輸油管線的同步優(yōu)化設(shè)計(jì)

王 泉

（遼河油田曙光采油廠熱注作業(yè)二區(qū)，遼寧盤錦 124010）

輸油管線的同步優(yōu)化設(shè)計(jì)

王 泉

（遼河油田曙光采油廠熱注作業(yè)二區(qū)，遼寧盤錦 124010）

在輸油管道的設(shè)計(jì)中，管徑的確定與保溫層厚度的計(jì)算是相互關(guān)聯(lián)的、相互制約的。建立了外輸管道總體優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，并運(yùn)用 Matlab 軟件進(jìn)行了編程求解，得到了最佳的管徑、保溫層厚度和起點(diǎn)溫度，同時對數(shù)學(xué)模型中的非優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析。

優(yōu)化設(shè)計(jì)；同步設(shè)計(jì)；輸油管線

1 輸油管道的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)法–分步設(shè)計(jì)法

輸油管道設(shè)計(jì)主要內(nèi)容包括：確定經(jīng)濟(jì)管徑、站址和設(shè)備選型、工藝流程設(shè)計(jì)及輸油成本計(jì)算；繪制首站及中間熱泵站的工藝流程圖、首站的平面布置圖、泵房安裝圖、管道的縱斷面圖。

管道工藝設(shè)計(jì)的目的是根據(jù)設(shè)計(jì)委托書或設(shè)計(jì)任務(wù)書規(guī)定的輸送油品的性質(zhì)、輸量及線路情況，確定管道的總體方案的主要參數(shù)：管徑、泵站數(shù)及其位置等。工藝設(shè)計(jì)主要有工藝計(jì)算（加熱輸送管道還包括熱力計(jì)算）及技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較兩部分。設(shè)計(jì)初始參數(shù)有計(jì)算溫度、油品密度、油品黏度、計(jì)算流量、管道縱斷面圖、管材、保溫層及其主要設(shè)備規(guī)格型號、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等。

1.1 輸油管道傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程

工藝設(shè)計(jì)時，首先根據(jù)經(jīng)濟(jì)流速范圍確定最佳管徑。下一步設(shè)計(jì)中還要對輸送工藝、管子鋼材等級和鋼管類型、管壁厚度等進(jìn)一步優(yōu)選，以確定最佳設(shè)計(jì)方案。傳統(tǒng)輸油管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程如下：

1.1.1 優(yōu)選管徑

設(shè)計(jì)計(jì)算中，首先要初選管徑。初選管徑，常根據(jù)經(jīng)濟(jì)流速來計(jì)算。經(jīng)濟(jì)流速的單位與國民經(jīng)濟(jì)中各項(xiàng)費(fèi)用的比值有關(guān)，我國目前對這些經(jīng)濟(jì)參數(shù)還缺乏總結(jié)。對熱油管道而言，管徑增大使散熱量增大，熱能費(fèi)用增加。故熱油管道的經(jīng)濟(jì)流速常比不加熱的管道更高些。目前熱油管道的經(jīng)濟(jì)流速為1.5～2.0m/s。此范圍只供方案初選參考用。

1.1.2 確定和布置加熱站、泵站

確定和布置加熱站、泵站，主要是進(jìn)行管道的熱力計(jì)算和水力計(jì)算。

1.1.3 管道保溫的選擇

首先選定保溫材料。保溫材料確定后，保溫層的厚度是影響技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的重要參數(shù)。管道傳熱系數(shù)減小，保溫層厚度增大，都可以減少加熱站或泵站投資，降低能耗，節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用，但保溫層的材料費(fèi)、施工費(fèi)增加。且保溫層厚度增加至一定程度后，保溫效果的提高就不太明顯了。應(yīng)通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定保溫層厚度。可選定幾種不同的保溫層厚度，計(jì)算相應(yīng)的管道傳熱系數(shù)，對它們進(jìn)行管道的熱力、水力工藝計(jì)算，確定泵站、加熱站及運(yùn)行參數(shù)，計(jì)算其投資、經(jīng)營費(fèi)用，再對各方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，以確定最佳保溫層厚度。

