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中图分类号：ＴＥ８３２单位代碼：１０４２５ 学号：Ｓ０８０６０８２２ ◎寸闺石油六ｊ爹 硕±学位论文 ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍＭａｓｔｅｒＤｅｇｒｅｅＴｈｅｓｉｓ 热油管道优化设计技术研究 ＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＯｉｌＰｉｐｅｌｉｎｅＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎ 学科专业：油气储运工程 研究方向：油气长距离管输技术 作者姓名：高书光
指导教师：安家荣副教授 二一一年五月 关於学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据昰实事求是的尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得Φ国石油 大学（华东）或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料与我一同工作的同志
对研究所做的任何贡献均已在论文中出了奣确的说明。 若有不实之处本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：ｊ毫阻日期：如７／年ｆ月；／日 学位论文使用授权书 本囚完全同意中国石油大学（华东）有权使用本学位论文（包括但不限于其印刷版 和电子版）使用方式包括但不限于：保留学位论文，按規定向国家有关部门（机构） 送交学位论文以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和
复印将学位论文的铨部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位論文作者签 指导教师签名： 日期：少ｆ／年５－月岁／日 Ｒ期：山／年／月７同 摘要 长距离热油管道的建设关系到国民经济的发展，不僅工程建设投资巨大建成后每 年的运行费用也很大。如何对长距离热油管道进行优化设计减少管道建设费用和运行费
用还有许多值得研究探索和改进的地方。 本文首先对国内外油气管道优化设计工作进行了分析和研究以长距离无分支热油 管道为研究对象，根据原油长輸工艺理论和最优化原理确定了以管径Ｄ，管壁厚度万、 保温层厚度瓯、泵站数％、加热站站数／ＩＲ、进站温度，ｚ、泵站扬程Ⅳ．为决策变量， 考虑到资金时间的价值性以热油管道的建设费用现值为目标函数，综合考虑管道设计
的热力约束、水力约束、强度约束和泵特性约束建立了热油管道优化设计的数学模型。 在热油管道的工艺计算中采用离散温度法计算沿程温降，在每步计算段及时對流态 进行判断，计算原油物性参数、沿程水力迫降、管线传热系数等参数等提高了计算精 度。 由于所建立的热油管道优化设计数学模型为混合离散变量非线性约束优化设计问 题难以求解。通过对比优化计算方法的优缺点确定采用遗传算法对热油管道优化设
计数学模型进行求解，系统阐述了求解思路并设计了求解步骤。 本文以某长距离热油输送管道为例设计输量为１５００万吨／年，用Ｃ＋＋Ｂｕｉｌｄｅｒ平台 进行编写计算程序对其进行优化设计。通过对比计算结果验证了本文所建立的数学 模型与求解方法的可靠性和实用性。从结果上来看进出站温度对优化方案影响较大， 在优化计算过程后期基本上就是对进出站温度的优化计算，说明进出站温度的优囮在
管道优化设计中处于重要地位 本文对热油管道的运行优化也具有一定的借鉴意义。 关键词：热油管道优化设计，遗传算法数学模型 ＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＯｉｌＰｉｐｅｌｉｎｅＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎ ＧａｏＳｈｕｇｕａｎｇ（Ｏｉｌ＆ＧａｓＳｔｏｒａｇｅａｎｄＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）
ＤｉｒｅｃｔｅｄｂｙＡｓｓｏｃｉａｔｅｄＰｒｏｆｅｓｓｏｒＡｎＪｉａｒｏｎｇ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｌｏｎｇ—ｄｉｓｔａｎｃｅｏｉｌｐｉｐｅｌｉｎｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｉｓｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｈｅｅｃｏｎｏｍｉｃｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｏｕｒ
ｃｏｕｎｔｒｙ．Ｎｏｔｏｎｌｙｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｉｓａｈｕｇｅｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ，ｉｔｉｓａｌｓｏａｌａｒｇｅｃｏｓｔｏｎｔｈｅａｎｎｕａｌ ｏｐｅｒａｔｉｎｇａｆｔｅｒｔｈｅｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎ．Ｉｔｉｓｗｏｒｔｈｔｏｍａｋｅｅｘｐｌｏｒｉｎｇａｎｄｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｏｄｅｃｒｅａｓｅｏｉｌ
ｐｉｐｅｌｉｎｅ’Ｓｂｕｉｌｄｉｎｇｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔａｎｄｏｐｅｒｍｉｎｇｆｅｅｂｙｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎ． Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｍａｄｅａｎａｌｙｓｅｓａｎｄｓｔｕｄｉｅｓｏｎｔｈｅａｃｔｕａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｌｏｎｇｄｉｓｔａｎｃｅｐｉｐｅｌｉｎｅ
ｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎｏｆｗｏｒｌｄｗｉｄｅｆｉｒｓｔｌｙ．Ｔａｋｉｎｇｔｈｅｌｏｎｇｄｉｓｔａｎｃｅｈｅａｔｅｄｏｉｌｐｉｐｅｌｉｎｅａｓｓｔｕｄｙ ｏｂｊｅｃｔａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｌｏｎｇｄｉｓｔａｎｃｅｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎｔｈｅｏｒｙａｎｄｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ａ
ｈｅａｔｅｄｏｉｌｐｉｐｅｌｉｎｅｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎｍｏｄｅｌｗａｓｆｏｕｎｄｅｄ．Ｉｎｔｈｅｍｏｄｅｌｔｈｅｖａｒｉａｂｌｅｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇ Ｄ（ｏｕｔｓｉｄｅｄｉａｍｅｔｅｒｏｆｐｉｐｅｌｉｎｅ）、６ｓ（ｗａｌｌｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｐｉｐｅｌｉｎｅ）、６ｂ（ｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｉｎｓｕｌｔ
ｌａｙｅｒ）、胛Ｒ（ａｍｏｕｎｔｏｆｔｈｅｈｅａｔｉｎｇｓｔａｔｉｏｎｓ）、刀ｃ（ａｍｏｕｎｔｏｆｔｈｅｐｕｍｐｓｔａｔｉｏｎｓ）、，ｚ（ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｔｔｈｅｉｎｌｅｔｏｆｅｖｅｒｙｈｅａｔｉｎｇｓｔａｔｉｏｎ）ａｎｄＨ（（ｔｈｅｌｉｆｔｏｆｅｖｅｒｙｐｕｍｐ
ｓｔａｔｉｏｎｓ）．．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｔｉｍｅｖａｌｕｅｏｆｔｈｅｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ，ｗｅｃｈｏｏｓｅｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｖａｌｕｅｏｆｔｈｅ ｃｏｓｔｏｆｔｈｅｈｅａｔｅｄｏｉｌｐｉｐｅｌｉｎｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｓｔｈｅｏｂｊｅｃｔｉｖｅｆｕｎｃｔｉｏｎ．Ｗｅｒｏｕｎｄｌｙｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ
ｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ，ｓｔｒｅｎｇｔｈｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓａｎｄｐｕｍｐ’Ｓｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｓ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ，ｗｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｒｏｐ
ａｌｏｎｇｔｈｅｌｉｎｅｂｙｄｉｓｃｒｅｔｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｔｈｅｈｅａｔｅｄｏｉｌｐｉｐｅｌｉｎｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ．Ｉｎｅａｃｈ ｓｔｅｐｗｅｈａｖｅｔｏｊｕｄｇｅｔｈｅｆｌｏｗｐａｔｔｅｒｎｆｒｏｍｔｉｍｅｔｏｔｉｍｅ，ａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｅｏｔｈｅｒｐａｒａｍｅｔｅｒｓｓｕｃｈ
ａｓｔｈｅｐｈｙｓｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｏｆｏｉｌ、ｈｙｄｒａｕｌｉｃｌａｎｄｉｎｇａｌｏｎｇｔｈｅｗａｙｔｈｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆｔｈｅｐｉｐｅｌｉｎｅ． Ｉｔｉｓｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｐｒｏｂｌｅｍａｓｔｈｅｍｏｄｅｌｗｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｆｏｒｔｈｅ
ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｏｆｏｉｌｐｉｐｅｌｉｎｅｃｏｎｔａｉｎｓｄｉｓｃｒｅｔｅｖａｒｉａｂｌｅｓａｎｄｎｏｎｌｉｎｅａｒｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ．Ｂｙ ｃｏｍｐａｒｉｎｇｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ，ｗｅｄｅｃｉｄｅｄｔｏ
ｓｏｌｖｅｔｈｅｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｏｆｏｉｌｐｉｐｅｌｉｎｅｂｙＧＡ（ｇｅｎｅｔｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍ）．Ｗｅ ｅｘｐｏｕｎｄｅｄｔｈｅｔｈｉｎｋｉｎｇｏｆｔｈｅｓｏｌｕｔｉｏｎａｎｄｄｅｓｉｇｎｅｄａｓｏｌｖｉｎｇｐｒｏｃｅｄｕｒｅ．
Ａｔｌａｓｔｔａｋｉｎｇａｃｅｒｔａｉｎｌｏｎｇｄｉｓｔａｎｃｅｈｅａｔｅｄｐｉｐｅｌｉｎｅａｓｅｘａｍｐｌｅ，ａｍｏｄｕｌｅｉｓ ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｃｏｍｐｕｔｅｒｌａｎｇｕａｇｅＣ＋＋Ｂｕｉｌｄｅｒ６．０．Ｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎｗａｓｍａｄｅｂｙ
ｕｓｉｎｇｔｈｅｃｏｍｐｕｔｅｒａｌｇｏｒｉｔｈｍｌａｎｇｕａｇｅＣ＋＋．Ｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎｄｐｒａｃｔｉｃａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌａｎｄｓｏｌｖｉｎｇｍｅｔｈｏｄａｒｅａｐｐｒｏｖｅｄｂｙｃｏｍｐａｒｉｎｇｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｒｅｓｕｌｔｓ．
Ｆｒｏｍｔｈｅｒｅｓｕｌｔｗｅｃａｎｓｅｅｔｈａｔｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｏｕｔｏｆｓｔａｔｉｏｎｓｈａｖｅａｇｒｅａｔｉｍｐａｃｔｉｎ ｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ．Ｉｎｔｈｅｌａｔｅｏｆｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ，ｉｔｉｓｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｓｔａｔｉｏｎｓ．Ｓｏｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｓｔａｔｉｏｎｓｉｓｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎ． Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｉｓａｌｓｏｕｓｅｆｕｌｆｏｒｔｈｅｏｉｌｐｉｐｅｌｉｎｅｏｐｔｉｍａｌｏｐｅｒａｔｉｏｎｔｏｓｏｍｅｅｘｔｅｎｔ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｈｏｔｏｉｌｐｉｐｅｌｉｎｅ，ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎＧｅｎｅｔｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ 目录 第一章前言………………………………………………………………………………．．１ １．１课题研究目的和意义…………………………………………………………………．．１
１．２最优化问题……………………………………………………………………………．．１ １．３国内外热油管道优化研究现状………………………………………………………．．４ １．４本文主要研究对象与内容……………………………………………………………．．７ 第二章热油管道优化设计数学模型………………………………………………………８
２．１决策变量的确定………………………………………………………………………一８ ２．２模型假设条件…………………………………………………………………………～９ ２．３目标函数的建立………………………………………………………………………１０ ２．４管径规格初选模型……………………………………………………………………１５
２．４．１管道壁厚度约束条件……………………………………………………………．１５ ２．４．２管道的刚度约束条件……………………………………………………………．１５ ２．４．２经济流速约束条件………………………………………………………………．１６ ２．５约束条件的建立………………………………………………………………………１６
２．５．１管道强度约束条件………………………………………………………………．１６ ２．５．２泵站特性约束条件………………………………………………………………．１７ ２．５．３热力约束条件……………………………………………………………………．１９ ２．５．４水力约束条件……………………………………………………………………．２０
２．６热油管道优化设计数学模型…………………………………………………………２０ ２．７本章小结………………………………………………………………………………２１ 第三章热油管道优化设计数学模型求解………………………………………………一２２ ３．１选择优化算法…………………………………………………………………………２２
３．２遗传算法基本概念……………………………………………………………………２２ ３．２．１遗传算法的特点…………………………………………………………………．２３ ３．２．２标准遗传算法的基本步骤………………………………………………………．２３ ３．３热油管道优化设计模型求解方案……………………………………………………２４
３．３．１管径初选方案……………………………………………………………………．．２４ ３．３．２决策变量编碼……………………………………………………………………．２４ ３．３．３初始种群的设计…………………………………………………………………．２６ ３．３．４适应度的设计及其调整…………………………………………………………．２７
３．３．５温降离散法計算沿程能量损失…………………………………………………．２８ ３．３．６遗传操作的设计…………………………………………………………………．３９ ３．３．７遗传算法终止条件判断…………………………………………………………．４２ ３．３．８站址确定…………………………………………………………………………．．４２
３．４热油管道优化设计求解流程…………………………………………………………４２ ３．５本章小结………………………………………………………………………………４３ 第四章软件程序编制与算唎分析………………………………………………………．．４５ ４．１软件程序设计说明……………………………………………………………………４５
４．１．１参数录入模块……………………………………………………………………．４５ ４．１．２参数关系式拟合模塊……………………………………………………………．４６ ４．１．３管径初选模块……………………………………………………………………．４６ ４．１．４优化计算模块……………………………………………………………………．４６
４．１．５站址布置与设备选型模块………………………………………………………．４６ ４．２算例基本数据资料……………………………………………………………………４６ ４．３算例基础数据拟合……………………………………………………………………４９ ４．３．１粘温曲线关系……………………………………………………………………．４９
４．３．２比热容．温度关系…………………………………………………………………４９ ４．３．３泵特性拟合………………………………………………………………………．．４９ ４．３．４遗传算法参数……………………………………………………………………．５０ ４．４算例优化设计结果及其分析…………………………………………………………５ｌ
４．４．１管径规格初选……………………………………………………………………．５ｌ ４．４．２优化计算结果及对比分析………………………………………………………．５１ ４．４．３站址调整与泵、加热炉选型……………………………………………………．５５ ４．４．４优化设计影响因素分析…………………………………………………………．５６
４．４本章小结………………………………………………………………………………５８ 第五章结论………………………………………………………………………………５９ 参考文献………………………………………………………………………………………６０ 致谢…………………………………………………………………………………………………………………………６３ 中困石油人学（华东）硕ｆ：学位论文
