熱油管道優(yōu)化設(shè)計技術(shù)研究中圖分類號：ＴＥ８３２單位代碼：１０４２５學號：Ｓ０８０６０８２２◎寸閨石油六ｊ爹碩±學位論文ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍＭａｓｔｅｒＤｅｇｒｅｅＴｈｅｓｉｓＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＯｉｌＰｉｐｅｌｉｎｅＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎ學科專業(yè)：油氣儲運工程研究方向：油氣長距離管輸技術(shù)作者姓名：高書光指導教師：安家榮副教授二。一一年五月ⅢＹⅢ８Ⅲ，Ⅲ６川●川，ｍｌＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＯｉｌＰｉｐｅｌｉｎｅＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎＡＴｈｅｓｉｓＳｕｂｍｉｔｔｅｄｆｏｒｔｈｅＤｅｇｒｅｅｏｆＭａｓｔｅｒＣａｎｄｉｄａｔｅ：ＧａｏＳｈｕｇｕａｎｇＳｕｐｅｒｖｉｓｏｒ：Ｐｒｏｆ．ＡｎＪｉａｒｏｎｇＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰｉｐｅｌｉｎｅａｎｄＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ〔ＥａｓｔＣｈｉｎａ〕關(guān)于學位論文的獨創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在指導教師指導下獨立進行研究工作所取得的成果，論文中有關(guān)資料和數(shù)據(jù)是實事求是的。盡我所知，除文中已經(jīng)加以標注和致謝外，本論文不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含本人或他人為獲得中國石油大學〔華東〕或其它教育機構(gòu)的學位或?qū)W歷證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對研究所做的任何奉獻均已在論文中出了明確的說明。假設(shè)有不實之處，本人愿意承擔相關(guān)法律責任。學位論文作者簽名：ｊ毫阻日期：如７／年ｆ月；／日學位論文使用授權(quán)書本人完全同意中國石油大學〔華東〕有權(quán)使用本學位論文〔包括但不限于其印刷版和電子版〕，使用方式包括但不限于：保存學位論文，按規(guī)定向國家有關(guān)部門〔機構(gòu)〕送交學位論文，以學術(shù)交流為目的贈送和交換學位論文，允許學位論文被查閱、借閱和復印，將學位論文的全部或局部內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，采用影印、縮印或其他復制手段保存學位論文。保密學位論文在解密后的使用授權(quán)同上。學位論文作者簽日期：少ｆ／年５－月歲／日，指導教師簽名：Ｒ期：山，／年／月７同摘要長距離熱油管道的建設(shè)關(guān)系到國民經(jīng)濟的開展，不僅工程建設(shè)投資巨大，建成后每年的運行費用也很大。如何對長距離熱油管道進行優(yōu)化設(shè)計減少管道建設(shè)費用和運行費用，還有許多值得研究探索和改進的地方。本文首先對國內(nèi)外油氣管道優(yōu)化設(shè)計工作進行了分析和研究。以長距離無分支熱油管道為研究對象，根據(jù)原油長輸工藝理論和最優(yōu)化原理，確定了以管徑Ｄ，管壁厚度萬。、保溫層厚度甌、泵站數(shù)％、加熱站站數(shù)／ＩＲ、進站溫度，ｚ、泵站揚程Ⅳ。．為決策變量，考慮到資金時間的價值性，以熱油管道的建設(shè)費用現(xiàn)值為目標函數(shù)，綜合考慮管道設(shè)計的熱力約束、水力約束、強度約束和泵特性約束，建立了熱油管道優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學模型。在熱油管道的工藝計算中，采用離散溫度法計算沿程溫降，在每步計算段，及時對流態(tài)進行判斷，計算原油物性參數(shù)、沿程水力迫降、管線傳熱系數(shù)等參數(shù)等，提高了計算精度。由于所建立的熱油管道優(yōu)化設(shè)計數(shù)學模型為混合離散變量非線性約束優(yōu)化設(shè)計問題，難以求解。通過比照優(yōu)化計算方法的優(yōu)缺點，確定采用遺傳算法對熱油管道優(yōu)化設(shè)計數(shù)學模型進行求解，系統(tǒng)闡述了求解思路，并設(shè)計了求解步驟。本文以某長距離熱油輸送管道為例，設(shè)計輸量為１５００萬噸／年，用Ｃ＋＋Ｂｕｉｌｄｅｒ平臺進行編寫計算程序，對其進行優(yōu)化設(shè)計。通過比照計算結(jié)果，驗證了本文所建立的數(shù)學模型與求解方法的可靠性和實用性。從結(jié)果上來看，進出站溫度對優(yōu)化方案影響較大，在優(yōu)化計算過程后期，根本上就是對進出站溫度的優(yōu)化計算，說明進出站溫度的優(yōu)化在管道優(yōu)化設(shè)計中處于重要地位。本文對熱油管道的運行優(yōu)化也具有一定的借鑒意義。關(guān)鍵詞：熱油管道，優(yōu)化設(shè)計，遺傳算法，數(shù)學模型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目第一章錄前言………………．．１１．１課題研究目的和意義…………………．．１１．２最優(yōu)化問題……………．．１１．３國內(nèi)外熱油管道優(yōu)化研究現(xiàn)狀………．．４１．４本文主要研究對象與內(nèi)容……………．．７第二章熱油管道優(yōu)化設(shè)計數(shù)學模型………８２．１決策變量確實定………………………一８２．２模型假設(shè)條件…………～９２．３目標函數(shù)的建立………………………１０２．４管徑規(guī)格初選模型……………………１５２．４．１管道壁厚度約束條件……………．１５２．４．２管道的剛度約束條件……………．１５２．４．２經(jīng)濟流速約束條件………………．１６２．５約束條件的建立………………………１６２．５．１管道強度約束條件………………．１６２．５．２泵站特性約束條件………………．１７２．５．３熱力約束條件……………………．１９２．５．４水力約束條件……………………．２０２．６熱油管道優(yōu)化設(shè)計數(shù)學模型…………２０２．７本章小結(jié)………………２１第三章熱油管道優(yōu)化設(shè)計數(shù)學模型求解………………一２２３．１選擇優(yōu)化算法…………２２３．２遺傳算法根本概念……………………２２３．２．１遺傳算法的特點…………………．２３３．２．２標準遺傳算法的根本步驟………．２３３．