因素)下達(dá)到已定的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)。對(duì)于這些實(shí)際生產(chǎn)遇到的問(wèn)題，可以將其抽象為理論數(shù)學(xué)模型式(1)來(lái)表述。成品油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)包括管徑方案優(yōu)選設(shè)計(jì)和順序輸送批次及罐容計(jì)算兩部分。管徑方案優(yōu)選設(shè)計(jì)是管道順序輸送批次及罐容優(yōu)化和技術(shù)經(jīng)濟(jì)規(guī)律研究的基礎(chǔ);順序輸送批次及罐容優(yōu)化是成品油管道順序輸送的關(guān)鍵。具體內(nèi)容包括鋼管的管材等級(jí)、管外徑、管壁厚度、管線(xiàn)的最大允許操作壓力、設(shè)計(jì)壓力、沿線(xiàn)分輸站、泵站的數(shù)目與位置、在設(shè)計(jì)流量下各站的進(jìn)、出站壓力等。成品油管道最優(yōu)設(shè)計(jì)在標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化模型式
(a)的基礎(chǔ)上，需要確定目標(biāo)函數(shù)、約束條件和優(yōu)化變量三個(gè)部分。
(1)目標(biāo)函數(shù)：成品油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題的目標(biāo)是在滿(mǎn)足各種設(shè)計(jì)約束的前提下確定管道的工藝設(shè)計(jì)方案，使所設(shè)計(jì)的管道在其計(jì)算期內(nèi)經(jīng)濟(jì)效益最佳。
(2)約束條件：成品油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題的約束條件很多，包括線(xiàn)路強(qiáng)度約束、鋼管規(guī)格約束、鋼管穩(wěn)定性約束、流態(tài)約束、水力約束、工藝操作條件約束(包括動(dòng)水壓力約束、進(jìn)站壓力約束等)。(3)優(yōu)化變量：成品油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)的優(yōu)化變量主要包括管材、管徑、管壁厚度、操作壓力、泵站數(shù)目、泵站位置、油品輸送順序、順序輸送周期及批量、管道首站、末站及分輸站的各種油品儲(chǔ)罐設(shè)置等。
2優(yōu)化模型求解
成品油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)模型及方法的研究比較多，但由于管道情況的多樣性，優(yōu)化設(shè)計(jì)模型的適用條件各有限制。其中還包含離散變量的優(yōu)化問(wèn)題。在成品油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)研究中，動(dòng)態(tài)規(guī)劃法、雜交差分進(jìn)化算法和混合離散變量法是比較常用且優(yōu)化效果顯著的優(yōu)化算法，因此對(duì)三種優(yōu)化算法進(jìn)行深入調(diào)研，對(duì)其在成品油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)做全面分析。
2.1動(dòng)態(tài)規(guī)劃法
20世紀(jì)50年代初美國(guó)數(shù)學(xué)家R.E.Bellman等在研究多階段決策過(guò)程的優(yōu)化問(wèn)題時(shí)，提出了著名的最優(yōu)化原理，把多階段過(guò)程轉(zhuǎn)化為一系列單階段問(wèn)題，利用各階段之間的關(guān)系，逐個(gè)求解，創(chuàng)立了解決這類(lèi)過(guò)程優(yōu)化問(wèn)題的新方法—動(dòng)態(tài)規(guī)劃。1992年，國(guó)外學(xué)者YaseminG.Bolkman[2]采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法求解最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。目標(biāo)函數(shù)為每年的總成本(即泵站成本和管道成本之和)最小。通過(guò)把壓力、站間距變量離散化，建立變量之間的關(guān)系方程，把整個(gè)求解過(guò)程分解成若干階段，先假設(shè)一個(gè)最大泵站數(shù)目，當(dāng)通過(guò)計(jì)算確定某一站不需要提供動(dòng)力時(shí)，泵站數(shù)目減一。但該方法沒(méi)有考慮沿線(xiàn)分輸，只能對(duì)無(wú)分輸支線(xiàn)的輸油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論借鑒。