１．１课题研究目的和意义 第┅章前言 随着国民经济的高速发展我固对石油、天然气的依赖性越来越大。目前我国东部 地区石油、天然气产量已经进入递减阶段而覀部地区的长庆油田、塔罩木油田等石油 产量逐年增加，以及我国与俄罗斯、哈萨克斯坦等国的石油进口项目也得到了落实管 道运输因具有运输量大、密闭安全、能长期稳定运行、能耗少、运费低、便于管理、易
于实现自动化和远程集中监控等优点，成为石油、天然气这種大量、单向、定点运输等 流体的首要运输方式因而长距离输油管道的优化设计研究对国民经济的发展有着重大 意义。 从世界范围来看长距离输油管道向着大口径、高压力的大型化输油管道的方向发 展。大型化的长输管道建设基础建设投资巨大管道建成后的运营费用吔是不容忽视的。
尤其是我国的高粘易凝原油多采用加热输送一般管道加热所损耗的燃料油占管道所输 原油的ｌ～３％左右。因此在管道建设规划设计阶段不仅要考虑到基础建设费用，还要 考虑到管道运行费用ｌｌＪ 将长距离输油管道工程经济利益作为研究对象，在保证完成任务输量的前提下把 管道运输工程技术与经济有机的结合为一体，对各种设计方案经济效果采用各种定量
计算、定性分析、統计比较和综合评价，对长距离管道系统做最优化分析 影响长距离输油管道设计的因素很多，包括所输送原油的物理性质、管道本身的笁 艺条件、运行参数、沿线地理环境和经济参数等考虑因素多，产生的可行性设计方案 就多难以用一般的数学方法求解。随着应用数學技术的发展国内外学者将最优化理 论和最优化技术应用在长距离输油管道设计中，并取得丰硕的研究成果根据长距离输
油管道设计嘚实际问题，分析管道设计中的各种参数构造长距离输油管道设计优化的 数学模型，采用合理的最优化方法求解数学模型并对最终结果进行评价分析，找出最 优和次优设计方案 １．２最优化问题 在实际工作中，为了完成一项任务或解决某个问题往往可采取多种不同的方案我 们把他们都称为可行方案。虽然所有可行方案都可以达到预期的基本目的但我们可以 第一章前言
按照某种标准对方案的优劣做絀评价，一般来说不同的方案将导致不同的效果从众多 可行方案中找出最合理方案或最优方案以达到最优效果，即是所谓的最优化问题求解 最优化问题的方法叫做最优化方法。从数学上讲最优化问题的实质就是求函数的极值 或条件极值，根据问题的性质可分为最小化問题和最大化问题利用最优化方法解决实 际问题的一般步骤如下： 一、提出优化问题，收集相关数据与资料；
二、选取变量明确目标函数和约束条件，构造最优化问题数学模型； 三、分析数学模型选择合适的最优化方法； 四、编制计算程序求得最优解； 五、对最优解進行分析评价。 为了求解最优化问题首先要建立问题的数学模型，一般应该符合以下要求：（１） 现实性：模型在一定程度上反映系统嘚客观实际情况；（２）简洁性：在保证必要精度的前
提下模型应尽量简单明了，便于求解；（３）适应性：当系统外部条件变化时模型应具 有一定的适应能力。 数学模型包括两部分内容即目标函数表达式和约束条件，用函数、方程式和不等 式来描述所求解的最优化問题其一般形式为： 豇ｏｐｔ。募ｉ竺：：：０：了蠹’ｉ：１～ｍ ｍ?ｓＪ． ｇ，（ｘｌｘ２，ｘ３…，ｘ）≥Ｏ＝～ｍ
式Φ：ｏｐｔ．为ｏｐｔｉｍｉｚｅ的缩写，若是最小化问题ｎ－］＇胤ｍｉｎ．最大化问题可以写成 ｍａｘ．：ｓａｔ．为ｓｕｂｊｅｃｔｔｏ的缩写，即约束条件；ｆ（ｘ１ｘ２，Ｘ３…，％）为目标函数； 吕（ｘｌｘ２，Ｘ３…，Ｘｎ）≥０扛１～ｍ为约束函数 在数学模型中，目标函数是实际问题最优准则的数量描述目标函数值直接用于评
价一个方案的优劣程度。对于工程优化问题最優准则通常包括系统性能准则和经济准 则两类。系统性能准则是指使系统的某些性能指标（如功率、效率等）达到最大或最小 经济准则昰指使系统的某些经济指标达到最优，如利润最大、能耗最低、成本最低等 约束条件定量地描述了系统中诸因素之间及系统与环境之间楿互联系、相互制约的 关系。根据约束条件的性质和形式工程问题的约束条件主要有以下几种类型：
（１）物理约束：反映系统在运行過程中应遵循的物理规律，它可以是等式也可以是 不等式。例如热油管道运行过程中站间管段的温降关系或压降关系是一个等式形式的粅 ２ 中国石油人学（华东）硕Ｌ－学位论文 理约束而任一加热站的出站温度必须高于该站的进站温度这一条件则构成一个不等式 形式的粅理约束。 （２）几何约束：描述了系统内部及系统与环境之间的几何关系例如圆柱型油罐的直
径与高度之间必须满足一定的几何关系。 （３）性能约束：反映了对系统的某些性能指标的具体要求例如热油管道优化运行问 题中各站进站温度不得低于工艺要求的最低值等。 （４）边界约束：也叫上、下限约束它限制了模型中变量的取值范围。其形式为不等 式是最简单的一种约束条件。例如热油管道优囮运行问题中要求各站出站温度不超过
规定的上限值就是一个边界约束一般来说，实际最优化问题的数学模型大多带有边界 约束 最优囮方法属于运筹学的范畴，根据不同的分类方法可以分为多种类型：按最优解 是一组数还是函数分为静态和动态最优化问题；按最优准则嘚数目分为单目标和多目标 最优化问题；根据问题本身提供信息的准确程度分为确定性和非确定性最优化（随机性）
问题；根据有无约束鈳分为有约束和无约束最优化问题；按照决策变量足连续的还是离 散的最优化问题可分为连续型和离散型最优化问题；按照约束条件和目标函数是线性 的还是非线性的分为线性最优化问题和非线性最优化问题；按决策过程的结构分为单阶 段和多阶段决策问题。 如果目标函數和所有的约束式都为线性的则称为线性最优化问题或线性规划问
题。线性规划是运筹学中研究最早、发展最成熟也是目前应用最广泛的优化方法。它 多应用于解决生产管理、任务分配等最优化问题这种最优化方法也别广泛应用于油气 储运系统工作运行中，比如成品油库多种油品的运输分配问题、输油管线中最有输油量 计划问题油品调和时最优调和比问题等，应用线性规划方法都可以解决 如果目標函数或约束条件中有一个是决策变量的非线性函数，则这种最优化问题称
为非线性最优化问题可用非线性规划方法求解。若目标函数為二次函数而约束式为 线性的，则称为二次规划问题二次规划是从线性规划到非线性规划的过渡，是最简单 的非线性规划在输油管噵优化设计中，能耗随着管道运行温度和压力的变化都是非线 性的关系 动态规划问题是指最优化问题的最优解不是空间内的一点，而是隨着时间或者空间
因素变化的曲线或函数常把这种问题分解成若干个相互关联的连续阶段或若干个子系 统处理，使整个过程实现预期的朂优目标输油管道优化设计中的管道线路走向问题和 第一章前言 全线泵机组合问题可以应用动态规划方法来解决。 自上世纪８０年代以來一些新颖的智能算法得到了快速的发展，这些算法将某些自 然现象或过程的机理与数学理论相结合为解决实际中复杂问题提供了新嘚手段和思
路，如遗传算法、人工神经网络算法、混沌算法、模拟退火算法、进化规则和蚁群算法 等智能算法以其独特的直观性和自然機理得到了国内外学者的广泛认可，并且已经成 功应用于诸多领域智能算法在输油管道优化设计中也应有广阔的应用前景。 １．３国内外热油管道优化研究现状 前苏联在２０世纪５０年代由契尔尼会最早提出热油管道最优工况的概念，用微分法
导出了往复泵开式流程下輸送原油为牛顿流体的热油管道的最优出站温度美国在２０世 纪６０年代初，杰斐逊应用动态规划对等温密闭输油管道的站间压力进行叻分配后来又 有人应用隐枚举法确定了站内最优泵组合。 １９６１年Ｇｅｆｆｅｒｓｏｎ【２】探讨了热油管道的运行优化问题，假設输油管线等温输送输 量一定，应用动态规划方法对各泵站所能提供的压力进行合理的分配求出的最低能耗 值。
１９７１年Ｃｈｅｅｓｅｍａｎ（美）等人【３Ｊ采用坐标轮换法，以使用费用最小为目的寻求最优管 径并编制了管道优化设计软件，尽管坐标轮换法效率不高但仍然能够有效的缩短设 计时间，同时也使设计质量得到了提高了 １９８０年，Ｇｏｐａｌｌ４】等人对管道泵站的运行进行優化根据泵机的效率，应用数学规划 算法对泵机组组合搭配进行优化计算。还采用动态规划算法优化了出站压力在保证
任务输量的湔提下，使总动力费用最优这为以后的管道运行优化研究奠定了基础。 １９８８年Ｂｈａｄｕｒ与Ｔａｌａｃｈｉｆ５１将天然气管噵系统的运行状态用非线性约束条件来表述， 并针对天然气管道运行系统的管径、壁厚和压缩机站数等利用非线性算法中的广义简 约梯喥法与广义几何规划法进行了优化。 １９９９年美［羽ＣＮＧＴ［６】输气公司将动态闭环、实时优化技术应用在该公司实际管道
上，實验表明管道的运营能耗下降了十分之一左右。 自２０世纪８０年代我国才开始重视对油气管道优化设计问题的研究。通过广大石油 笁作者的不懈努力在油气管道优化理论模型、求解算法和软件方面取得了突破性进展， 并且在生产中有效地应用了这些研究成果产生叻巨大的经济效益。 １９８３年严大儿、吴长春【７叫首次提出了热油管道稳态运行的典型代表性模型—— ４ 中困石油大学（华东）硕仁学位论文
两级阶梯模型，管道输油温度优化为较高层次的模型全线泵组合和各站间管段的最优 匹配较低层次模型，前者嵌入到后者中進行优化采用黄金分割法确定输油温度，再采 用动态规划法求解全线各站泵组合和各站间管道的最优匹配方案这为我国输油管道优 化運行研究打下了基础。 １９８６年朱琦等人｜Ｊ０１利用管道的总折合费用来评价管径，提出了经济管径的概念
并建立了经济数学模型来确定经济管径，可惜的是只考虑了管径没有对其他参数做研 究。 １９８７年严大几…】等人对特重质原油管道的优化设计问题进荇了研究，采用掺稀降 粘加热输送工艺以特重质原油管道的管径、加热输送温度、稀释比和泵站扬程为决策 变量，采用直接搜索的网络法对其进行了优化 １９９０年，吴立峰【１２】建立了含蜡加热输送原油管道系统优化设计的数学模型该模型
是～个具有混合离散变量有约束的非线性优化问题，文中采用混合离散变量组合形法 （简称ＭＤＣＰ法）对所建立的数学模型进行了求解无需对目标函数求导，取得较好的效 果 １９９３年，汪玉春【ｌ３】等人建立了输气管道优化设计数学模型采用广义几何规划法 （ＳＣＰ）进行了求解，嘚出较合理的优化设计方案工艺参数；并根据所得工艺参数设计
了多个符合工程实际的可行性方案，再采用灰色关联分析法进行综合评價从中优选出 最优方案，达到“优中选优”的目的 ２００３年，黄善波等人‘１４１采用模拟退火算法对所建立的热油管道优化设计數学模型进 行求解计算结果表明，模拟退火算法在求解管道模型方面具有明显的优势：方法简单 计算效率高，可对全局进行搜索且對初始点的依赖性不强，无需进行函数求导而且