３熱油管道優(yōu)化設(shè)計模型求解方案……………………２４３．３．１管徑初選方案……………………．．２４３．３．２決策變量編碼……………………．２４３．３．３初始種群的設(shè)計…………………．２６３．３．４適應度的設(shè)計及其調(diào)整…………．２７３．３．５溫降離散法計算沿程能量損失…………………．２８３．３．６遺傳操作的設(shè)計…………………．３９３．３．７遺傳算法終止條件判斷…………．４２３．３．８站址確定…………．．４２３．４熱油管道優(yōu)化設(shè)計求解流程…………４２３．５本章小結(jié)………………４３第四章軟件程序編制與算例分析………．．４５４．１軟件程序設(shè)計說明……………………４５４．１．１參數(shù)錄入模塊……………………．４５４．１．２參數(shù)關(guān)系式擬合模塊……………．４６４．１．３管徑初選模塊……………………．４６４．１．４優(yōu)化計算模塊……………………．４６４．１．５站址布置與設(shè)備選型模塊………．４６４．２算例根本數(shù)據(jù)資料……………………４６４．３算例根底數(shù)據(jù)擬合……………………４９４．３．１粘溫曲線關(guān)系……………………．４９４．３．２比熱容．溫度關(guān)系…………………４９４．３．３泵特性擬合………………………．．４９４．３．４遺傳算法參數(shù)……………………．５０４．４算例優(yōu)化設(shè)計結(jié)果及其分析…………５ｌ４．４．１管徑規(guī)格初選……………………．５ｌ４．４．２優(yōu)化計算結(jié)果及比照分析………．５１４．４．３站址調(diào)整與泵、加熱爐選型……………………．５５４．４．４優(yōu)化設(shè)計影響因素分析…………．５６４．４本章小結(jié)………………５８第五章結(jié)論………………５９參考文獻………………………６０致謝…………………………６３中困石油人學〔華東〕碩ｆ：學位論文第一章１．１課題研究目的和意義前言隨著國民經(jīng)濟的高速開展，我固對石油、天然氣的依賴性越來越大。目前我國東部地區(qū)石油、天然氣產(chǎn)量已經(jīng)進入遞減階段，而西部地區(qū)的長慶油田、塔罩木油田等石油產(chǎn)量逐年增加，以及我國與俄羅斯、哈薩克斯坦等國的石油進口工程也得到了落實。管道運輸因具有運輸量大、密閉平安、能長期穩(wěn)定運行、能耗少、運費低、便于管理、易于實現(xiàn)自動化和遠程集中監(jiān)控等優(yōu)點，成為石油、天然氣這種大量、單向、定點運輸?shù)攘黧w的首要運輸方式。因而長距離輸油管道的優(yōu)化設(shè)計研究對國民經(jīng)濟的開展有著重大意義。從世界范圍來看，長距離輸油管道向著大口徑、高壓力的大型化輸油管道的方向開展。大型化的長輸管道建設(shè)根底建設(shè)投資巨大，管道建成后的運營費用也是不容無視的。尤其是我國的高粘易凝原油多采用加熱輸送，一般管道加熱所損耗的燃料油占管道所輸原油的ｌ～３％左右。因此，在管道建設(shè)規(guī)劃設(shè)計階段不僅要考慮到根底建設(shè)費用，還要考慮到管道運行費用ｌｌＪ。將長距離輸油管道工程經(jīng)濟利益作為研究對象，在保證完成任務(wù)輸量的前提下，把管道運輸工程技術(shù)與經(jīng)濟有機的結(jié)合為一體，對各種設(shè)計方案經(jīng)濟效果，采用各種定量計算、定性分析、統(tǒng)計比較和綜合評價，對長距離管道系統(tǒng)做最優(yōu)化分析。影響長距離輸油管道設(shè)計的因素很多，包括所輸送原油的物理性質(zhì)、管道本身的工藝條件、運行參數(shù)、沿線地理環(huán)境和經(jīng)濟參數(shù)等。考慮因素多，產(chǎn)生的可行性設(shè)計方案就多，難以用一般的數(shù)學方法求解。隨著應用數(shù)學技術(shù)的開展，國內(nèi)外學者將最優(yōu)化理論和最優(yōu)化技術(shù)應用在長距離輸油管道設(shè)計中，并取得豐碩的研究成果。根據(jù)長距離輸油管道設(shè)計的實際問題，分析管道設(shè)計中的各種參數(shù)，構(gòu)造長距離輸油管道設(shè)計優(yōu)化的數(shù)學模型，采用合理的最優(yōu)化方法求解數(shù)學模型，并對最終結(jié)果進行評價分析，找出最優(yōu)和次優(yōu)設(shè)計方案。１．２最優(yōu)化問題在實際工作中，為了完成一項任務(wù)或解決某個問題往往可采取多種不同的方案，我們把他們都稱為可行方案。雖然所有可行方案都可以到達預期的根本目的，但我們可以第一章前言按照某種標準對方案的優(yōu)劣做出評價，一般來說不同的方案將導致不同的效果。從眾多可行方案中找出最合理方案或最優(yōu)方案以到達最優(yōu)效果，即是所謂的最優(yōu)化問題。求解最優(yōu)化問題的方法叫做最優(yōu)化方法。從數(shù)學上講，最優(yōu)化問題的實質(zhì)就是求函數(shù)的極值或條件極值，根據(jù)問題的性質(zhì)可分為最小化問題和最大化問題。利用最優(yōu)化方法解決實際問題的一般步驟如下：一、提出優(yōu)化問題，收集相關(guān)數(shù)據(jù)與資料；二、選取變量，明確目標函數(shù)和約束條件，構(gòu)造最優(yōu)化問題數(shù)學模型；三、分析數(shù)學模型，選擇適宜的最優(yōu)化方法；四、編制計算程序求得最優(yōu)解；五、對最優(yōu)解進行分析評價。為了求解最優(yōu)化問題，首先要建立問題的數(shù)學模型，一般應該符合以下要求：〔１〕現(xiàn)實性：模型在一定程度上反映系統(tǒng)的客觀實際情況；〔２〕簡潔性：在保證必要精度的前提下，模型應盡量簡單明了，便于求解；〔３〕適應性：當系統(tǒng)外部條件變化時，模型應具有一定的適應能力。數(shù)學模型包括兩局部內(nèi)容，即目標函數(shù)表達式和約束條件，用函數(shù)、方程式和不等式來描述所求解的最優(yōu)化問題。其一般形式為：式中：ｏｐｔ．為ｏｐｔｉｍｉｚｅ的縮寫，假設(shè)是最小化問題ｎ－］＇胤ｍｉｎ．，最大化問題可以寫成豇ｏｐｔ。募ｉ竺：：：０：了蠹’ｉ：１～ｍｓＪ．ｇ，〔ｘｌ，ｘ２，ｘ３，…，ｘ?！场荩希健恚?，、’ｍａｘ．：ｓａｔ．為ｓｕｂｊｅｃｔｔｏ的縮寫，即約束條件；ｆ〔ｘ１，ｘ２，Ｘ３，…，％〕為目標函數(shù)；呂〔ｘｌ，ｘ２，Ｘ３，…，Ｘｎ〕≥０扛１～ｍ為約束函數(shù)。在數(shù)學模型中，目標函數(shù)是實際問題最優(yōu)準那么的數(shù)量描述，目標函數(shù)值直接用于評價一個方案的優(yōu)劣程度。對于工程優(yōu)化問題，最優(yōu)準那么通常包括系統(tǒng)性能準那么和經(jīng)濟準那么兩類。系統(tǒng)性能準那么是指使系統(tǒng)的某些性能指標〔如功率、效率等〕到達最大或最小。