年輸量不確定的油氣管道優化設計

江濤

摘 要：隨著社會的發展和不斷進步，以及現代化建設的開展，人們對各項能源的需求日益增加。為更好的滿足人們對能源的需求，需要通過管道將石油、天然氣等能源運輸到城市、鄉鎮中。與以往的水上運輸、鐵路運輸、公路運輸等運輸方式相比較，管道運輸的方式更具有安全性、穩定性、可靠性、經濟性和連續性等。并且通過管道進行石油、天然氣的運輸，有利于降低管理的難度和工作量，并提高管理的質量和效率，有利于進行自動化管理等優勢。

關鍵詞：油氣管道；油田開發；市場擴展

隨著人們對石油、天然氣能源需求的增加，擴大了管道建設的規模。但是在進行管道建設時，需要投入大量的資金，為在保障質量的前提下實現費用的最小化，需要不斷尋求最優的組合方案。結合經濟學原理，分析各個可行性方案，并進行經濟性的比較、綜合效益的評價等，找尋既具有技術性又具有經濟性的最優組合。保障該方案具有先進的施工技術、合理的經濟效果。當前階段國內外在進行油氣管道的優化設計時，應用較為先進的優化理念和方法，并進行深入的研究，從而得到較好的研究成果。

1 我國油氣管道優化設計的概況

我國在油氣管道優化設計方面的研究起步較晚，廣大石油工作者自20世紀80年代以來在油氣管道優化設計工作中取得了可喜的成績，研究成果應用在生產上產生了巨大的經濟效益。1986年，朱琦的《關于長距離輸氣干管經濟管徑的研究》提出了經濟管徑的概念，用總折合費用最小來確定經濟管徑，并給出了經濟數學模型，但只優化了管徑。1990年，雍歧東和肖芳淳的《管道結構中的多目標模糊優化》考慮到管道結構經濟費用與輸送油氣的水力摩阻成反向變化，引入了多目標模糊優化設計，且采用了復合型法運算。2003年，嚴宏東對熱含蠟原油管道采用改進混沌算法，將混沌算法和復合型算法相結合，得到了比單一的混沌算法和復合型算法更好的優化結果。

管道設計方案優選方法主要有三大類，即方案比較法、最優化方法和灰色關聯分析法。案比較法通過比較年折合費用，選擇費用最小的方案作為最優方案，但計算的方案數有限，容易遺漏最佳方案，方案相差不大時難以取舍。最優化方法依靠建立折合費用和設計參數間近似的函數關系來確定最優參數，需要建立復雜的數學模型，設計變量多。這兩種方法都是依靠比較折合費用最小值來確定最優方案，有時具有片面性，得到的設計參數不符合工程實際情況。灰色關聯分析法綜合考慮經濟費用、工藝參數等多因素，進行多因素分析比較，方案優劣排序能反映整個設計方案的優劣，優選出的方案不僅能節省投資和操作費用，而且能較好地反映工程實際。但在灰色關聯分析法中，各技術經濟指標和各工藝參數等所處的地位相同，而實際工程更側重于費用因素。

上述這些研究成果能夠大量減少設計時間，降低設計費用，提高設計結果的準確性。但是這些研究成果都或多或少地存在一些問題，沒有哪一個方法為絕對的最好，有的在設計時只考慮有限的影響因素，不夠全面；有的把一個整體的系統人為地分成幾部分加以分析；有的算法本身就存在一定的缺陷，如動態規劃法難以避免“維數障礙”，遺傳算法、模擬退火算法、復合型法等隨機搜索方法容易過早地陷入局部最優解，梯度法對復雜函數求導困難，枚舉法計算量又太大等。

2 年輸量不確定的油氣管道的優化設計

在進行油氣管道的設計時存在較多的不確定因素，其中年輸量的不確定對油氣管道的設計工作產生的影響最大。以往在進行油氣管道的優化設計時，其前提條件便是某設計的年運輸量，從而根據該運輸量進行設計方案的優化，在保證質量的前提下，尋找費用最低的設計方案，并且當該優化設計方案投入使用后，可根據油氣管道年運輸量的改變對管道進行泵站、熱站的增加或減少。

在實際的油氣管道工程中，管道上游石油、天然氣資源的供應量，管道下游消費市場的消費能力等決定著該管道工程的規模。但是開發資源和開發市場都不是一蹴而就的，需要長期進行。所以油氣管道的年輸量受資源供應、市場消費的影響，無法有效的確定最高產量、最低產量的具體數值。因此在進行油氣管道的設計時，若將年輸量固定在某一數值上，對于具有較大運輸量和較長運輸距離的管道，無法在初期使運行狀態達到滿負荷，而收資源開發和市場開發的影響，年輸量的規模會逐漸擴大。當資源逐漸使用，儲存量下降后，油氣管道的年輸量也會跟著下降，所以制定一個合理的設計方案十分重要且必要。

將輸石油管道作為此次進行優化設計的例子，通常在進行油田的開發時，進行長輸油管道的建設，此時油田仍處于未穩產的狀態。地下情況相對復雜，影響油田產量的因素較多，因此在油田的開發初期很難具體確定油田的穩產量，甚至會出現實際產量與預期產量相差較大，下一階段與上一階段產量相差較大的情況。造成管道設計輸量與建成后的實際輸量不一致（偏大或偏小），使建成的管道不能滿足經濟輸送要求。因此，在建設原油長輸管道前，要考慮油田初期、中期和遠期的產量規劃，正確分析油田的產量變化趨勢，使油氣管道設計方案盡可能接近實際的最優方案，并充分考慮各種不確定性因素，尤其是輸量的不確定性對設計方案的影響，尋找最佳設計輸量，確定合理經濟的設計方案。

需要現制定一個合理的開發計劃，并按照該計劃進行油田的開發，先確定某年的運輸量。設定該油氣管道建成并投入使用后，可能出現m中實際運輸量。設定為Q1、Q2、Q3....Qm，并且Q1

運輸量Qi（i=1、2、3.....m），實際運輸量為Qj（j=1、2、3....m），并且該設計方案的費用是Fj（j=1、2、3....m），Qj出現的概率則為Pj（j=1、2、3....m）。按照該設計方案建設的油氣管道，其投資費用的現值期望值及方差分別為：

E（Qi）=■Fj·Pj i=1，2，…m；j=1，2，…m

？滓（Qi）=■

其中E（Qi）為按照Qi進行設計的費用現值期望值，而σ（Qi）則為按照Qi進行設計的方差。

比較不同設計輸量Qi下油氣管道設計方案費用現值，期望值越小，方案越優，根據這一準則就可以確定出最佳設計輸量和最優油氣管道設計方案。

3 結束語

在油氣管道的建設工程中，優化設計階段是整體工程的重要組成部分，并且是保障油氣管道運輸安全性、穩定性、和設備使用功能正常發揮的重要階段。以往在進行油氣管道的設計時，未能充分考慮能源開采、市場消費等對年輸量產生的影響。從而按照某一固定的年輸量數值進行油氣管道的優化設計，致使部分油氣管道存在設備閑置，部分油氣管道無法滿足實際的運輸量等現象。因此在進行油氣管道的優化設計時，應充分考慮到年輸量的不確定性的特點，結合能源開發和市場開發的情況下運輸量較大、能源儲存量下降導致運輸量下降等情況。對于油氣管道無法滿足實際運輸情況的，應及時采取相關措施如加泵站等方法進行調整。并且在保障運輸安全性、穩定性和質量的前提下，使成本最低。

參考文獻

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