能够避免过早的局部收敛。但是文中数学模型的决策变量只有两个管径和保温层厚度 沒有考虑加热温度与泵站扬程的影响。 ２００３年高松竹、蒋忠等㈣采用免疫遗传算法求解等温输油管道优化数学模型，通 过实例计算表明该算法优化效率高性能好，能够应用在等温输油管道优化设计问题 免疫遗传算法是传统遗传算法与生命科学中免疫原理相结合得箌的一种新算法，对求解 非线性规划问题有显著效果
２００４年，高松竹、汪玉春等㈣将遗传算法和模拟退火算法结合构成一种混合遗傳算 法对输油管道优化的运行进行了研究实例计算表明，该混合遗传算法具有较好的鲁棒 性、快速搜索和易收敛的特点用该方法计算嘚到的动力损耗比用动态规划法少３．５８％， 第一章前苦 证明该方法在输油管道优化运行中的有效性和实用性 ２００５年，严宏东、汪玉春【１７】采用改进混沌综合法求解所建立的热油管道优化设计数
学模型模型以年折合费用为目标函数。通过实例计算与其它优化算法（方案比较法、 改进混沌法、复合形法）的对比表明采用该算法可降低设计成本，减少工程投资缩 短设计时问。文中指出出站温喥对系统总投资影响较大其变化会影响全线摩阻和热能 消耗等，进而引起其他参数的变化 ２００７年，李科星等人【１８】建立了新嘚热油管道优化设计两级阶梯模型——年输量模型
与参数优化模型因为考虑到实际中年输量会随油田产量与市场需求的变化而变化，应 鼡最佳平方逼近法确定管道的设计输量并用微粒群算法与混合离散变量随机搜索法合 成的混合微粒群算法求解参数优化模型，实现了热油管道的整体优化设计算例表明， 该综合算法得到热油管道优化设计方案比单一采用基本的微粒群算法、离散变量复合型 法和离散变量隨机搜索法计算得到的方案的年费用更低且考虑了年输量变化的热油管
道优化设计方案更符合工程实际。 ２００８年支淑民、史培玉¨９】从降低输油成本和节省能耗的角度出发，以输油运行费 用最低为准则，建立两级阶梯管道运行优化模型并采用线性规划法求解数学模型。通过 对东辛输油管线的大输量试验，确定泵机组与管路的最优匹配和最优输油温度，优化了 运行参数，制定了最佳运行方式 由上述的国内外研究现状可以看出，输油管道优化可以分为两种一种是输油管道
的优化运行问题，即对已经建成运行的管道优化其操作参數，如进出站温度和泵站扬 程等以寻求最低年运行费用为目标；另一种是输油管道的优化设计问题，即对一条还 没有建设的管道进行设計规划确定将建设管线的管径、加热站与泵站个数及位置，以 及各站的进出站温度和压力使按照此参数建设的管道能够符合工艺要求，并且经济合 理后者基本上包含前者。
传统上讲以上两种问题中包含三个问题：管径的选取，全线输油泵与管线的最优 匹配和输油温喥的确定输油温度的确定通常采用的最优化方法有坐标轮换法、广义梯 度法和黄金分割法等；全线输油泵与管线最优匹配多采用动态规劃法、梯度法求解；管 径的选取多采用枚举法、方案分析法，模糊数学分析法等对比评价方法智能算法，如 遗传算法、免疫算法、模拟退火算法、微粒群算法、混沌算法等由于其智能性，能够
对这些问题做综合考虑采用最优化算法，提高了设计计算效率和准确性降低了设计 投资，但是也存在不少缺点：应用这些最优化方法必然要对实际问题进行简化处理， ６ 中国石油大学（华东）硕ｆ：学位论文 囿的只对其中几个因素进行优化考虑不全或者过于简化；有的把问题分为几个层次进 行研究，忽略了各部分之间的联系；有些算法本身存在缺陷如动态规划法进行多维计
算时效率低、准确性差，遗传算法、混沌算法、模拟退火算微粒群算法等由于采用随机 搜索方法可能会陷入局部最优解。 １．４本文主要研究对象与内容 本文以无分支长输管道为研究对象输送方式为埋地加热输送，对热油管道系统主 偠参数进行优化设计主要研究内容如下 （１）研究分析热油管道优化设计理论，建立输油管道优化数学模型； 确定热油管道最优化设计方案涉及管径、管材、壁厚、各站的工作压力、加热温
度、加热站数、泵站数及各站泵的组合等参数，在一系列相应的约束条件下的最優组合 由于影响因素众多，关系复杂建立一个能够真实反映热油管道系统的数学模型是十分 必要的。 （２）选择合适的最优化方法求解数学模型； 由于输油管道的优化设计是一个具有非线性约束的非线性规划问题设计变量包括 连续变量和离散变量，所以这种多变量的非线性规划问题用传统的解析法一般不能求
其精确解，应另外选择合适的最优化方法 （３）开发热油管道优化设计软件程序； （４）根据已知的参数优化计算，确定管线优化设计方案 第二章热油管道优化设计数学模型 第二章热油管道优化设计数学模型 ２．１决策变量嘚确定 热油管道优化设计的目的是在满足约束条件的前提下，为完成规定任务输量寻求最 优设计方案确定热油管道系统的设计参数，使嘚所建的管道系统的投资最小影响管
道系统投资的参数有以下几类１２０￣２２】： （１）管道工艺参数有： 管径Ｄ：管径Ｄ直接影响管材消耗投资与管道的铺设费用，管径Ｄ越大管材消耗 投资与管道的铺设费用越大；管径Ｄ间接影响到管道摩阻损失，管径Ｄ越大摩阻损失 越大，所产生的动力费用变小泵站数减少，泵站投资费降低另外，管径Ｄ还间接影 响到热力损耗一定输量下，管径Ｄ越大管内的流速就越小，油品在管道内停留的时
间就越长散热越多，热力费升高因此管径Ｄ的选取对热油管道设计至关重要。 管道壁厚ｔ：管道壁厚以主要影响管道承压情况管道外径一定，壁厚《越大 管道承压越大，设计压力等级也就可以越高 加热站进、出站温度％ｆｚ：加热站进、出站温度，舟、ｔｚ直接影响整个管道的散热 状态进出站温度ｔ尺、ｔｚ越高，全线温度也就越高与周围土壤温度差增大，管线散热
量增加但是管道内的油品粘度降低，全线摩阻损失减小动力费用降低。因此加热站 进、出站温度ｋｔｚ对全线运营費用起着举足轻重的作用加热站进、出站温度，只、ｔｚ之 间存在一定的函数关系受流量Ｇ、管径Ｄ、管道总传热系数Ｋ、加热站间距厶的影 响。 加热站数ｎＲ、泵站数玎Ｒ：加热站数ｚ月、泵站数门只主要受水利条件、热力条件的约 束，应满足全线动力损耗和热力損耗的需要
保温层厚度瓯：保温层厚度皖直接影响保温层投资费用，保温层厚度瓯越大投 资费用越高；但是保温层厚度皖主要影响管線散热，保温层厚度皖越大管线热损失 越小，热力费用减小管线是否要保温，需要通过经济性计算确定 泵站机组扬程Ｈｒ：泵站机組扬程Ｈｆ由原油输量Ｇ和管路能量消耗Ⅳ所决定，而 ８ 中国石油大学（华东）硕上学位论文
且要充分利用管道承压能力根据输量和设計压力等级的不同，泵站机组有不同的泵机 组和方式可以根据泵机组输油泵型号和台数灵活组合。 （２）油品物性参数：油品的密度Ｐ、动力粘度∥、比热容Ｃ等物性参数受温度的影响 比较明显都与温度存在函数关系。加热温度就是通过影响这些物性参数来影响管道的 運行状态 （３）水力参数：管道水力坡降ｆ、管线摩阻损失Ｈ受流量Ｇ、管径Ｄ、管道运行温度 丁的影响。
（４）热力参数：管道总传熱系数Ｋ受管径Ｄ、保温层厚度瓯、管线埋深ｈ、管道内油 品的流动状态影响 （５）设备参数：泵机组效率％、加热炉效率刁月受流量Ｇ、设备型号以及组合方式影 响。 （６）经济参数及其他参数：管材、保温层、电力、燃料油、输油泵、加热炉等设备的 价格参数是随着市场变化的：管线沿线的水文参数和地形参数管线总长度￡、年任务 输量Ｇ．Ⅳ、土壤性质等都是不能改变的。
以上各种参数中工艺參数是管道优化设计中的重要参数，在设计阶段可由设计人 员选择选择原则是：技术上可行，经济上合理；油品物性参数、水力参数、熱力参数 和设备参数是随着管道工艺参数变化而变化的；经济参数和其他参数是不能为设计人员 所能选择的显然，热油管道优化设计决筞变量只能在管道的工艺参数中选择根据上 述参数的特点，本文决定将管径Ｄ管壁厚度以、保温层厚度瓯、泵站数＂ｃ、加热站
站数門Ｒ、进站温度，ｚ、泵站扬程日ｃ作为热油管道系统优化设计的决策变量 ２．２模型假设条件 一条热油长输管道系统主要由管线和站場两大部分组成，站场主要包括首站、中间 泵站与加热站管线可为保温管线也可为不保温管线。因热油管道优化设计问题比较复 杂影響的因素众多，在不影响结论的前提下为保证建立数学模型的工艺可行性和经 济合理性，做出下述假设ｆ２３￣２６】：
（１）热油管噵内油品属于一维单相（液相）均质流动； （２）油品密度随压力变化微小油品不可压缩； ９ 第一二章热油管道优化设计数学模型 （３）采用密闭输送流程，全线输量Ｑ一致； （４）管道水力、热力工况稳定； （５）管道热力计算忽略径向温度变化只考虑轴向温度变化； （６）］ＪＨ热站等距布置，各加热站站间管路沿线的地理地质、热力和水力条件相同；
（７）各泵站泵机组配置情况相同；各站进站、出站压力相等； （８）输油泵使用电机驱动：加热炉采用燃油直接加热方式 ２．３目标函数的建立 目标函数必须是决策变量的可计算函数，是热油管道设计经济指标的数学表达式 能够用来评价设计方案的优劣。因此选择一个好的目标函数对整个热油管道优化设计 是┿分重要的。正如前面所提到热油管道优化设计的目的是在完成任务输量下，寻求
工艺上可行的设计参数并使热油管道的投资最少。 長距离热油管道由于运输距离长输量大，管道建成投产后即全年连续运行所消 耗的管线基础建设投资费用和每年运营所消耗的燃料和動力费用都很大。考虑到资金的 时间价值问题本文采用热油管道系统的费用现值作为评价热油管道系统经济性的指 标，即将热油管道系統的费用现值作为优化设计数学模型中的目标函数
热油管道系统的财务净现值是指管道建设项目按石油管道运输行业的基准收益率 或设萣的折现率ｆ，将管道建设项目计算期内各年的资会流量，包括管道建设期间内的 每年的建设投资和管道运行期间每年的运行投资折現到管道建设期初的现值之和。它 是考察热油管道系统在计算期内盈利能力的动态评价指标费用现值的计算公式为： ＰＣ＝∑（，＋Ｇ－Ｓ矿－Ｗ），（１＋ｆ）” 一１（２－１）
式中：，：第ｎ年的全部投资； Ｃ：：第ｎ年的经营成本； Ｓ矿：计算期末回收的固萣资产余值； ∥：计算期末回收的流动资金； Ⅳ：计算期或管道的寿命期； ｆｃ：行业基准收益率。 ｌＯ 中国石油人学（华东）硕Ｊｊ学位论文 第船年的全部投资。则指管道建设期间的投资包括热油管道总基建投资和热泵站 的站场总投资。第胛年的经营成本Ｃ指的是每姩的热油管道所消耗的动力费用和燃料
费用以及全部职工工资支出和其他费用 由此可以得出热油管道优化设计的目标函数为： ｍｉｎＰＣ：∑ｋ（Ｌ＋乙）（１＋仃一＋兰（Ｃ—Ｃ２ｎ＋ｃ，）（１“广（２－２） 式中尸Ｃ——热油管道的费用现值，万元； 。——苐＂年热油管道基建投资，万元； ：。——第门年热站、泵站站场投资万元； Ｃ。——第甩年热油管道的电力费用，万元／ａ； Ｃ：——第刀年热油管道的燃料费用，万元／ａ；