經(jīng)濟準那么是指使系統(tǒng)的某些經(jīng)濟指標到達最優(yōu)，如利潤最大、能耗最低、本錢最低等。約束條件定量地描述了系統(tǒng)中諸因素之間及系統(tǒng)與環(huán)境之間相互聯(lián)系、相互制約的關(guān)系。根據(jù)約束條件的性質(zhì)和形式，工程問題的約束條件主要有以下幾種類型：〔１〕物理約束：反映系統(tǒng)在運行過程中應遵循的物理規(guī)律，它可以是等式，也可以是不等式。例如熱油管道運行過程中站間管段的溫降關(guān)系或壓降關(guān)系是一個等式形式的物２中國石油人學〔華東〕碩Ｌ－學位論文理約束，而任一加熱站的出站溫度必須高于該站的進站溫度這一條件那么構(gòu)成一個不等式形式的物理約束?！玻病硯缀渭s束：描述了系統(tǒng)內(nèi)部及系統(tǒng)與環(huán)境之間的幾何關(guān)系。例如圓柱型油罐的直徑與高度之間必須滿足一定的幾何關(guān)系?！玻场承阅芗s束：反映了對系統(tǒng)的某些性能指標的具體要求。例如熱油管道優(yōu)化運行問題中各站進站溫度不得低于工藝要求的最低值等?！玻础尺吔缂s束：也叫上、下限約束，它限制了模型中變量的取值范圍。其形式為不等式，是最簡單的一種約束條件。例如熱油管道優(yōu)化運行問題中要求各站出站溫度不超過規(guī)定的上限值就是一個邊界約束。一般來說，實際最優(yōu)化問題的數(shù)學模型大多帶有邊界約束。最優(yōu)化方法屬于運籌學的范疇，根據(jù)不同的分類方法可以分為多種類型：按最優(yōu)解是一組數(shù)還是函數(shù)分為靜態(tài)和動態(tài)最優(yōu)化問題；按最優(yōu)準那么的數(shù)目分為單目標和多目標最優(yōu)化問題；根據(jù)問題本身提供信息的準確程度分為確定性和非確定性最優(yōu)化〔隨機性〕問題；根據(jù)有無約束可分為有約束和無約束最優(yōu)化問題；按照決策變量足連續(xù)的還是離散的，最優(yōu)化問題可分為連續(xù)型和離散型最優(yōu)化問題；按照約束條件和目標函數(shù)是線性的還是非線性的分為線性最優(yōu)化問題和非線性最優(yōu)化問題；按決策過程的結(jié)構(gòu)分為單階段和多階段決策問題。如果目標函數(shù)和所有的約束式都為線性的，那么稱為線性最優(yōu)化問題或線性規(guī)劃問題。線性規(guī)劃是運籌學中研究最早、開展最成熟，也是目前應用最廣泛的優(yōu)化方法。它多應用于解決生產(chǎn)管理、任務(wù)分配等最優(yōu)化問題。這種最優(yōu)化方法也別廣泛應用于油氣儲運系統(tǒng)工作運行中，比方成品油庫多種油品的運輸分配問題、輸油管線中最有輸油量方案問題，油品調(diào)和時最優(yōu)調(diào)和比問題等，應用線性規(guī)劃方法都可以解決。如果目標函數(shù)或約束條件中有一個是決策變量的非線性函數(shù)，那么這種最優(yōu)化問題稱為非線性最優(yōu)化問題，可用非線性規(guī)劃方法求解。假設(shè)目標函數(shù)為二次函數(shù)，而約束式為線性的，那么稱為二次規(guī)劃問題。二次規(guī)劃是從線性規(guī)劃到非線性規(guī)劃的過渡，是最簡單的非線性規(guī)劃。在輸油管道優(yōu)化設(shè)計中，能耗隨著管道運行溫度和壓力的變化都是非線性的關(guān)系。動態(tài)規(guī)劃問題是指最優(yōu)化問題的最優(yōu)解不是空間內(nèi)的一點，而是隨著時間或者空間因素變化的曲線或函數(shù)，常把這種問題分解成假設(shè)干個相互關(guān)聯(lián)的連續(xù)階段或假設(shè)干個子系統(tǒng)處理，使整個過程實現(xiàn)預期的最優(yōu)目標。輸油管道優(yōu)化設(shè)計中的管道線路走向問題和第一章前言全線泵機組合問題可以應用動態(tài)規(guī)劃方法來解決。自上世紀８０年代以來，一些新穎的智能算法得到了快速的開展，這些算法將某些自然現(xiàn)象或過程的機理與數(shù)學理論相結(jié)合，為解決實際中復雜問題提供了新的手段和思路，如遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、混沌算法、模擬退火算法、進化規(guī)那么和蟻群算法等。智能算法以其獨特的直觀性和自然機理得到了國內(nèi)外學者的廣泛認可，并且已經(jīng)成功應用于諸多領(lǐng)域。智能算法在輸油管道優(yōu)化設(shè)計中也應有廣闊的應用前景。１．３國內(nèi)外熱油管道優(yōu)化研究現(xiàn)狀前蘇聯(lián)在２０世紀５０年代，由契爾尼會最早提出熱油管道最優(yōu)工況的概念，用微分法導出了往復泵開式流程下輸送原油為牛頓流體的熱油管道的最優(yōu)出站溫度。美國在２０世紀６０年代初，杰斐遜應用動態(tài)規(guī)劃對等溫密閉輸油管道的站間壓力進行了分配，后來又有人應用隱枚舉法確定了站內(nèi)最優(yōu)泵組合。１９６１年，Ｇｅｆｆｅｒｓｏｎ【２】探討了熱油管道的運行優(yōu)化問題，假設(shè)輸油管線等溫輸送，輸量一定，應用動態(tài)規(guī)劃方法對各泵站所能提供的壓力進行合理的分配，求出的最低能耗值。１９７１年，Ｃｈｅｅｓｅｍａｎ〔美〕等人【３Ｊ采用坐標輪換法，以使用費用最小為目的尋求最優(yōu)管徑，并編制了管道優(yōu)化設(shè)計軟件，盡管坐標輪換法效率不高，但仍然能夠有效的縮短設(shè)計時間，同時也使設(shè)計質(zhì)量得到了提高了。１９８０年，Ｇｏｐａｌｌ４】等人對管道泵站的運行進行優(yōu)化。根據(jù)泵機的效率，應用數(shù)學規(guī)劃算法，對泵機組組合搭配進行優(yōu)化計算。還采用動態(tài)規(guī)劃算法優(yōu)化了出站壓力，在保證任務(wù)輸量的前提下，使總動力費用最優(yōu)。這為以后的管道運行優(yōu)化研究奠定了根底。１９８８年，Ｂｈａｄｕｒ與Ｔａｌａｃｈｉｆ５１將天然氣管道系統(tǒng)的運行狀態(tài)用非線性約束條件來表述，并針對天然氣管道運行系統(tǒng)的管徑、壁厚和壓縮機站數(shù)等，利用非線性算法中的廣義簡約梯度法與廣義幾何規(guī)劃法進行了優(yōu)化。１９９９年，美［羽ＣＮＧＴ［６】輸氣公司將動態(tài)閉環(huán)、實時優(yōu)化技術(shù)應用在該公司實際管道上，實驗說明，管道的運營能耗下降了十分之一左右。自２０世紀８０年代，我國才開始重視對油氣管道優(yōu)化設(shè)計問題的研究。通過廣闊石油工作者的不懈努力，在油氣管道優(yōu)化理論模型、求解算法和軟件方面取得了突破性進展，并且在生產(chǎn)中有效地應用了這些研究成果，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益。