在某些特殊情況下，加熱站間距及運(yùn)行油溫已定，求所需保溫層厚度時，可由管道沿程溫降公式計(jì)算所需求的管道傳熱系數(shù)之值，再根據(jù)管道的熱阻計(jì)算公式可求得所需的保溫層厚度。

2 輸油管線的同步優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 基于熱經(jīng)濟(jì)學(xué)原理的同步優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1.1 同步優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程

基于熱經(jīng)濟(jì)學(xué)原理的同步法是以熱油管道及保溫層的投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用最小為優(yōu)化目標(biāo)，同步設(shè)計(jì)完成管道的管徑、壁厚和保溫層厚度的輸油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。輸油管道同步設(shè)計(jì)費(fèi)用包括初始投資費(fèi)用–管材投資、保溫層投資等必要的輔助材料投資和施工費(fèi)用等；管道投入運(yùn)行后的運(yùn)行費(fèi)用–動力損耗費(fèi)用、熱力損耗費(fèi)用及維修折舊費(fèi)用等。同步設(shè)計(jì)法將管道管徑、壁厚和保溫層厚度這三個量的設(shè)計(jì)整合到同一個多目標(biāo)非線性優(yōu)化模型中，通過優(yōu)化模型的求解，完成對輸油管道及保溫層的設(shè)計(jì)。

2.1.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的建立

保溫?zé)嵊凸艿赖目傎M(fèi)用包括初始投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用。初始投資費(fèi)又用包括管材投資、保溫層投資、保溫層保護(hù)層投資和施工費(fèi)用投資；運(yùn)行費(fèi)用則主要包括管道投入運(yùn)行后的動力損失費(fèi)用和熱力損失費(fèi)用及施工費(fèi)用等。以保溫管道的年運(yùn)行費(fèi)用和投資的年分?jǐn)傎M(fèi)用之和為目標(biāo)函數(shù)，其最小值可表示為

式中：α——資金回收系數(shù)；

2.1.3 同步優(yōu)化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

同步設(shè)計(jì)法克服了傳統(tǒng)輸油管道優(yōu)化設(shè)計(jì)分布確定管道管徑、壁厚和保溫層厚度難以到達(dá)整體最優(yōu)的問題。

但該方法也有相應(yīng)的不足之處，其以經(jīng)濟(jì)最優(yōu)為目標(biāo)，而經(jīng)濟(jì)優(yōu)化的難處在于各種費(fèi)用的價(jià)格、貸款利率、還款年限等難于取準(zhǔn)并且它們隨時間而變化，因而其結(jié)果也有相應(yīng)的變化幅度。因此這些經(jīng)濟(jì)因素可能會對優(yōu)化結(jié)果造成一定的影響。

[1] 楊 筱 蘅 .輸 油 管 道 設(shè) 計(jì) 與 管 理 [M].東 營 ：中 國 石 油 大 學(xué) 出 版 社，2006.

[2] 黃善波，徐明海，邢曉凱 .外輸管道的總體優(yōu)化設(shè)計(jì) [J].油氣儲運(yùn)，2002，21（5）.

[3] 吳雙應(yīng) .對流換熱過程的熱力學(xué)分析及其應(yīng)用 [D].重慶：重慶大學(xué)，2005.

Synchronous Optimization Design of Oil Pipeline

Wang Quan

In the design of the oil pipeline，the diameter of the determination and insulation layer thickness calculation is interrelated，mutual restraint.The mathematical model of the overall optimization design of the external pipeline is established and the optimal solution diameter，the thickness of the insulation layer and the starting point temperature are obtained by MATLAB software.The sensitivity analysis of the non-optimized parameters in the mathematical model is also carried out.

optimal design ；synchronous design ；oil pipeline

TP277

：A

：1003–6490（2017）07–0034–01

2017–05–22

王泉（1987—），男，遼寧盤錦人，助理工程師，主要從事石油工程方面的工作。