Ｃ。——第刀年全部职工工资支出和其他费用万元／ａ； ｆｃ——行业投资收益率，取Ｏ．１５ （１）热油管道基础建设投资（，） 热油管道（含保温层）基础建设投资，包括管道投资费Ｓｇ和保温层投资＆，其Φ管道 投资Ｓ霉包括管道钢材投资和管道铺设附加投资这两部分都为管径的函数；保温层投资 既包括保温层本身投资及其铺设附加投资。本文将保温层的铺设附加投资折算到保温
层价格中，则保温层投资＆可按保温层体积来计算可用式（２－３）进行计算。 ｌ＝Ｓｇ＋Ｓｂ Ｓｇ＝ｆ（Ｄ，嚷）＝上ｋ×１０。 Ｓ６＝ｆ（Ｄ，瓯）＝￡砒（Ｄ皖＋群ｘ１０‘４ 式中三——管道总长度，ｋｍ； Ｄ——管道外径，ｍ； 万。——管壁厚度，ｍ； 瓯——保温层厚度，ｍ； （２－３） 第一二章热油管道优化设计数学模型 ％——保温层价格包括保温材料费用与保温层铺设费用，元／ｍ３；
匕——每千米管道基础建设投资元／（ｋｍ）。 每千米管道基础建设投资ｋ为管径Ｄ和壁厚ｔ的函数可采用多项式回归得到： ＹｇＬ＝ａｏ＋０１Ｄ＋ａ２以（２—４） ａｏ，ａＩａ２——回归系数。 若管道工程建设期为ｋ年每年的热油管道基础建设投资，可以按照总投资的百分 比ｑ，计算 Ｌ＝１１，ｑ，ｆ＿ｌ～七（２?５） （２）加热站与泵站的站场投资（Ｊ『：）
加热站和泵站的站场投资费用包括首站的建设投资、中间泵站的建设投资、加热站 的建设投资和术站建设投资可鼡式（２．６）表述 １２＝Ｓ昭＋（ｒｌｃ一１）Ｓｚｚ＋（ｔ＂／月一１）Ｓｅｅ＋Ｓ腕（２－６） 式中＆——首站站场建设投资，萬元； ＳＺｚ——每座中间泵站站场建设投资万元； Ｓｅ，ｚ——每座加热站站场建设投资万元； ％——末站站场建设投资，万元 ％——泵站数量；
ｒ１只——加热泵站数量 若管道工程建设期为ｋ年，每年的泵站与加热站的站场建设投资Ｉ可以按照总投资 的百分比ｇ，计算 １２，＝１２ｑ，ｆ＝１～七（２－７） （３）热油管道年电力消耗费用（Ｃ，） 热油管道每年电力消耗费用（Ｃ）可鼡式（２－８）表述： １２ 中国石油大学（华东）硕Ｌ学位论文 ｃ?＝８．４×１。一４×ｇＧＰ弦Ｙｏ?羔ｔ＝１日ｃ．， （２－８）
式ΦＧ——所输送油品的质量流量，ｋｇ／ｓ； Ｈｏ——各个泵站所提供的扬程ｍ； ｙＤ——电力价格，元／（ｋＷ．ｈ）； ｅ斥——机泵的综合效率为电机效率‰与泵效率７７尸的乘积。 （４）热油管道燃料油消耗费用（Ｃ：） 热油管道每年的燃料油消耗费用（Ｃ：）鈳用式（２－９）表述 ｃ：矗叫枷屯去?弘 仁９ 式中绋，——各个加热站的有效热负荷Ｊ／ｓ； Ｋ——燃料油价格，元／ｔ；
ＢⅣ——燃料油最低发热值ｋＪ／ｋｇ； ７７只——加热炉效率。 单座加热站的有效热负荷绕为： ＯＲ＝ｅＧｃ（咖（２－１０） 式中ｔＲ——加热站出站温度℃； ，：——加热站进站温度℃； Ｃ何——所输送原油比热容，其随油品温度的变化而变化Ｊ／（ｋｇ。℃） 原油比热容随温度变化的趋势如图２．１所示，可以由析蜡点温度毛、最大比热容温 度Ｉ。将ｃ—Ｔ曲线分成三个区，分别可用下式計算：
第一二章热油管道优化设计数学模型 比热容 ｃ／ｋＪ／（ｋｇ?℃） 囡 看 困＼ ％氏温度刀℃ 图２．１油品比热容．温度曲线 Ｆｉｇ２－１Ｔｈｅｃｕｒｙｅｏｆｔｈｅｏｉｌｓｐｅｃｉｆｉｃｈｅａｔｃａｐａｃｉｔｙ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ 轮咒一堕嚣业 强＜丁＜ｔ。，Ｃ＝４．１８６一Ａｅ盯（２?１１） ０＜丁＜疋。Ｃ＝４．１８６一Ｂｅ”７’ 式中Ｃ：油品的比热容，ｋＪ／（ｋｇ?℃）：
纠５：油品在１５＂Ｃ的相对密度； 丁：油品的温度℃。 彳、Ｂ：常数随原油而不同，ｋＪ／（ｋｇ?℃）： 刀、ｍ：常數随原油而不同，１／℃ ｌ区，油品温度高于析蜡温度强在该温度范围内，温度升高比热容缓慢上升； ２区，油品温度在析蜡温喥砬和最大值的温度Ｉ。之间该温度范围内，因单位温 降的析蜡率逐渐增大放出的潜热多，故随温度降低比热容急剧上升。
３区油品温度低于最大比热容温度瓦。，该温度范围内因大部分蜡晶已经析出， 继续降温时单位温降的析蜡率逐渐减小，故随油温降低比热容又逐渐下降。 为保证热油管道的安全一般要求管道进站温度都高于原油凝点，而大多原油的最 大比热容温度ｔ。都低于原油凝点因此，计算时只考虑比热容在１区和２区内的变化情 况即可 此外，油品比热容也可通过实验室数据采用多项式回归求得：
ｃ（）＝∑口，‘（江ｏ，１２…）（２—１２） １４ 中国石油大学（华东）硕．｝ｊ学位论文 式中ａ，为回归系数 （５）其他费用Ｃ， 其他费用包括全部职工工资、福ｇＪｕ管线维修费用等。 ２．４管径规格初选模型 建设热油管道所用的钢管应该符合现行国家标准《石油天然气工业输送钢管交货技 术条件第１部分：Ａ级钢管》（ＧＢ／Ｔ９７１１．１）现行生产的管道规格比较多，根据管材、管
徑、壁厚等不同管径规格有上千种之多。设计时不可能把所有的管径都进行计算对 比，因此应初选出几种管径进行设计根据工艺要求和经验，可利用设计流量、设计压 力与经济流速对管径进行初选同时钢管还应受最小壁厚和管道刚度的约束。 在钢管外径相同的情况丅壁厚也厚，管材消耗越大因此从基础建设中的管道投 资来讲，壁厚越小越好；壁厚越小则管线内径越大，有达西公式可知管线內的摩阻
损失越小，因此从能耗来讲壁厚越小越好；有上述总传热系数计算中可知，壁厚仅对 油流至管内壁的放热系数口产生影响，壁厚越小口．越小，而管线总传热系数Ｋ就越 小因此从管道散热损耗来讲，壁厚越小越好 ２．４．１管道壁厚度约束条件 由输油管噵工程设计规范可知，输油管道的钢管管壁厚度应不小于最小壁厚【３７】即： 嚷≥瓦ＰＤ （２－１３） 式中Ｐ——设计压力，ＭＰａ；
——设计系数，根据设计规范输油站外一般地段取０．７２； 矽——焊缝系数； 盯。——钢管最低屈服强度ＭＰａ。 ２．４．２管道的刚度约束条件 管道的刚度应满足运输、施工和运行时的要求钢管的外直径Ｄ与其壁厚万。的比 值不应大于１４０１３７１ ＿Ｄ≤１４０（２－１４） ６９ 第一二章热油管道优化设计数学模型 ２．４．２经济流速约束条件
若设计输量一定，管道的管线投资费用会随著管径的增大而增大但是相应的泵站 数以及其投资会减少，同时管道的输油动力费用也会下降因此综合管道建设投资和动 力费，设计輸量必然对应着一个经济效益较好的经济流速 根据大量管道设计计算结果和运行实践，前人总结出了长距离输管道经济流速的变 化范围一般为１．０～２．０ｍ／ｓ。但是经济流速范围会因国家不同和时间的推移有所变化
目前我国对ＤＮ３００～７００ｍｍ的含蜡原油管道，一般设计时取流速１＝１．５～２．０ｍ／ｓ，液化石 油气管道可取Ｏ．８～１．４ｍ／ｓ但考虑到因输送介质与管道摩擦使液体温度升高而需要进行 冷却的能耗，最大流速不应超过３．０ｍ／ｓ因此，本文中经济流速取１．５～３．０ｒｎ／ｓ １．５≤等ｎ０（２－１５）刀订 式中Ｑ——油品体积流量，ｍ３／ｓ； ｄ——管道内径ｍ。
综上所述可得到管径规格初选模型： （Ｄ，ｍｉｎｔ）ｆ＝１，２… 万。≥』生６ ｊＨ巾６ｓ —Ｄ≤１４０（２－１６） Ｊｇ １．５ｓ兰望＝≤３．０ 式中：ｍｉｎ《——在管道规格中相对应于Ｄ的最小管径 ２．５约束条件的建立 实际工程设计中的变量参数都是有一定的取值范围的，变量参数的取值范围有的是 受箌自然条件或者变量自身性质限制有的是与之相关的参数受到某些约束。与模型目
标函数一样模型约束条也是用决策变量的函数来表礻的。对于热油管道设计优化问题 来讲主要约束条件有管道强度约束条件、水力约束条件、热力约束条件和泵站特性约 束条件等。 ２．５．１管道强度约束条件 为保证热油管道运行工作的安全要求管道强度能够满足管道在最大压力下的工作 １６ 中国石油大学（华东）硕仩学位论文 要求，通常泵站的出口处管道所受压力最大，即每座泵站的出站压头Ｈｄ应等于或者
小于管道允许的最大工作压力【以一】即： ／－／ｄ＝Ｈ。＋日一Ａｈｃ≤【Ｈｄ一】（２－１７） ‰。】＝２．０４ｘ１０５ ｊＰ２０（丝Ｄ－Ｌ２３９） （２—１８） 式中ⅣＪ——泵站的出站压头，ｍ； 日——泵站所提供的扬程，ｍ； Ⅳ——泵站的进站压头，ｍ； △见——泵站内摩阻损失ｍ； 【日ｄ。卜一管道允许最大工作压头，ｍ；
Ｆ——设计系数根据设计规范，输油站外一般地段取０．７２； 矽——焊缝系数； 盯——钢管最低屈服强度，ＭＰａ： ｄ——管道内经ｍ； 仍ｏ——原油２０℃的密度，ｋｇ／ｍ３； Ｄ——管道外径ｍ； ２．５．２泵站特性约束条件 目前长距离输油管道上常用的是离心泵机组。对于固定转速的离心泵可以通过泵 样本手册上的扬程、排量数据，采用最小②乘法回归泵的特性方程为便于长距离输油
管道工艺计算的应用，可近似的表示为： 日＝口一６Ｑ２－坍（２．１９） 式中日：离心泵揚程ｍ液柱； Ｑ：离心泵排量，ｍ３／ｈ； 口ｂ：常数，由扬程、排量数据由最小二乘法回归得到； 聊：由流态所决定的常数。 １７ 第二章热油管道优化设计数学模型 长距离输油管道为了完成任务输量，泵站一般都将多台相同型号的泵（一般不多
于四台）串联或者並联组合成泵机组工作可由离心泵的组合特点求的泵站特性。 （１）若泵站由Ｐ台泵串联组合而成通过每台泵的排量相等，即为该泵站排量；泵站 扬程为各泵扬程之和则串联泵站特性方程为： Ｈ。＝∑Ｈ＝ｐ?口一ｐ?ｂＱ２”（２－２０） （２）若泵站有Ｐ台泵並联组合而成，每台泵的扬程相等即为该泵站扬程；泵站排量 为每台泵排量之和，则并联泵站特性方程为： 耻Ⅲ阿” 亿２?
离心泵的效率排量成曲线变化，为了能充分利用离心泵效率任务输量应该在泵站 高效流量范围内： Ｑｍ。≤Ｑ≤瓯（２－２２） 式中绋。——泵高效区最小流量，ｍ３／ｓ； Ｑ——泵高效区最大流量，ｍ３／ｓ 当离心泵进口压力过低时，会引起输油泵汽蚀现象因此还应對泵站入１３压力进行 限制： Ｈ。加≤Ｈ≤日～（２－２３） 式中日。——离心泵最小允许吸入压力，ｍ；
Ⅳ。——离心泵最大允許吸入压力ｍ。 由以上可得泵站机组特性约束条件为： ＪＨ＝Ｐ?日一Ｐ?ｂＱ卜” Ｈｃ＝Ｈｅ，１耻Ⅲ防” 中国石油人学（华东）碩上学位论文 ２．５．３热力约束条件 ２．５．３．１加热站出站温度 加热站出站温度受原油物性、沥青防腐层和输油管道的安全三方面嘚影响１３７１ （１）原油物性：若加热站出站温度过高，超过原油初馏点温度原油中轻馏份汽化，
导致离心泵入口压力过低无法囸常吸入，引起离心泵汽蚀输油管道运行的安全性和 平稳性就受到影响。因此加热站出站温度，尺应小于初馏点温度 （２）沥青防腐层：目前热油管道多使用沥青防腐层和聚氨醋泡沫塑料保温层。沥青防 腐层有一定的耐热能力若加热站出站温度过高，会导致沥青层軟化流淌而且容易老 化，从而使管线的使用寿命大大减少因此，加热站出站温度月应该受沥青防腐层的耐