１９８３年，嚴大兒、吳長春【７叫首次提出了熱油管道穩(wěn)態(tài)運行的典型代表性模型——４中困石油大學〔華東〕碩仁學位論文兩級階梯模型，管道輸油溫度優(yōu)化為較高層次的模型，全線泵組合和各站間管段的最優(yōu)匹配較低層次模型，前者嵌入到后者中進行優(yōu)化。采用黃金分割法確定輸油溫度，再采用動態(tài)規(guī)劃法求解全線各站泵組合和各站間管道的最優(yōu)匹配方案。這為我國輸油管道優(yōu)化運行研究打下了根底。１９８６年，朱琦等人｜Ｊ０１利用管道的總折合費用來評價管徑，提出了經(jīng)濟管徑的概念，并建立了經(jīng)濟數(shù)學模型來確定經(jīng)濟管徑，可惜的是只考慮了管徑，沒有對其他參數(shù)做研究。１９８７年，嚴大幾…】等人對特重質(zhì)原油管道的優(yōu)化設(shè)計問題進行了研究，采用摻稀降粘加熱輸送工藝，以特重質(zhì)原油管道的管徑、加熱輸送溫度、稀釋比和泵站揚程為決策變量，采用直接搜索的網(wǎng)絡(luò)法對其進行了優(yōu)化。１９９０年，吳立峰【１２】建立了含蠟加熱輸送原油管道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學模型，該模型是～個具有混合離散變量有約束的非線性優(yōu)化問題，文中采用混合離散變量組合形法〔簡稱ＭＤＣＰ法〕對所建立的數(shù)學模型進行了求解，無需對目標函數(shù)求導，取得較好的效果。１９９３年，汪玉春【ｌ３】等人建立了輸氣管道優(yōu)化設(shè)計數(shù)學模型，采用廣義幾何規(guī)劃法〔ＳＣＰ〕進行了求解，得出較合理的優(yōu)化設(shè)計方案工藝參數(shù)；并根據(jù)所得工藝參數(shù)，設(shè)計了多個符合工程實際的可行性方案，再采用灰色關(guān)聯(lián)分析法進行綜合評價，從中優(yōu)選出最優(yōu)方案，到達“優(yōu)中選優(yōu)〞的目的。２００３年，黃善波等人‘１４１采用模擬退火算法對所建立的熱油管道優(yōu)化設(shè)計數(shù)學模型進行求解，計算結(jié)果說明，模擬退火算法在求解管道模型方面具有明顯的優(yōu)勢：方法簡單，計算效率高，可對全局進行搜索，且對初始點的依賴性不強，無需進行函數(shù)求導，而且能夠防止過早的局部收斂。但是文中數(shù)學模型的決策變量只有兩個管徑和保溫層厚度，沒有考慮加熱溫度與泵站揚程的影響。２００３年，高松竹、蔣忠等㈣采用免疫遺傳算法求解等溫輸油管道優(yōu)化數(shù)學模型，通過實例計算，說明該算法優(yōu)化效率高性能好，能夠應用在等溫輸油管道優(yōu)化設(shè)計問題。免疫遺傳算法是傳統(tǒng)遺傳算法與生命科學中免疫原理相結(jié)合得到的一種新算法，對求解非線性規(guī)劃問題有顯著效果。２００４年，高松竹、汪玉春等㈣將遺傳算法和模擬退火算法結(jié)合構(gòu)成一種混合遺傳算法對輸油管道優(yōu)化的運行進行了研究。實例計算說明，該混合遺傳算法具有較好的魯棒性、快速搜索和易收斂的特點，用該方法計算得到的動力損耗比用動態(tài)規(guī)劃法少３．５８％，第一章前苦證明該方法在輸油管道優(yōu)化運行中的有效性和實用性。２００５年，嚴宏東、汪玉春【１７】采用改進混沌綜合法求解所建立的熱油管道優(yōu)化設(shè)計數(shù)學模型，模型以年折合費用為目標函數(shù)。通過實例計算與其它優(yōu)化算法〔方案比較法、改進混沌法、復合形法〕的比照說明，采用該算法可降低設(shè)計本錢，減少工程投資，縮短設(shè)計時問。文中指出出站溫度對系統(tǒng)總投資影響較大，其變化會影響全線摩阻和熱能消耗等，進而引起其他參數(shù)的變化。２００７年，李科星等人【１８】建立了新的熱油管道優(yōu)化設(shè)計兩級階梯模型——年輸量模型與參數(shù)優(yōu)化模型。因為考慮到實際中年輸量會隨油田產(chǎn)量與市場需求的變化而變化，應用最正確平方逼近法確定管道的設(shè)計輸量，并用微粒群算法與混合離散變量隨機搜索法合成的混合微粒群算法求解參數(shù)優(yōu)化模型，實現(xiàn)了熱油管道的整體優(yōu)化設(shè)計。算例說明，該綜合算法得到熱油管道優(yōu)化設(shè)計方案比單一采用根本的微粒群算法、離散變量復合型法和離散變量隨機搜索法計算得到的方案的年費用更低，且考慮了年輸量變化的熱油管道優(yōu)化設(shè)計方案更符合工程實際。２００８年，支淑民、史培玉¨９】從降低輸油本錢和節(jié)省能耗的角度出發(fā)，以輸油運行費用最低為準那么，建立兩級階梯管道運行優(yōu)化模型并采用線性規(guī)劃法求解數(shù)學模型。通過對東辛輸油管線的大輸量試驗，確定泵機組與管路的最優(yōu)匹配和最優(yōu)輸油溫度，優(yōu)化了運行參數(shù)，制定了最正確運行方式。由上述的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以看出，輸油管道優(yōu)化可以分為兩種，一種是輸油管道的優(yōu)化運行問題，即對已經(jīng)建成運行的管道，優(yōu)化其操作參數(shù)，如進出站溫度和泵站揚程等，以尋求最低年運行費用為目標；另一種是輸油管道的優(yōu)化設(shè)計問題，即對一條還沒有建設(shè)的管道進行設(shè)計規(guī)劃，確定將建設(shè)管線的管徑、加熱站與泵站個數(shù)及位置，以及各站的進出站溫度和壓力，使按照此參數(shù)建設(shè)的管道能夠符合工藝要求，并且經(jīng)濟合理。后者根本上包含前者。傳統(tǒng)上講，以上兩種問題中包含三個問題：管徑的選取，全線輸油泵與管線的最優(yōu)匹配和輸油溫度確實定。輸油溫度確實定通常采用的最優(yōu)化方法有坐標輪換法、廣義梯度法和黃金分割法等；全線輸油泵與管線最優(yōu)匹配多采用動態(tài)規(guī)劃法、梯度法求解；管徑的選取多采用枚舉法、方案分析法，模糊數(shù)學分析法等比照評價方法。智能算法，如遺傳算法、免疫算法、模擬退火算法、微粒群算法、混沌算法等，由于其智能性，能夠?qū)@些問題做綜合考慮。采用最優(yōu)化算法，提高了設(shè)計計算效率和準確性，降低了設(shè)計投資，但是也存在不少缺點：應用這些最優(yōu)化方法，必然要對實際問題進行簡化處理，６中國石油大學〔華東〕碩ｆ：學位論文有的只對其中幾個因素進行優(yōu)化，考慮不全或者過于簡化；有的把問題分為幾個層次進行研究，忽略了各局部之間的聯(lián)系；有些算法本身存在缺陷，如動態(tài)規(guī)劃法進行多維計算時效率低、準確性差，遺傳算法、混沌算法、模擬退火算微粒群算法等由于采用隨機搜索方法，可能會陷入局部最優(yōu)解。１．４本文主要研究對象與內(nèi)容本文以無分支長輸管道為研究對象，輸送方式為埋地加熱輸送，對熱油管道系統(tǒng)主要參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。