2005年，黃淑女、謝偉峰[3-4]建立了帶分支的長(zhǎng)輸成品油管道工藝方案優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型。該模型是一個(gè)復(fù)雜的多目標(biāo)綜合性規(guī)劃模型，目標(biāo)函數(shù)為計(jì)算期內(nèi)管線(xiàn)的費(fèi)用現(xiàn)值最小。總費(fèi)用現(xiàn)值包括管線(xiàn)初始投資、管線(xiàn)運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用現(xiàn)值、站場(chǎng)投資現(xiàn)值、站場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用現(xiàn)值和站場(chǎng)能耗費(fèi)用現(xiàn)值。約束條件有水力約束條件、流態(tài)約束條件、流量約束條件、鋼管規(guī)格約束條件(管徑約束、壁厚約束、管材集合)、壓力約束條件。決策變量為管徑(離散變量)、管材(離散變量)、出站壓力(連續(xù)變量)。在求解該模型時(shí)，將其分解為三個(gè)層次，每一層次對(duì)應(yīng)一個(gè)決策變量，對(duì)這三個(gè)層次進(jìn)行逐階優(yōu)化，求得模型最優(yōu)解。常用管材種類(lèi)有限，采用枚舉法選取;管徑組合采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法求解;分輸站和泵站合并，采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法布站，但這種方法并未應(yīng)用在實(shí)際中。
2.2雜交差分進(jìn)化法
傳統(tǒng)數(shù)值算法比如離散復(fù)合形法及外部近似法等，存在求解非線(xiàn)性混合整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題的局部搜索性及對(duì)初值敏感性強(qiáng)等缺陷，差分進(jìn)化算法作為一種有效的全局搜尋方法，具有魯棒性、并行性等特點(diǎn)，但其具有易陷于局部極小值等缺陷。1998年，Chou等在差分算法的基礎(chǔ)上發(fā)展了雜交差分進(jìn)化算法，能夠?qū)崿F(xiàn)全局尋優(yōu)且收斂速度也較快。
2006年，初飛雪[5]選取具有摻入和分輸?shù)某善酚凸艿栏删�(xiàn)系統(tǒng)進(jìn)行分析，并以管道系統(tǒng)計(jì)算期內(nèi)總費(fèi)用現(xiàn)值最小為目標(biāo)函數(shù)，在考慮管道強(qiáng)度約束、鋼管穩(wěn)定性約束、流態(tài)約束等約束條件下建立了工藝方案優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，引進(jìn)雜交差分進(jìn)化方法，并對(duì)算法做了局部改進(jìn)，采取動(dòng)態(tài)處理約束條件。該方法對(duì)其它油氣管道工藝方案優(yōu)化設(shè)計(jì)也具有指導(dǎo)意義。在泵站位置候選點(diǎn)確定的條件下，采用了賦權(quán)有向圖表示成品油管道工藝方案優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，通過(guò)調(diào)用Dijkstra算法，求解出了最短路徑作為最優(yōu)方案。同時(shí)將最短路徑問(wèn)題擴(kuò)充為N條最短路徑問(wèn)題，相應(yīng)可求得次優(yōu)、再次優(yōu)等工藝方案，以供設(shè)計(jì)人員做多方案比選。
2.3混合離散變量法
混合離散變量法適合于求解既有連續(xù)變量又有離散變量的工程實(shí)際問(wèn)題的數(shù)學(xué)規(guī)劃。2004年，張其敏[6]根據(jù)最優(yōu)化理論和成品油管道輸送特點(diǎn)建立了成品油順序輸送管道優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型。該模型的目標(biāo)函數(shù)是：順序輸送管道在其壽命期內(nèi)的終值費(fèi)用(即管道、泵站和油罐的建設(shè)投資費(fèi)用，以及各年運(yùn)行管理費(fèi)用均按相同的年利率折算到設(shè)備壽命末年時(shí)的費(fèi)用)最小。約束條件包括：水力約束條件、強(qiáng)度約束條件、流態(tài)約束條件、管道運(yùn)行穩(wěn)定約束條件、首末站罐容約束、管道規(guī)格約束條件、泵站數(shù)約束條件。然而，其優(yōu)化模型流態(tài)約束條件要求雷諾數(shù)大于第二臨界雷諾數(shù)，管道都在粗糙區(qū)工作。實(shí)際運(yùn)行中，輕油管道的流態(tài)多在水力光滑區(qū)，輸送低粘油品的較小直徑管道可能進(jìn)入混合摩擦區(qū)，管道運(yùn)行很難滿(mǎn)足該約束，故該約束條件的合理性有待論證。
3建議
(1)由于成品油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)模型的復(fù)雜性，開(kāi)發(fā)具有編碼簡(jiǎn)單、收斂速度快、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)的算法十分重要，易于人們理解和編程。(2)模型實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中設(shè)計(jì)人員不單一的從總費(fèi)用現(xiàn)值角度出發(fā)優(yōu)選方案，還需要考慮施工難度、技術(shù)可行性、環(huán)境影響、運(yùn)行維護(hù)、可靠性等多方面因素，經(jīng)綜合考慮確定最優(yōu)工藝方案，因此建立一個(gè)綜合考慮諸因素的工藝方案綜合評(píng)價(jià)體系是必要的。(3)開(kāi)發(fā)更為廣泛及適用性強(qiáng)的成品油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件勢(shì)在必行。
作者：潘峰 柯華勝 張喆 賈賀坤 單位：東北石油大學(xué) 中化泉州石化有限公司
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