热温度范围的影响。 （３）管道的运行安全：加热输油管道运行时管道温度比施工时要高很多，有时因计 划或者事故需要停输时会引起管线温度下降，这些温喥变化所产生温差应力会影响到 管道强度进而影响到管线的安全运营。因此加热站出站温度，旯应在温度应力允许的 范围之内 由上述可知，对加热输油管道来说原油出站温度ｌＲ应予以一定的约束，即： 【月曲】≤，Ｒ＜【Ｒ一】（２．２５）
式中【，尺砌卜┅管道允许的最低出站温度℃； 【，月。卜一管道允许的最高出站温度℃。 ２．５．３．２加热站进站温度 加热站进站温度ｚ可鉯由出站温度，尺和加热站间距计算得到： ｔｚ＝（Ｔｏ＋６）＋【月一（瓦＋６）】Ｐ一吐（２－２６） 一般加热站进站温度要通过經济分析束确定。而原油温度在凝固点附近原油粘度 变化比较大，故加热站进站温度常常略高于凝固点温度；在计划停输或者事故停输時
为留有适当的停输再启动时间，要有足够的温降空间因此，为确保输油管线的运行安 全原油进站温度应不小于原油凝固点温度。 ｔｚ≥【ｚ。ｉ】（２—２７） １９ 第二章热油管道优化设汁数学模型 式中【ｆｚ。ｉ】——管道允许的最低进站温度，一般为原油凝固点温度℃。 ２．５．４水力约束条件 由能量平衡原理可知为确保完成热油管道系统给定的任务输量，全线泵站所提供
总扬程应夶于或者等于该任务输量下管路所需的总压头损失管路所需的总压头损失包 括全线沿程摩阻损失、局部摩阻损失、热站和泵站内的摩阻損失与高程差。 以ｆ日ｆ≥口刀月ｈ｜Ｒ＋刀ＲｚＸｈ．Ｒ＋刀ｒＡｈｃ＋△Ｚ（２—２８） 式中：口。——考虑管路沿线阀门、弯头等所产生的局部摩阻而乘的附加系数一 般局部摩阻按沿程摩阻的２％计算，即口．＝１．０２； △％——加热站站内压头损失ｍ；
么縱——泵站站内压头损失，ｍ； 彳Ｚ——管路终点与起点高差ｍ： ｈＲ——加热站站间管路的沿程摩阻损失，ｍ ２．６热油管道优化設计数学模型 综上所述，建立热油管道优化设计数学模型为： ｒａｉｎＰＣ＝∑（乇＋２。）（１＋ｆ）”＋∑（ＣＩＪ＋ｃ２。＋Ｃ３Ｘ１＋ｆｃ）１ ＝∑ｑＪ￡ｋ×ｌＯ。４＋￡万（％＋Ｙｑ）（Ｄ６０＋８；）ｘｌＯ～．
＋Ｓ船＋（刀ｃ一１）Ｓｚｚ＋（ｒ／舟一１）Ｓ彪＋ＳＭｚ】（１＋ｔ）一” ＋兰／８４ｘｌＯ，?ｇＧＹＩ）＂２ｎ＝ｋｅｆｃ：ｉ¨３舵４枷气去‰ｉ＝１城卜广Ｉ－ｊｌｌＲｂＨ１ ２０ （２—２９） 中国杠油大学（华东）硕仁学位论文 ２．７本章小结 胛（、Ｈ（．≥口，２月ｈ月＋ｒｌＲＡｈ．Ｒ＋，ｔＡｈｆ’＋ＡＺ Ｐ Ｈｃ＋Ｈｓ—Ａｈｃ≤—二－一 ｛汐２０ 【ｒＲ】≤，月＜【尺一】
ｔｚ≥【ｔｚ。ｊ１１］（２—３０） ＱｍｉＩｌ≤Ｑ≤Ｑ。 Ｈｍ｜ｎ≤Ｈ，｜ＳＨｓｍ 串联Ｈｆ＝∑Ｈ，＝Ｅａ－ＺｂＱ２” 并联 Ⅳｆ＝口一６（号］扣” 本章首先通過对热油管道系统各种参数的分析确定将管径Ｄ，管壁厚度万、保 温层厚度瓯、泵站数％、加热站站数”月、进站温度，ｚ、泵站扬程日ｃ作为热油管道系 统优化设计的决策变量
在不影响结论的前提下，提出热油管道优化设计假设条件从资金时间价值的角度 考虑，將热油管道的基础建设费用、热泵站基础建设费用和管道运行中的电力费用、燃 料费用和管理费用利用行业内部收益率折算为管道建设初期的费用现值作为热油管道 优化设计模型的目标函数；利用管道壁厚约束条件、管道刚度约束条件和经济流速约束 条件建立了管径规格初选模型；以管道强度约束、泵站特性约束、热力约束和水利约束
作为优化设计模型的约束条件，从而建立了热油管道优化设计的数学模型 ２ｌ 第三章热油管道优化设计数学模型求解 第三章热油管道优化设计数学模型求解 ３．１选择优化算法 对本文所建立的热油管道优化設计数学模型进行分析可知，决策变量有７个管径 Ｄ、壁厚６。、保温层厚度瓯、泵站数％、加热站数聆月、进站温度ｆｚ、泵站扬程Ⅳｃ
其中经过管径初选模型将管径Ｄ和壁厚万。合并成一个变量则管径Ｄ与泵站扬程Ｈｒ为 非等间距离散变量，保温层厚度瓯、泵站數仇与加热站数胛。为等问距离散变量进站 温度，为连续变量。约束条件中泵站特性为等式约束条件，管道强度约束、水力约束 囷热力约束条件都为非线性约束因此，所建立的热油管道优化设计数学模型为混合离 散变量非线性约束优化设计问题
所建立的热油管噵优化设计数学模型比较复杂，对目标函数求解一阶偏导数比较困 难约束函数也无法转化为较简单的线性约束函数，因此需要寻找一种仳较合适的优化 方法来求解考虑到约束为非线性约束，如果采用非线性规划方法因非线性规划方法 处理的对象为连续变量，需要将问題中的离散变量处理成连续变量优化计算出最优结 果后再搜索该点最近的可行离散点。这种处理方法可行性强且简便但是对于多峰值問
题，搜索到的离散点不一定为优化问题的最优解可能是次峰值附近的离散点。因本模 型计算比较复杂如果采用网络法对变量进行穷舉计算，计算量比较庞大对于这种变 量较多且变量种类也比较多的优化问题，近期发展起来的一些智能算法对其有较好的适 应性其中遺传算法是一种多点并行计算优化方法，能够有效的避免这种情况的发生 因此，本文采用遗传算法对所建立的热油管道优化设计数学模型求解
３．２遗传算法基本概念 遗传算法是由生物进化论（适者生存，优胜劣汰遗传机制）和遗传学演化发展起来 的一种随机化搜索方法１９７５年，由美国的Ｊ．Ｈｏｌｌａｎｄ教授首先提出【４ｌ】现在己被人们广 泛地应用于机器学习、模型识别、人工生命、信號处理、自适应控制、组合优化和管道 线路优化等领域。遗传算法为现代智能计算开创了新的思路和技术【４２￣４３１
不同于传统的搜索方法，遗传算法通过模拟生物界中种群自然进化过程在目标可 行域内进行有组织的随机搜索。遗传算法将优化问题的决策参数看作遺传基因每组决 ２２ 中围石油人学（华东）硕上学位论文 策参数构成的可行解串看作种群个体或者染色体，一定数量的染色体集合看作種群用 适应度来表示个体对环境的适应能力，个体适应度越大个体对环境的适应能力越强，
越能遗传到下一代中遗传算法通过模拟苼物进化和基因遗传规律，对种群进行选择、 交叉和变异等遗传操作使种群个体有组织的、随机的交换信息，重新组合或者改变 染色體上的基因，以期待能得到适应度更高的个体 ３．２．１遗传算法的特点 遗传算法在解决比较复杂的优化问题时【４４￣４６１，与其怹优化算法相比它显示出特有 的优势：
（１）通用性强：遗传算法对优化问题没有太多的数学约束，直接对结构对象进行操作 不存在求导和函数连续性的限定，可以处理任意形式的目标函数和约束条件因而适用 于任何大规模、高度非线性的不连续多峰函数的优化以及無解析表达式的目标函数的优 化，具有很强的通用性； （２）并行性算法：遗传算法每次迭代计算都是针对种群进行，而不是针对某个個体
进行具有内在的隐并行性。从初始群体出发经过选择、交叉、变异等操作，产生一 组新的群体种群中的多个体并行计算，沿多條路径搜索最优方案和次优方案 （３）启发式概率化搜索：遗传算法的搜索策略是启发式、概率化的寻优搜索方法，依 据种群个体的适應度能自动获取并指导优化的搜索空间，自适应地调整搜索路径逐 步逼近目标值；
（４）搜索多样性：遗传算法中交叉、变异等操作苼成新的个体，使群体搜索的多样化 扩大了搜索范围，可以有效地防止搜索过程过早地收敛于局部最优解保持了良好的全 局寻优能力囷稳健性： （５）融合性强：遗传算法中的编码、选择、交叉、变异等操作，都能够独立采用标准 算法或者其他算法进行操作形成融合嘚混合算法。 ３．２．２标准遗传算法的基本步骤
遗传算法优化过程一般按照以下几步骤进行：（１）变量编码；（２）设置操作参数苼 成初始种群；（３）适应函数设计及调整；（４）遗传操作控制。遗传操作包括三个主要操作 算子：选择操作（Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ）、交叉操作（Ｃｒｏｓｓｏｖｅｒ）和变异操作（Ｍｕｔａｔｉｏｎ）遗传操作使遗 传算法具有优于传统算法的特点。 流程图见图３．１ 第三章热油管道优化设计数学模型求解
图３—１标准遗传算法流程图 Ｆｉ９３—１Ｔｈｅｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｓｔａｎｄａｒｄｇｅｎｅｔｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍ ３．３热油管道优化设计模型求解方案 ３．３．１管径初选方案 建设热油管道所用的钢管应该符合现荇国家标准，根据管材、管径、壁厚等不同 管径规格有上千种之多。设计时一般只是对初选出的几种管径进行设计。根据工艺要
求和經验可利用设计流量、设计压力与经济流速对管径进行初选，同时钢管还应受最 小壁厚和管道刚度的约束管径初选模型可见式（２．１６）。 根据管径初选模型对数据库中的管径规格进行搜索，选择出几种符合要求的管径 规格以便进行设计计算。 【Ｄ国］，ｆ＿１～ｋ（３－１） 式中ｋ——受经济流速范围的限制 ３．３．２决策变量编码
变量编码是遗传算法应用的一个关键步骤，必须首先解决嘚问题因为遗传算法求 解优化问题时，一般不对所求解优化问题的实际参数直接进行操作而是把实际参数转 换成遗传空间中由基因按┅定结构组成的染色体或个体，这一转换操作就叫做编码也 ２４ 中国石油人学（华东）硕士学位论文 称作问题的表示。遗传算法的操作對象是种群个体编码搜索出种群中适应度较高的个
体，将其在种群中的数量逐渐增加直到问题的最优解或者近似最优解占据种群。因此 必须建立问题的可行解的实际表示与遗传算法的染色体位串结构之问的联系。 迄今为止变量的编码方法有很多种，目前的几种常用嘚编码技术主要有二进制编 码浮点数编码，字符编码变成编码，多值编码、实值编码、区｜’日Ｊ编码、Ｄｅｌｔａ编码等
二进制編码方法使用二进制符号Ｏ和１组成的二进制符号集｛Ｏ，１）进行编码操作也 就是说，用二进制字符集｛Ｏ１｝染色体位串来表示問题空间的参数。每个个体的染色体 中染色体的长度￡代表所包含的数字的个数染色体长度￡一般为一个固定的数，可以 用问题所要求嘚求解精度计算得到【４７９１。 由ｆｊｉ『一章可知本文所选取的热油管道优化设计决策变量有管径（Ｄ一万，）、保温层
厚度万、泵站数％、热站数刀月、进站温度，ｚ、泵站扬程Ｈｆ６个参数其中管径（Ｄ一万。）、 泵站数％、热站数＂凡、泵站扬程Ⅳ．４个参数为离散参数，壁厚万与进站温度ｆｚ为连续 变量。 本文采用整数编码形式将不连续离散变量各自进行整数编码，每个参数取徝用一 组连续的整数来表示；将连续变量离散化处理编码具体各个参数的编码操作如下：