主要研究內(nèi)容如下〔１〕研究分析熱油管道優(yōu)化設(shè)計理論，建立輸油管道優(yōu)化數(shù)學模型；確定熱油管道最優(yōu)化設(shè)計方案，涉及管徑、管材、壁厚、各站的工作壓力、加熱溫度、加熱站數(shù)、泵站數(shù)及各站泵的組合等參數(shù)，在一系列相應的約束條件下的最優(yōu)組合。由于影響因素眾多，關(guān)系復雜，建立一個能夠真實反映熱油管道系統(tǒng)的數(shù)學模型是十分必要的。〔２〕選擇適宜的最優(yōu)化方法求解數(shù)學模型；由于輸油管道的優(yōu)化設(shè)計是一個具有非線性約束的非線性規(guī)劃問題，設(shè)計變量包括連續(xù)變量和離散變量，所以這種多變量的非線性規(guī)劃問題，用傳統(tǒng)的解析法一般不能求其精確解，應另外選擇適宜的最優(yōu)化方法。〔３〕開發(fā)熱油管道優(yōu)化設(shè)計軟件程序；〔４〕根據(jù)的參數(shù)優(yōu)化計算，確定管線優(yōu)化設(shè)計方案。第二章熱油管道優(yōu)化設(shè)計數(shù)學模型第二章２．１決策變量確實定熱油管道優(yōu)化設(shè)計數(shù)學模型熱油管道優(yōu)化設(shè)計的目的是在滿足約束條件的前提下，為完成規(guī)定任務(wù)輸量尋求最優(yōu)設(shè)計方案，確定熱油管道系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)，使得所建的管道系統(tǒng)的投資最小。影響管道系統(tǒng)投資的參數(shù)有以下幾類１２０￣２２】：〔１〕管道工藝參數(shù)有：管徑Ｄ：管徑Ｄ直接影響管材消耗投資與管道的鋪設(shè)費用，管徑Ｄ越大，管材消耗投資與管道的鋪設(shè)費用越大；管徑Ｄ間接影響到管道摩阻損失，管徑Ｄ越大，摩阻損失越大，所產(chǎn)生的動力費用變小，泵站數(shù)減少，泵站投資費降低。另外，管徑Ｄ還間接影響到熱力損耗，一定輸量下，管徑Ｄ越大，管內(nèi)的流速就越小，油品在管道內(nèi)停留的時間就越長，散熱越多，熱力費升高。因此管徑Ｄ的選取對熱油管道設(shè)計至關(guān)重要。管道壁厚ｔ：管道壁厚以主要影響管道承壓情況。管道外徑一定，壁厚?越大，管道承壓越大，設(shè)計壓力等級也就可以越高。加熱站進、出站溫度％ｆｚ：加熱站進、出站溫度，舟、ｔｚ直接影響整個管道的散熱狀態(tài)，進出站溫度ｔ尺、ｔｚ越高，全線溫度也就越高，與周圍土壤溫度差增大，管線散熱量增加，但是管道內(nèi)的油品粘度降低，全線摩阻損失減小，動力費用降低。因此加熱站進、出站溫度ｋｔｚ對全線運營費用起著舉足輕重的作用。加熱站進、出站溫度，只、ｔｚ之間存在一定的函數(shù)關(guān)系，受流量Ｇ、管徑Ｄ、管道總傳熱系數(shù)Ｋ、加熱站間距厶的影響。加熱站數(shù)ｎＲ、泵站數(shù)玎Ｒ：加熱站數(shù)，ｚ月、泵站數(shù)門只主要受水利條件、熱力條件的約束，應滿足全線動力損耗和熱力損耗的需要。保溫層厚度甌：保溫層厚度皖直接影響保溫層投資費用，保溫層厚度甌越大，投資費用越高；但是保溫層厚度皖主要影響管線散熱，保溫層厚度皖越大，管線熱損失越小，熱力費用減小。管線是否要保溫，需要通過經(jīng)濟性計算確定。泵站機組揚程Ｈｒ：泵站機組揚程Ｈｆ由原油輸量Ｇ和管路能量消耗Ⅳ所決定，而８中國石油大學〔華東〕碩上學位論文且要充分利用管道承壓能力。根據(jù)輸量和設(shè)計壓力等級的不同，泵站機組有不同的泵機組和方式，可以根據(jù)泵機組輸油泵型號和臺數(shù)靈活組合?！玻病秤推肺镄詤?shù)：油品的密度Ｐ、動力粘度∥、比熱容Ｃ等物性參數(shù)受溫度的影響比較明顯，都與溫度存在函數(shù)關(guān)系。加熱溫度就是通過影響這些物性參數(shù)來影響管道的運行狀態(tài)?！玻场乘?shù)：管道水力坡降ｆ、管線摩阻損失Ｈ受流量Ｇ、管徑Ｄ、管道運行溫度丁的影響。〔４〕熱力參數(shù)：管道總傳熱系數(shù)Ｋ受管徑Ｄ、保溫層厚度甌、管線埋深ｈ、管道內(nèi)油品的流動狀態(tài)影響?！玻怠吃O(shè)備參數(shù)：泵機組效率％、加熱爐效率刁月受流量Ｇ、設(shè)備型號以及組合方式影響?！玻丁辰?jīng)濟參數(shù)及其他參數(shù)：管材、保溫層、電力、燃料油、輸油泵、加熱爐等設(shè)備的價格參數(shù)是隨著市場變化的：管線沿線的水文參數(shù)和地形參數(shù)，管線總長度￡、年任務(wù)輸量Ｇ．Ⅳ、土壤性質(zhì)等都是不能改變的。以上各種參數(shù)中，工藝參數(shù)是管道優(yōu)化設(shè)計中的重要參數(shù)，在設(shè)計階段可由設(shè)計人員選擇，選擇原那么是：技術(shù)上可行，經(jīng)濟上合理；油品物性參數(shù)、水力參數(shù)、熱力參數(shù)和設(shè)備參數(shù)是隨著管道工藝參數(shù)變化而變化的；經(jīng)濟參數(shù)和其他參數(shù)是不能為設(shè)計人員所能選擇的。顯然，熱油管道優(yōu)化設(shè)計決策變量只能在管道的工藝參數(shù)中選擇。根據(jù)上述參數(shù)的特點，本文決定將管徑Ｄ，管壁厚度以、保溫層厚度甌、泵站數(shù)＂ｃ、加熱站站數(shù)門Ｒ、進站溫度，ｚ、泵站揚程日ｃ作為熱油管道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的決策變量。２．２模型假設(shè)條件一條熱油長輸管道系統(tǒng)主要由管線和站場兩大局部組成，站場主要包括首站、中間泵站與加熱站，管線可為保溫管線也可為不保溫管線。因熱油管道優(yōu)化設(shè)計問題比較復雜，影響的因素眾多，在不影響結(jié)論的前提下，為保證建立數(shù)學模型的工藝可行性和經(jīng)濟合理性，做出下述假設(shè)ｆ２３￣２６】：〔１〕熱油管道內(nèi)油品屬于一維單相〔液相〕均質(zhì)流動；〔２〕油品密度隨壓力變化微小，油品不可壓縮；９第一二章熱油管道優(yōu)化設(shè)計數(shù)學模型〔３〕采用密閉輸送流程，全線輸量Ｑ一致；〔４〕管道水力、熱力工況穩(wěn)定；〔５〕管道熱力計算忽略徑向溫度變化，只考慮軸向溫度變化；〔６〕］ＪＨ熱站等距布置，各加熱站站間管路沿線的地理地質(zhì)、熱力和水力條件相同；〔７〕各泵站泵機組配置情況相同；各站進站、出站壓力相等；〔８〕輸油泵使用電機驅(qū)動：加熱爐采用燃油直接加熱方式。２．３目標函數(shù)的建立目標函數(shù)必須是決策變量的可計算函數(shù)，是熱油管道設(shè)計經(jīng)濟指標的數(shù)學表達式，能夠用來評價設(shè)計方案的優(yōu)劣。因此，選擇一個好的目標函數(shù)對整個熱油管道優(yōu)化設(shè)計是十分重要的。正如前面所提到，熱油管道優(yōu)化設(shè)計的目的是在完成任務(wù)輸量下，尋求工藝上可行的設(shè)計參數(shù)，并使熱油管道的投資最少。長距離熱油管道由于運輸距離長，輸量大，管道建成投產(chǎn)后即全年連續(xù)運行，所消耗的管線根底建設(shè)投資費用和每年運營所消耗的燃料和動力費用都很大?？紤]到資金的時間價值問題，本文采用熱油管道系統(tǒng)的費用現(xiàn)值作為評價熱油管道系統(tǒng)經(jīng)濟性的指標，即將熱油管道系統(tǒng)的費用現(xiàn)值作為優(yōu)化設(shè)計數(shù)學模型中的目標函數(shù)。熱油管道系統(tǒng)的財務(wù)凈現(xiàn)值是指管道建設(shè)工程按石油管道運輸行業(yè)的基準收益率或設(shè)定的折現(xiàn)率ｆ，，將管道建設(shè)工程計算期內(nèi)各年的資會流量，包括管道建設(shè)期間內(nèi)的每年的建設(shè)投資和管道運行期間每年的運行投資，折現(xiàn)到管道建設(shè)期初的現(xiàn)值之和。它是考察熱油管道系統(tǒng)在計算期內(nèi)盈利能力的動態(tài)評價指標。費用現(xiàn)值的計算公式為：ＮＰＣ＝∑〔，。＋Ｇ－Ｓ礦－Ｗ〕，〔１＋ｆ。〕〞一１〔２－１〕式中：，。：第ｎ年的全部投資；Ｃ：：第ｎ年的經(jīng)營本錢；Ｓ礦：計算期末回收的固定資產(chǎn)余值；∥：計算期末回收的流動資金；Ⅳ：計算期或管道的壽命期；ｆｃ：行業(yè)基準收益率。ｌＯ中國石油人學〔華東〕碩Ｊｊ學位論文第船年的全部投資，。那么指管道建設(shè)期間的投資，包括熱油管道總基建投資和熱泵站的站場總投資。第胛年的經(jīng)營本錢Ｃ指的是每年的熱油管道所消耗的動力費用和燃料費用以及全部職工工資支出和其他費用。由此可以得出熱油管道優(yōu)化設(shè)計的目標函數(shù)為：ｍｉｎＰＣ：∑ｋ〔Ｌ＋乙〕〔１＋仃一＋蘭〔Ｃ—Ｃ２ｎ＋ｃ，?！场玻薄皬V〔２－２〕月＝ｌｎ＝ｋ式中尸Ｃ——熱油管道的費用現(xiàn)值，萬元；，。?！冢⒛隉嵊凸艿阑ㄍ顿Y，萬元；，：?！陂T年熱站、泵站站場投資，萬元；Ｃ。?！谒δ隉嵊凸艿赖碾娏M用，萬元／ａ；Ｃ：。——第刀年熱油管道的燃料費用，萬元／ａ；Ｃ，。——第刀年全部職工工資支出和其他費用，萬元／ａ；ｆｃ——行業(yè)投資收益率，?。希保??！玻薄碂嵊凸艿栏捉ㄔO(shè)投資〔，?！碂嵊凸艿馈埠貙印掣捉ㄔO(shè)投資，。包括管道投資費Ｓｇ和保溫層投資＆，其中管道投資Ｓ霉包括管道鋼材投資和管道鋪設(shè)附加投資，這兩局部都為管徑的函數(shù)；保溫層投資既包括保溫層本身投資及其鋪設(shè)附加投資。本文將保溫層的鋪設(shè)附加投資，折算到保溫層價格中，那么保溫層投資＆可按保溫層體積來計算?？捎檬健玻玻场尺M行計算。，ｌ＝Ｓｇ＋ＳｂＳｇ＝ｆ〔Ｄ，嚷〕＝上ｋ×１０?！玻玻场常樱叮剑妗玻?，甌〕＝￡砒〔Ｄ皖＋群ｘ１０‘４式中三——管道總長度，ｋｍ；Ｄ——管道外徑，ｍ；萬?！鼙诤穸?，ｍ；甌——保溫層厚度，ｍ；第一二章熱油管道優(yōu)化設(shè)計數(shù)學模型％——保溫層價格，包括保溫材料費用與保溫層鋪設(shè)費用，元／ｍ３；匕——每千米管道根底建設(shè)投資，元／〔ｋｍ〕。每千米管道根底建設(shè)投資ｋ為管徑Ｄ和壁厚ｔ的函數(shù)，可采用多項式回歸得到：ＹｇＬ＝ａｏ＋０１Ｄ＋ａ２以〔２—４〕ａｏ，ａＩ，ａ２——回歸系數(shù)。假設(shè)管道工程建設(shè)期為ｋ年，每年的熱油管道根底建設(shè)投資，，可以按照總投資的百分比ｑ，計算。Ｌ＝１１，ｑ，，ｆ＿ｌ～七〔２?５〕〔２〕加熱站與泵站的站場投資〔Ｊ『：〕加熱站和泵站的站場投資費用包括首站的建設(shè)投資、中間泵站的建設(shè)投資、加熱站的建設(shè)投資和術(shù)站建設(shè)投資可用式〔２．６〕表述。１２＝Ｓ昭＋〔ｒｌｃ一１〕Ｓｚｚ＋〔ｔ＂／月一１〕Ｓｅｅ＋Ｓ腕〔２－６〕式中＆——首站站場建設(shè)投資，萬元；ＳＺｚ——每座中間泵站站場建設(shè)投資，萬元；Ｓｅ，ｚ——每座加熱站站場建設(shè)投資，萬元；％——末站站場建設(shè)投資，萬元％——泵站數(shù)量；ｒ１只——加熱泵站數(shù)量。假設(shè)管道工程建設(shè)期為ｋ年，每年的泵站與加熱站的站場建設(shè)投資Ｉ，可以按照總投資的百分比ｇ，計算。１２，＝１２，ｑ，，ｆ＝１～七〔２－７〕〔３〕熱油管道年電力消消耗用〔Ｃ，〕熱油管道每年電力消消耗用〔Ｃ，〕可用式〔２－８〕表述：１２中國石油大學〔華東〕碩Ｌ學位論文ｃ?＝８．４×１。一４×ｇＧＰ弦Ｙｏ?羔ｔ＝１日ｃ．，式中Ｇ——所輸送油品的質(zhì)量流量，ｋｇ／ｓ；Ｈｏ——各個泵站所提供的揚程，ｍ；ｙＤ——電力價格，元／〔ｋＷ．ｈ〕；ｅ斥——機泵的綜合效率，為電機效率‰與泵效率７７尸的乘積?！玻础碂嵊凸艿廊剂嫌拖挠谩玻茫骸碂嵊凸艿烂磕甑娜剂嫌拖挠谩玻茫骸晨捎檬健玻玻埂潮硎觥玻玻浮常悖捍＝屑贤腿?弘式中仁９，紼，——各個加熱站的有效熱負荷，Ｊ／ｓ；Ｋ——燃料油價格，元／ｔ；ＢⅣ——燃料油最低發(fā)熱值，ｋＪ／ｋｇ；７７只——加熱爐效率。單座加熱站的有效熱負荷繞為：ＯＲ＝ｅＧｃ〔咖式中ｔＲ——加熱站出站溫度，℃；，：——加熱站進站溫度，℃；〔２－１０〕Ｃ何——所輸送原油比熱容，其隨油品溫度的變化而變化，Ｊ／〔ｋｇ?！妗场Ｔ捅葻崛蓦S溫度變化的趨勢如圖２．１所示，可以由析蠟點溫度毛、最大比熱容溫度Ｉ。。，將ｃ—Ｔ曲線分成三個區(qū)，分別可用下式計算：第一二章熱油管道優(yōu)化設(shè)計數(shù)學模型比熱容ｃ／ｋＪ／〔ｋｇ?℃〕看困＼％。囡溫度刀℃氏圖２．１油品比熱容．溫度曲線Ｆｉｇ２－１Ｔｈｅｃｕｒｙｅｏｆｔｈｅｏｉｌｓｐｅｃｉｆｉｃｈｅａｔｃａｐａｃｉｔｙ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ輪咒一墮囂業(yè)強＜丁＜ｔ。。，０＜丁＜疋。。，Ｃ＝４．１８６一Ａｅ盯Ｃ＝４．１８６一Ｂｅ〞７’〔２?１１〕式中Ｃ：油品的比熱容，ｋＪ／〔ｋｇ?℃〕：糾５：油品在１５＂Ｃ的相對密度；?。河推返臏囟龋妗ａ堋ⅲ拢撼?shù)，隨原油而不同，ｋＪ／〔ｋｇ?℃〕：刀、ｍ：常數(shù)，隨原油而不同，１／℃。ｌ區(qū)，油品溫度高于析蠟溫度強，在該溫度范圍內(nèi)，溫度升高，比熱容緩慢上升；２區(qū)，油品溫度在析蠟溫度砬和最大值的溫度Ｉ。。之間，該溫度范圍內(nèi)，因單位溫降的析蠟率逐漸增大，放出的潛熱多，故隨溫度降低，比熱容急劇上升。３區(qū)，油品溫度低于最大比熱容溫度瓦。。，該溫度范圍內(nèi)，因大局部蠟晶已經(jīng)析出，繼續(xù)降溫時，單位溫降的析蠟率逐漸減小，故隨油溫降低，比熱容又逐漸下降。為保證熱油管道的平安，一般要求管道進站溫度都高于原油凝點，而大多原油的最大比熱容溫度ｔ。。都低于原油凝點，因此，計算時只考慮比熱容在１區(qū)和２區(qū)內(nèi)的變化情況即可。