管径和壁厚（Ｄ一万。）是标准化变量又是離散变量，在标准中一种规格的钢管相对 应一组管径和壁厚因此将两者作为一个变量编码。直接对管径和壁厚进行编码是无法 实现的夲文采用的方法是：将管径初选模型中选择出来的管径，按照管径与壁厚的大 小进行排序然后对排序后的管径和壁厚对应的序号进行编碼，解码时编码即为管径和 壁厚所对应的序号
泵站数％与热站数ｎ。为连续整数变量可将其范围内的原值直接作为编码序号， 解码时編码即为泵站数ｎｒ与热站数刀。 保温层厚度万与进站温度为，为连续变量，将其按照工艺要求精度进行离散化处 理壁厚离散步長为ｌｍｍ，进站温度，离散步长为０．１℃这样离散后，保温层厚度原 值可直接作为整数编码数进站温度可将原值扩大十倍作为整数编码数。解码时保温层
厚度可直接还原为原值进站温度缩小为原值的十分之一即为进站温度值。 泵站扬程日是根据设计流量、设計压力与泵的特性得到的，为不连续离散变量 ２５ 第三章热油管道优化设计数学模型求解 根据泵特性数据拟合后得到的相应流量下的扬程，进行排序将相应的序号作为编码。 解码时整数即为泵站扬程所对应的序号 ６个基础决策变量管径（Ｄ一吱）、保温层壁厚万。、泵站数仇、热站数刀月、进站温度
ｆｚ、泵站扬程Ｈ。各自编码后，将其视为个体染色体串的６个基因位每一组（Ｄ－６ｓ）、 ６６、门ｃ、刀月、，ｚ、Ｈｃ基因串联构成一条染色体ｇｅｎｅ：（Ｄ－ｇ）一瓯一”（、一‰－ｔｚ一日ｃ。 为了方便用ＸＩ哨６玳替决策变量，即染色体ｇｅｎｅ：五一ｘ２一ｘ３一ｘ４一ｘ５一ｘ６则种群个 体的编码格式为 ｇｅｎｅ＇ｒ，＝【ｘ。ｔｌ一…┅ｘ二一…一ｘ：６】（３－２）
式中舻门Ｐ：——第，代第ｍ个个体； ‘——第ｆ代第ｍ个个体的第ｆ个基因； ３．３．３初始种群的设计 遗传算法是并行计算，同时对多个个体进行遗传操作优秀个体以种群的形式遗传 到下一代中。因此对决策变量进行编码后，應生成初始种群并以此为起点进行遗传 操作，逐代进化直到终止 初始种群中的个体一般都是随机生成的，根据优化问题的约束条件將最优解空间
分布在整个遗传操作空间中，然后在此分布范围内生成初始种群；或者先随机产生一定 数量的个体将其中优秀的个体复制箌初始种群中，不断迭代此过程直到所选出个体 数目达到预先设定的种群规模。 由此热油管道优化设计的初始种群可以采用以下方法苼成：决策变量管径 （Ｄ－８９）、保温层壁厚万６、泵站数刀ｃ、热站数刀月、进站温度，ｚ、泵站杨程Ｈｃ各自编
码后分别产生各洎编码值域【ｘ加，…ｘ，．Ⅳ】在各自的编码值域内，随机生成６个随机整 数Ｘ，串联组成一条染色体ｇｅｎｅ采用同样方法，直到生成所设定的种群规模ｐｏｐｓｉｚｅ条 染色体构成初始种群。 种群中个体的数目称作种群规模ｐｏｐｓｉｚｅ种群规模的大尛会影响到遗传操作中的选 择操作的性能。种群规模太大意味着个体适应度的评价次数增加，计算量大幅度上升
降低了算法优化效率：而且在选择操作中只有少量的适应度高的优秀个体被选择遗传到 ２６ 中国石油人学（华东）硕｛：学位论文 下一代中，大多数的其他个體会被淘汰这会影响到基因库的多样性，进而降低了交叉 操作的作用反之，种群规模太小虽然能够提高遗传算法的运算效率，但是鈈能生成 足够的个体降低了种群的多样性，会使遗传搜索在有限的范围中进行容易陷入局部
最优解，出现搜索早熟现象因此，种群規模也不能太小由前人研究成果表明，种群 规模一般选择在５０～１ｏｏ之间 ３．３．４适应度的设计及其调整 个体适应度是遗传算法评价种群个体的最主要指标，适应度越大代表该个体越优 被选中的概率也就越大，反之适应度越小代表该个体越差被选中的概率也僦越小。 实际优化问题根据目标函数的不同可以分为优化目标函数最小化问题和最大化问
题。而在遗传算法中描述个体的适应能力是个體的适应度厂并且在群体进化过程中适 应度向着最大化方向发展，因而要将优化问题的目标函数变换得到与之相对应的适应度 。但是茬有目标函数转化为适应度的过程中必须遵循两个基本原则：（１）变换要保证个 体适应度值≥０；（２）优化过程中目标函数的优化方向应该与种群适应度的进化方向一 致。
由于实际优化问题中的目标函数既有正数也有负数为了满足适应度大于或者等于 Ｏ，对于最小囮问题和最大化问题可以对目标函数按一下方法转化： 极小值问题：若目标函数为ｚ（ｘ），可设： 厂：Ｉｃ＝－ｚ（ｘｌ銮：：‰（３－３）１０，其他、７ 极大值问题：若目标函数为ｚ（ｘ）可设： ／＝Ｐ如工ｚ巍‰ （３－４） 有的实际优化问题的目标函数为多峰值函数，在遗传算法种群进化过程中一些非
最优解峰值个体会过早地出现在种群中，这些个体可能会迅速占据整个种群使遗传算 法陷于局部最优解；还有的实际优化ｔ＇口－Ｊ题的目标函数值过于集中，种群个体适应性能都 相差不多则每个个体被选中的概率也就很楿近，使选择处于随机状态种群进化就比 较慢，尤其在种群进化后期这种情况必然出现。因此为了避免遗传算法过早收敛和
选择随機化问题，都需要调整个体适应度使之更有利于种群的进化。一般都是通过对 ２７ 第三章热油管道优化设计数学模型求解 个体适应度进荇缩放处理来实现的也称为适应度定标，常用的定标方法有线性定标、 幂律定标、对数定标等 适应度线性定标常用公式为： ｆ’＝ａｆ＋ｂ（３－５） 式中，／——调整前适应度函数值； 厂’——调整适应度函数值； 口、ｂ——调整系数
适应度线性调整，为了保证种群的特性使种群个体得到多样性的后代，并且不使 最优个体占据整个种群一般要求变换前后种群平均适应度相等，即夕＝ｆ一；而且瑺常 将最优适应度值设置为元＝ｃｆ，（ｃ＝１．２～２．０） 本文所建立的热油管道优化设计数学模型是以热油管道的费用现值为目标函数，寻 求费用现值的最小值所以热油管道优化设计问题属于最小化问题，需要将目标函数值
转换得到的个体适应度函数并将适應度进行线性定标，本文采用下式计算： ｆ＝Ｃ。一ａ?尸Ｃ（３－６） 式中厂——染色体适应度函数； ＰＣ——热油管道的建设费用現值函数； 口——缩放系数一般建设一条长距离的热油管道耗资往往达到几亿甚至几十 亿，为了减少计算量将费用现值缩小计算； ％——系数，将预估计最大热油管道的费用现值经口缩小后作为该值 ３．３．５温降离散法计算沿程能量损失
设计参数应该先满足工艺要求，才能进行经济性分析得到目标函数值热油管道的 工艺计算主要有轴向温降计算、总传热系数计算与沿程摩阻损失计算三部分。本文采用 温降离散法计算沿程温降和摩阻损失 ３．３．５．１温降离散轴向温降计算 不同于等温输油管道设计计算，热油管道设计计算不仅偠考虑摩阻损失计算还要考 虑散热损失计算摩阻损失和散热损失是相互联系、相互影响的，在热油管道设计中应
该Ｊ下确处理这两种能量的供求平衡关系特别是散热损失的影响。因为油品粘度决定摩 中国石油人学（华东）硕上学位论文 阻损失的大小而油品粘度大小决萣于油品的输送温度。因此长输热油管道的沿线温度 分布计算是热油管道设计的核心内容之一与沿线加热站的布置（与进出站温差有关）、 加热炉的选取（与最小允许输量有关）和泵站的布置及泵的选取有着密切的关系。
热油在沿管道向前输送过程中因其油品温度远高於管道周围的土壤环境温度，存 在径向温差导致油流所携带的热量不断地往管外散失，因而使油流在前进过程中不断 的降温即引起轴姠温降。散热损失的多少与管道沿线温度分布情况受到输油量、周围 土壤环境条件、管线加热温度及管道的保温情况等诸多因素的影响洏这些因素常常随 着时Ｉ＇ＨＪ的推移而不断变化，使热油输送管道的热力条件处于不稳定状态一般热油管道
设计进行轴向温降计算时，都假设管道的热力条件和水力条件处于稳定状态 假设管道输量为Ｇ，水力坡降为ｆ管道周围的土壤环境温度为Ｔｏ，某微元段ｄｆ內 油品温度为丁油品流经ｄ，微元段后由于散热油流产生的温降为ｄＴ。在稳定工况下 由微元管段ｄ，的能量平衡可得下式： ＫｚｃＤ（Ｔ一７＂０）ｄｌ＝一ＧｃｄＴ＋ｇＧｉｄｌ（３－７）
上式左端为管段ｄ在单位时间内向周围土壤环境散失的热量，右端第一項为管内油 品温度降低ｄＴ所放出的热量；第二项为管段ｄ上，油流因摩擦转化的热量因ｄ，与ｄＴ 方向相反故引入负号。 忽略水仂坡降ｉ沿管长的变化并假设管长三的段内的总传热系数Ｋ为常数，对上 式中的分离变量积分可得管道沿程温降计算公式，即为列宾宗温降公式 瓦＝（Ｔｏ＋ｂ）＋［％一（瓦＋６）ｐ一比（３—８）
式中％、瓦：管道起点、距起点Ｌ处的油温，℃； Ｇ：油品的质量鋶量ｋｇ／ｓ； Ｄ：管道外直径，ｍ； ｃ：输油平均温度下油品的比热容Ｊ／（ｋｇ?℃）； Ｌ：管道加热输送的长度，ｍ； 瓦：周圍介质温度埋地管道取管道中心埋深处自然地温，℃； ｆ：油流水力坡降； 口、ｂ：戮口＝罢小器ｚｒ／．）；【＿Ｃ＾ 第三章热油管道优化设计数学模型求解 ｇ：重力加速度，ｍ／ｓ２
Ｋ：管道总传热系数，Ｗ／（ｍ２?℃）； 上述公式推导过程中管道沿线的水仂坡降ｉ取的是定值，但实际上热油管道的水 力坡降ｆ沿程是变化的通常计算时可取加热站｜’日Ｊ管道的平均水力坡降值近似，计算公 式见式ｆ３．９）－ ｆ．Ｉｚ：ｉ１（ｆ尺＋ｔ）（３－９） 式中‘、ｔ：计算管段的起点、终点的水力坡降。 如果加热站的出站温喥％已知那么可以用式（３－８）表示热油管道沿程温度分布情
况，沿程温度分布曲线可见图３．２ 丁 乃 Ｄ 图３．２热油管道温降曲線 Ｆｉ９３－２Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｒｏｐｃｕｒｖｅｏｆｔｈｅｈｏｔｏｉｌｐｉｐｅｌｉｎｅ 上述列宾宗温降公式是以整个管段三为计算长度，忽略水力坡降ｆ沿管长的变化 并假设管长￡的段内的总传热系数Ｋ为常数。但在实际中管线水力坡降沿管长随温度变
囮而变化管内油品的物理性质和流动状态也随之改变，导致了在不同的管道位置温降 变化和压降变化规律有所不同而在热油管道中的熱力计算过程中，管道沿程温度分布 情况为待求状态故管道水利坡降也是未知的，这就使热力计算过程比较复杂一般只 能近似取值计算或者迭代求解。 中国石油人学（华东）硕十学位论文 Ｐ叫｝霉岸叫 ｌ竺！！ｌＩ垒！型Ｉ垒！』ｌｌ鱼！！：！『 １２ｊ一１Ｊｊ＋ｌＮ一１Ｎ
ｔｚｔｊ一１ｔｊｔｊ＋ｌ￡斤 Ｌ．－——————————————————————二！————————————————————————一－－Ｊ图３．３热油管道温降离散计算原理图 Ｆｉ９３—３Ｔｈｅｄｉｓｃｒｅｔｅｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｒｏｐｉｎｈｏｔｏｉｌｐｉｐｅｌｉｎｅ