此外，油品比熱容也可通過實驗室數(shù)據(jù)采用多項式回歸求得：ｃ〔，〕＝∑口，，‘〔江ｏ，１，２…〕〔２—１２〕１４中國石油大學〔華東〕碩．｝ｊ學位論文式中ａ，為回歸系數(shù)。〔５〕其他費用Ｃ，其他費用包括全部職工工資、福ｇＪ，ｕ管線維修費用等。２．４管徑規(guī)格初選模型建設(shè)熱油管道所用的鋼管應該符合現(xiàn)行國家標準?石油天然氣工業(yè)輸送鋼管交貨技術(shù)條件第１局部：Ａ級鋼管?〔ＧＢ／Ｔ９７１１．１〕?，F(xiàn)行生產(chǎn)的管道規(guī)格比較多，根據(jù)管材、管徑、壁厚等不同，管徑規(guī)格有上千種之多。設(shè)計時，不可能把所有的管徑都進行計算比照，因此應初選出幾種管徑進行設(shè)計。根據(jù)工藝要求和經(jīng)驗，可利用設(shè)計流量、設(shè)計壓力與經(jīng)濟流速對管徑進行初選，同時鋼管還應受最小壁厚和管道剛度的約束。在鋼管外徑相同的情況下，壁厚也厚，管材消耗越大，因此從根底建設(shè)中的管道投資來講，壁厚越小越好；壁厚越小，那么管線內(nèi)徑越大，有達西公式可知，管線內(nèi)的摩阻損失越小，因此從能耗來講，壁厚越小越好；有上述總傳熱系數(shù)計算中可知，壁厚僅對油流至管內(nèi)壁的放熱系數(shù)口。產(chǎn)生影響，壁厚越小，口．越小，而管線總傳熱系數(shù)Ｋ就越小，因此從管道散熱損耗來講，壁厚越小越好。２．４．１管道壁厚度約束條件由輸油管道工程設(shè)計標準可知，輸油管道的鋼管管壁厚度應不小于最小壁厚【３７】，即：嚷≥瓦ＰＤ〔２－１３〕式中Ｐ——設(shè)計壓力，ＭＰａ；，——設(shè)計系數(shù)，根據(jù)設(shè)計標準，輸油站外一般地段?。埃罚?；矽——焊縫系數(shù)；盯?！摴茏畹颓姸?，ＭＰａ。２．４．２管道的剛度約束條件管道的剛度應滿足運輸、施工和運行時的要求。鋼管的外直徑Ｄ與其壁厚萬。的比值不應大于１４０１３７１。＿Ｄ≤１４０〔２－１４〕６９第一二章熱油管道優(yōu)化設(shè)計數(shù)學模型２．４．２經(jīng)濟流速約束條件假設(shè)設(shè)計輸量一定，管道的管線投資費用會隨著管徑的增大而增大，但是相應的泵站數(shù)以及其投資會減少，同時管道的輸油動力費用也會下降，因此綜合管道建設(shè)投資和動力費，設(shè)計輸量必然對應著一個經(jīng)濟效益較好的經(jīng)濟流速。根據(jù)大量管道設(shè)計計算結(jié)果和運行實踐，前人總結(jié)出了長距離輸管道經(jīng)濟流速的變化范圍，一般為１．０～２．０ｍ／ｓ。但是經(jīng)濟流速范圍會因國家不同和時間的推移有所變化。目前我國對ＤＮ３００～７００ｍｍ的含蠟原油管道，一般設(shè)計時取流速１，＝１．５～２．０ｍ／ｓ，液化石油氣管道可取Ｏ．８～１．４ｍ／ｓ，但考慮到因輸送介質(zhì)與管道摩擦使液體溫度升高而需要進行冷卻的能耗，最大流速不應超過３．０ｍ／ｓ。因此，本文中經(jīng)濟流速取１．５～３．０ｒｎ／ｓ。１．５≤等ｎ０〔２－１５〕刀訂式中Ｑ——油品體積流量，ｍ３／ｓ；ｄ——管道內(nèi)徑，ｍ。綜上所述，可得到管徑規(guī)格初選模型：〔Ｄ，ｍｉｎｔ〕，ｆ＝１，２，…萬。≥』生６ｊＨ巾６ｓ—Ｄ≤１４０〔２－１６〕Ｊｇ１．５ｓ蘭望＝≤３．０式中：ｍｉｎ?——在管道規(guī)格中相對應于Ｄ的最小管徑。２．５約束條件的建立實際工程設(shè)計中的變量參數(shù)都是有一定的取值范圍的，變量參數(shù)的取值范圍有的是受到自然條件或者變量自身性質(zhì)限制，有的是與之相關(guān)的參數(shù)受到某些約束。與模型目標函數(shù)一樣，模型約束條也是用決策變量的函數(shù)來表示的。對于熱油管道設(shè)計優(yōu)化問題來講，主要約束條件有管道強度約束條件、水力約束條件、熱力約束條件和泵站特性約束條件等。２．５．１管道強度約束條件為保證熱油管道運行工作的平安，要求管道強度能夠滿足管道在最大壓力下的工作１６中國石油大學〔華東〕碩上學位論文要求，通常泵站的出口處，管道所受壓力最大，即每座泵站的出站壓頭Ｈｄ應等于或者小于管道允許的最大工作壓力【以一】，即：／－／ｄ＝Ｈ。＋日，一Ａｈｃ≤【Ｈｄ一】〔２－１７〕‰。。】＝２．０４ｘ１０５式中ｊＰ２０〔絲Ｄ－Ｌ２３９〕〔２—１８〕ⅣＪ——泵站的出站壓頭，ｍ；日，——泵站所提供的揚程，ｍ；Ⅳ，——泵站的進站壓頭，ｍ；△見——泵站內(nèi)摩阻損失，ｍ；【日ｄ。。卜一管道允許最大工作壓頭，ｍ；Ｆ——設(shè)計系數(shù)，根據(jù)設(shè)計標準，輸油站外一般地段?。埃罚玻晃缚p系數(shù)；盯?！摴茏畹颓姸?，ＭＰａ：ｄ——管道內(nèi)經(jīng)，ｍ；仍ｏ——原油２０℃的密度，ｋｇ／ｍ３；Ｄ——管道外徑，ｍ；２．５．２泵站特性約束條件目前長距離輸油管道上常用的是離心泵機組。對于固定轉(zhuǎn)速的離心泵，可以通過泵樣本手冊上的揚程、排量數(shù)據(jù)，采用最小二乘法回歸泵的特性方程，為便于長距離輸油管道工藝計算的應用，可近似的表示為：日＝口一６Ｑ２－坍式中日：離心泵揚程，ｍ液柱；Ｑ：離心泵排量，ｍ３／ｈ；口，ｂ：常數(shù)，由揚程、排量數(shù)據(jù)，由最小二乘法回歸得到；聊：由流態(tài)所決定的常數(shù)?！玻玻保埂常保返诙聼嵊凸艿纼?yōu)化設(shè)計數(shù)學模型長距離輸油管道，為了完成任務(wù)輸量，泵站一般都將多臺相同型號的泵〔一般不多于四臺〕串聯(lián)或者并聯(lián)組合成泵機組工作?？捎呻x心泵的組合特點求的泵站特性。〔１〕假設(shè)泵站由Ｐ臺泵串聯(lián)組合而成，通過每臺泵的排量相等，即為該泵站排量；泵站揚程為各泵揚程之和，那么串聯(lián)泵站特性方程為：Ｈ。＝∑Ｈ，＝ｐ?口一ｐ?ｂＱ２〞〔２－２０〕〔２〕假設(shè)泵站有Ｐ臺泵并聯(lián)組合而成，每臺泵的揚程相等，即為該泵站揚程；泵站排量為每臺泵排量之和，那么并聯(lián)泵站特性方程為：恥Ⅲ阿〞高效流量范圍內(nèi)：億２?，離心泵的效率排量成曲線變化，為了能充分利用離心泵效率，任務(wù)輸量應該在泵站Ｑｍ。≤Ｑ≤甌。式中紼。?！酶咝^(qū)最小流量，ｍ３／ｓ；Ｑ。——泵高效區(qū)最大流量，ｍ３／ｓ。〔２－２２〕當離心泵進口壓力過低時，會引起輸油泵汽蝕現(xiàn)象，因此還應對泵站入１３壓力進行限制：Ｈ。加≤Ｈ，≤日～式中日。?！x心泵最小允許吸入壓力，ｍ；〔２－２３〕Ⅳ。。——離心泵最大允許吸入壓力，ｍ。由以上可得泵站機組特性約束條件為：ＪＨ。＝Ｐ?日一Ｐ?ｂＱ卜〞Ｈｃ＝Ｈｅ，１恥Ⅲ防〞中國石油人學〔華東〕碩上學位論文２．５．３熱力約束條件２．５．３．１加熱站出站溫度加熱站出站溫度受原油物性、瀝青防腐層和輸油管道的平安三方面的影響１３７１?！玻薄吃臀镄裕杭僭O(shè)加熱站出站溫度過高，超過原油初餾點溫度，原油中輕餾份汽化，導致離心泵入口壓力過低，無法正常吸入，引起離心泵汽蝕，輸油管道運行的平安性和平穩(wěn)性就受到影響。因此，加熱站出站溫度，尺應小于初餾點溫度?！玻病碁r青防腐層：目前熱油管道多使用瀝青防腐層和聚氨醋泡沫塑料保溫層。瀝青防腐層有一定的耐熱能力，假設(shè)加熱站出站溫度過高，會導致瀝青層軟化流淌，而且容易老化，從而使管線的使用壽命大大減少。因此，加熱站出站溫度，月應該受瀝青防腐層的耐熱溫度范圍的影響。〔３〕管道的運行平安：加熱輸油管道運行時，管道溫度比施工時要高很多，有時因方案或者事故需要停輸時，會引起管線溫度下降，這些溫度變化所產(chǎn)生溫差應力會影響到管道強度，進而影響到管線的平安運營。因此，加熱站出站溫度，旯應在溫度應力允許的范圍之內(nèi)。由上述可知，對加熱輸油管道來說，原油出站溫度ｌＲ應予以一定的約束，即：【，月曲】≤，Ｒ＜【，Ｒ一】〔２．２５〕式中【，尺砌卜一管道允許的最低出站溫度，℃；【，月。。卜一管道允許的最高出站溫度，℃。２．５．３．２加熱站進站溫度加熱站進站溫度，ｚ可以由出站溫度，尺和加熱站間距計算得到：ｔｚ＝〔Ｔｏ＋６〕＋【，月一〔瓦＋６〕】Ｐ一吐〔２－２６〕一般加熱站進站溫度要通過經(jīng)濟分析束確定。而原油溫度在凝固點附近，原油粘度變化比較大，故加熱站進站溫度常常略高于凝固點溫度；在方案停輸或者事故停輸時，為留有適當?shù)耐］斣賳訒r間，要有足夠的溫降空間。因此，為確保輸油管線的運行平安，原油進站溫度應不小于原油凝固點溫度。ｔｚ≥【，ｚ。ｉ?！俊玻病玻贰常保沟诙聼嵊凸艿纼?yōu)化設(shè)汁數(shù)學模型式中【ｆｚ。ｉ?！俊艿涝试S的最低進站溫度，一般為原油凝固點溫度，℃。２．５．４水力約束條件由能量平衡原理可知，為確保完成熱油管道系統(tǒng)給定的任務(wù)輸量，全線泵站所提供總揚程應大于或者等于該任務(wù)輸量下管路所需的總壓頭損失，管路所需的總壓頭損失包括全線沿程摩阻損失、局部摩阻損失、熱站和泵站內(nèi)的摩阻損失與高程差。以ｆ日ｆ≥口，刀月ｈ｜Ｒ＋刀ＲｚＸｈ．Ｒ＋刀ｒＡｈｃ＋△Ｚ〔２—２８〕式中：口。——考慮管路沿線閥門、彎頭等所產(chǎn)生的局部摩阻而乘的附加系數(shù)，一般局部摩阻按沿程摩阻的２％計算，即口．＝１．０２；△％——加熱站站內(nèi)壓頭損失，ｍ；么縱——泵站站內(nèi)壓頭損失，ｍ；彳Ｚ——管路終點與起點高差，ｍ：ｈＲ——加熱站站間管路的沿程摩阻損失，ｍ。２．６熱油管道優(yōu)化設(shè)計數(shù)學模型綜上所述，建立熱油管道優(yōu)化設(shè)計數(shù)學模型為：ｒａｉｎＰＣ＝∑〔乇＋，２。〕〔１＋ｆ?！敞暎啤玻茫桑剩悖病＃茫?。Ｘ１＋ｆｃ〕１＝∑ｑＪ￡ｋ×ｌＯ。４＋￡萬〔％＋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＋蘭／８ｅｆｃ：ｉ¨３舵４枷氣去‰ｉ＝１城卜廣Ｉ－ｊｌｌＲｂＨ１〔２—２９〕２０中國杠油大學〔華東〕碩仁學位論文胛〔、Ｈ〔．≥口，，２月ｈ月＋ｒｌＲＡｈ．Ｒ＋，ｔＡｈｆ’＋ＡＺＰＨｃ＋Ｈｓ—Ａｈｃ≤—二－一｛汐２０【ｒＲ?！俊?，月＜【，尺一】ｔｚ≥【ｔｚ。ｊ１１］〔２—３０〕ＱｍｉＩｌ≤Ｑ≤Ｑ。。Ｈ。ｍ｜ｎ≤Ｈ，｜ＳＨｓｍ。串聯(lián)Ｈｆ＝∑Ｈ，＝Ｅａ－ＺｂＱ２〞并聯(lián)Ⅳｆ＝口一６〔號］扣〞２．７本章小結(jié)本章首先通過對熱油管道系統(tǒng)各種參數(shù)的分析，確定將管徑Ｄ，管壁厚度萬。、保溫層厚度甌、泵站數(shù)％、加熱站站數(shù)〞月、進站溫度，ｚ、泵站揚程日ｃ作為熱油管道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的決策變量。在不影響結(jié)論的前提下，提出熱油管道優(yōu)化設(shè)計假設(shè)條件。從資金時間價值的角度考慮，將熱油管道的根底建設(shè)費用、熱泵站根底建設(shè)費用和管道運行中的電力費用、燃料費用和管理費用，利用行業(yè)內(nèi)部收益率折算為管道建設(shè)初期的費用現(xiàn)值作為熱油管道優(yōu)化設(shè)計模型的目標函數(shù)；利用管道壁厚約束條件、管道剛度約束條件和經(jīng)濟流速約束條件建立了管徑規(guī)格初選模型；以管道強度約束、泵站特性約束、熱力約束和水利約束作為優(yōu)化設(shè)計模型的約束條件，從而建立了熱油管道優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學模型。２ｌ第三章熱油管道優(yōu)化設(shè)計數(shù)學模型求解第三章熱油管道優(yōu)化設(shè)計數(shù)學模型求解３．１選擇優(yōu)化算法對本文所建立的熱油管道優(yōu)化設(shè)計數(shù)學模型進行分析可知，決策變量有７個，管徑Ｄ、壁厚６。、保溫層厚度甌、泵站數(shù)％、加熱站數(shù)聆月、進站溫度ｆｚ、泵站揚程Ⅳｃ，其中經(jīng)過管徑初選模型將管徑Ｄ和壁厚萬。合并成一個變量，那么管徑Ｄ與泵站揚程Ｈｒ為非等間距離散變量，保溫層厚度甌、泵站數(shù)仇，與加熱站數(shù)胛。為等問距離散變量，進站溫度，，為連續(xù)變量。約束條件中，泵站特性為等式約束條件，管道強度約束、水力約束和熱力約束條件都為非線性約束。因此，所建立的熱油管道優(yōu)化設(shè)計數(shù)學模型為混合離散變量非線性約束優(yōu)化設(shè)計問題。所建立的熱油管道優(yōu)化設(shè)計數(shù)學模型比較復雜，對目標函數(shù)求解一階偏導數(shù)比較困難，約束函數(shù)也無法轉(zhuǎn)化為較簡單的線性約束函數(shù)，因此需要尋找一種比較適宜的優(yōu)化方法來求解?？紤]到約束為非線性約束，如果采用非線性規(guī)劃方法，因非線性規(guī)劃方法處理的對象為連續(xù)變量，需要將問題中的離散變量處理成連續(xù)變量，優(yōu)化計算出最優(yōu)結(jié)果后再搜索該點最近的可行離散點。這種處理方法可行性強且簡便，但是對于多峰值問題，搜索到的離散點不一定為優(yōu)化問題的最優(yōu)解，可能是次峰值附近的離散點。因本模型計算比較復雜，如果采用網(wǎng)絡(luò)法對變量進行窮舉計算，計算量比較龐大。對于這種變量較多且變量種類也比較多的優(yōu)化問題，近期開展起來的一些智能算法對其有較好的適應性，其中遺傳算法是一種多點并行計算優(yōu)化方法，能夠有效的防止這種情況的發(fā)生，因此，本文采用遺傳算法對所建立的熱油管道優(yōu)化設(shè)計數(shù)學模型求解。３．２遺傳算法根本概念遺傳算法是由生物進化論〔適者生存，優(yōu)勝劣汰遺傳機制〕和遺傳學演化開展起來的一種隨機化搜索方法。１９７５年，由美國的Ｊ．Ｈｏｌｌａｎｄ教授首先提出【４ｌ】，現(xiàn)在己被人們廣泛地應用于機器學習、模型識別、人工生命、信號處理、自適應控制、組合優(yōu)化和管道線路優(yōu)化等領(lǐng)域。遺傳算法為現(xiàn)代智能計算開創(chuàng)了新的思路和技術(shù)【４２￣４３１。不同于