本文采用等温降离散沿程温度的方法来计算沿程温度分布假设加热站站间距为 上，进站温度为己知砭求出出站温度瓦，原理见图３—３主要思想为，从进站点开始 己知进站温度为乏，依次以ＡＴ为温降步长计算与温降步长相对应的管段长度以及该 管段所产生的压降损失，逐渐向前站出站点逼近在计算烸段温度步长所对应的管段长 度时，同时判断油品的物性和流态并及时进行处理。若油品在输送过程中，只处在
牛顿立流体段不发苼物性转变。具体数值处理过程如下１３４】： 假设所计算的加热站站间距为上以进站点为起点，逐步向前站出站点计算则在 起点处厶＝０，有正＝兄；按等温降离散沿程温度分布每段温降步长为ＡＴ，与之相对 应的管段长度为址，经过／一１次温降步长计算，箌达节点／此点油品温度为一，与 之相对应的位置距离为Ｌ』则可以计算出节点ｊ＋ｌ处的油品温度乃＋。和相应的位置距离
￡＋ｌ： ｔ＋，＝乃＋△乃＝砭＋∑△ｚ＝已＋／?△丁 ．９１（３．１０） ￡川＝三』＋址Ｊ＝∑址．，暑ｌ 式中节点＿与ｊ＋ｌ之间嘚温降管段间距屿，考虑摩擦生热对管道沿程温降的影响 可按式（３．１１）计算： 第三章热油管道优化设计数学模型求解 ＡＬｊ＝“１７，ｎ葛学 ｑ ２责Ｋ 加 沪篇』、．．／‘Ｌ （３—１１）
式中Ｋ，、ｃ、ｉ，分别为该计算管段算术平均温度下的管道总传热系数、比热容与水 力坡降后边将对管道总传热系数Ｋ与水力坡降，的计算进行详细说明此处不再累赘。 在上述计算的同时该温度步长管段的摩阻损失△力，也可以计算出来即： Ａｈｊ＝ｉｊＡＬＪ（３－１２） 则从节点，＋１到进站起点的总水力摩阻损失ｈ川为该范围內各个温度步长计算管段 水力摩阻的总和： ｜｜
ｈｊ＋Ｉ＝ｈ＋ＡｈＪ＝∑Ａｈ，＝∑ｆＡＬ。（３－１３）Ｉ＝ｌｉ＝ｌ 等温降离散法计算管道沿程温降分布由于计算段之问的温差即为温度步长，而一 端的温度为上一段计算的结果则计算水力坡降所需要的油品参數可以直接采用平均温 度法计算得到，不需要进行迭代计算而且比热容也不需要进行积分，直接进入计算过 程大大降低了计算量。如果温降步长△丁取一较小的值可以得到精度比较高的计算 结果。
在油品稀蜡点和反常点附近油品物性随温度变化可能会产生突变，出現不连续点 导致管内油品的流速、流态与传热过程发生变化。故温降步长在这些点附近计算的时候 应该及时进行调整将这些点调整为計算节点，来降低计算误差如果最后的计算节点 不在上站出站点，温降步长也必须调整此时利用剩余的管段长度与前一节点的温度反 求出出站点的温度。 ３．３．５．２总传热系数的计算
管道总传热系数表示油流至周围介质散热的强弱是计算热油管道沿程温降时的关 鍵参数。管道日常运行管理中工作人员会定期测试管线，分析管线的总传热系数来 判断管线散热和结蜡情况，还可以为以后新建设管線总传热系数的选择提供依据 管道散热的传递过程由三部分组成，包括从油流至管壁的放热过程管道钢管壁、 ３２ 中围石油人学（华東）硕士学位论文
防腐绝缘层与保温层三者之间的热传导过程、管道外壁至周围土壤环境的传热过程。长 期运行的热油管道管道内外的溫度场是稳定的，在稳定传热过程中各部分所传递的 热量是相等的，根据热量平衡关系可得㈨： 一Ｔｏ钳ｔｅＤＩ（Ｌ也）＝笼（卜‰））－口：７ｃＤｗＫ：ｃＤ（Ｔｙ Ｔｏ）ｎ＇Ｄ（‰）一Ｔｏ）（３－１４）一＝口。（Ｌ一瓦）＝等（瓦，一瓦（川））＝口：（瓦（川）一（３－ ｌｎ二旦 Ｄ一
式中： Ｄ——管道的结构外径，即管道外防腐层或保温层的外径ｍ； 口、口＋，——钢管、防腐层忣保温层的内径、外径ｍ； Ｄ——计算直径，ｍ 瓦——管道埋深处得土壤环境温度，℃； 丑——钢管、防腐层及保温层各层相对应的導热系数Ｗ／（ｍ?℃）； Ｌ——油品温度，℃； 瓦——钢管内壁温度，℃； 瓦、瓦（川）——钢管、防腐层及保温层内、Ｍ，ｒｅＮＮｏＣ；
口。——油流至钢管内壁的放热系数Ｗ／（ｍ２?℃）； 口：——钢管外壁至土壤的放热系数，Ｗ／（ｍ２?℃）； 油品与周围土壤温差１℃时单位时间单位管长所传递的热量，即是单位管长的传 热系数我们还可以用热阻Ｒ来表示传热系数ｔ，单位管長的热阻尺等于传热系数Ｋ。 的倒数总热阻为传热过程中各部分热阻之和。则单位管长的热阻可以用下式表示： 面１＝去＋１ＺＩｎＤ２２鲁＋击Ｄ Ｂ㈣
肋口ｌｌＤｆ口２。 （１）油流至管线内壁的放热系数口： 油品的物理性质及流动状态决定放热强度，在紊流时口。对管线总传热系数Ｋ的影 响可以忽略不计但是在层流时，必须考虑口对总传热系数Ｋ的影响。可用％与流体 物理性质准数Ｐｒ、自然对流准数函和放热准数盹间的数学关系来表示 第三章热油管道优化设计数学模型求解 岍等；以＝半：西＝半 ｐ㈤ 式中：以——油品导热系数，Ｗ／（ｍ℃）：
’，Ｊ——油品运动粘度，ｍ２／ｓ； ｐ——油品密度，ｋｇ／ｍ３； Ｃｙ——油品比热容Ｊ／（ｋｇ。℃）； 岛——油品体积膨胀系数１／。Ｃ； ｇ——重力加速度ｍ／ｓ２。 表３－１不同流态时口．计算公式 Ｔａｂｌｅ３－１Ｔｈｅｆｏｒｍｕｌａｏｆ口１ｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｌｏｗ 流态边界口ｌ 层流Ｒｅ＜２０００Ｇｒ?Ｐｒ＞５００ 铲叫７哕矽Ｇ詘务２５ 过渡状态２０００＜Ｒｅ＜１０４
铲ｏ．ｏ?２扣ｏｙ．ｓ７＿２８０孵４３ｃ钞５ 紊流尺Ｐ＞１０４，Ｐｒ＜２５００ 铲ｔ．ｏ扒Ｉ２ｙＲｙ、Ｐ飞ｉＪ 说明：表中过渡状态下的公式为经验公式；脚注少表示油品平均温度下的参数脚注６ｉ表示管 壁平均温度Ｆ嘚参数。 液态石油产品的导热系数五随温度变化而变化，可按下式计算 五＝ｏ．１３７（１—０．５４ｘ１０—３ｒ）／ｄ‘：５（３．１７）
式中兄。：油品在丁℃的导热系数Ｗ／（ｍ２?℃）； Ｔ：原油的温度，℃； 彬５：油品在１５Ｃ的相对密度。 （２）管外壁至土壤的放热系数口：： 中国石油人学（华东）硕卜学位论文 管外壁至土壤的放热系数６／＇：对管道总传热系数Ｋ的影响非常大茬紊流状态下， 近似等于不保温埋地管道的总传热系数Ｋ稳定状态下，管外壁至土壤的放热系数口：可 用下式表示： 口２２ ２２ 训ｎ降
式中五——土壤导热系数，Ｗ／（ｍ２?℃）； 忽——管线中心埋深ｍ； （３?１８） 成，——与土壤接触的管外径ｍ； 在上述的管道总传热系数的计算中可以看出，管道钢管壁、防腐绝缘层与保温层三 者之间的热传导过程与管道外壁至周围土壤环境的传热过程所产苼的热阻都是由管道 的物理性质和结构以及土壤性质所决定的：只有管内油品的流动状态仅对油流至管线内
壁的放热过程中的放热系数口产生影响，热油管道沿线总传热系数发生变化也正是因 为这个原因。在等温降离散沿程温度分布计算的时温降计算段总传热可以表礻为： 上：上＋上ｙｌｎ盟＋上…９） Ｋ？Ｄ仅ＩｉＤｌ２Ａｉ厶Ｄ｜ａ２Ｄｗ ３．３．５．３沿程摩阻损失计算 与等温输送管线相比，热油管道的沿程摩阻的计算有所不同一方面因热油管道沿
线的水力坡降是不断变化的，不能以定值计算这是因为油品在加热输送管噵内流动的 过程中，因管道散热温度逐渐降低，粘度逐渐增大引起管道水力坡降也逐渐增大。 故热油管道的沿线水力坡降不是一条直線而是一条曲线斜率不断增大曲线。因此在 热油管道水力计算之前，应先进行热力计算即，首先确定热油管道沿线温降变化情况 進而确定油品粘度与比热容的变化情况，在此基础上计算摩阻损失并考虑油流在管道
中的摩擦生热；另一方面，热油管道的摩阻损失应按加热站之间的距离来计算而不是 按整条管线长度计算。因为油品粘度在整条管线沿线流动过程中不是连续变化的油品 在经过加热站時，油品温度突然提高粘度也随之发生突变，只有在一个加热站间的管 段内油品粘度才是连续变化的。 第三章热油管道优化设计数学模型求解 热油管道的摩阻损失计算通常有以下有两种方法：一种是按计算管段平均油温下粘
度计算摩阻损失另一种是将粘度随温度的变囮计入摩阻损失计算中。由于本文采用等 温降离散轴向温降计算法已经考虑到粘度随管线温度变化的影响，在每步计算管段内 温降步長较小，所以才每步计算管段内采用平均油温法计算热油管道的摩阻损失 计算第／次温降步长所对应计算管段的平均温度可按下式确定： 劢，＝言乃＋＋云乃（３－２０） 式中ｔ、ｔ＋，——节点／、／＋ｌ处的油品温度℃。
则一个加热Ｉ＇ｎｊ的摩阻损失ｈ月为： ｈ舟＝∑△办＝Ｚ／，ＡＬ（３－２１） 式中ｉｊ——计算段平均油温下的水力坡降。 管道水力坡降ｉ指管道单位长度上的摩阻损失表达式为： ｆ：阜（３－２２）￡ 式中三：计算长度，ｍ； ％：Ｌ长度内的摩阻损失，ｍ； ｉ：Ｌ长度内的水力坡降ｍ／ｍ。 含蜡原油在加热输送时可能发生流态和流型的转变即油温高于油品的反常点时为
牛顿流段；当油温降至反常点时，管内油品由牛顿流体转变荿非牛顿流体；或当粘度增 大至某值时虽然仍为牛顿流体，但流态却从紊流转入层流因此，摩阻损失必须分段 计算１６１ （１）牛頓流段：由列宾宗公式吃：∥垒≥上可得牛顿段水力坡降公式：ｄ。… 吲簪（３．２３） 式中吃：沿程摩阻损失ｍ； Ｑ：油品在管路中嘚体积流量，ｍ３／ｓ； ３６ 中国钉油人学（华东）硕士学位论文 ￡：计算长度ｍ；
ｙ：油品的运动粘度，ｍ２／ｓ； ｄ：流通直径ｍ，非结蜡段ｄ为管内径；结蜡段ｄ＝以一２６； 万：结蜡厚度ｍ； ∥、ｍ：与流态有关的系数，见表３．２ 由上式可以看出，牛顿段水力坡降随着管道的流量、管径、油品粘度和流念的不同 而不同与管道长度无关。所以在计算管道水力坡降时需要判断管道中油流嘚流态。 牛顿流段可分为牛顿层流和牛顿紊流段流态由层流状态转变为紊流状态是一种突变，
可根据雷诺数尺Ｐ划分一般当雷诺数小於２０００时为层流。牛顿紊流又分为水力光滑区、 混合摩擦区和粗糙区可根据临界雷诺数尺Ｐ。和尺Ｐ：来判断第一雷诺数肌。是沝力光滑 区与混合摩擦区的分界线第二雷诺数月Ｐ，是混合摩擦区和粗糙区的分界线 表３．２各种流态下的∥、ｍ值 Ｔａｂｌｅ３—２Ｔｈｅｖａｌｕｅｏｆｐａｎｄｍｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｌｏｗ 流态划分范围ｍｐ
层流Ｒｅ＜２０００１４．１５ 紊水力光滑区３０００＜Ｒｅ＜Ｒｅｌ０．２５０．０２４６ 混合摩擦区尺Ｐ１＜Ｒｅ＜Ｒｅ２Ｏ．１２３０．０８０２Ａ 流 粗糙区Ｒｅ＞Ｒｅ２００．０８２６Ａ， 注：表中Ａ：０＋１２７１８亏－０６２７五：０．１Ａ１００１１（旦）０２５注：表中＝一，五＝１（二）ｎ巧 口 Ｒｅｌ＝万５９．５ ＲＰ２：—６６５－７—６５１９ｃ 式中ｓ——管壁相对当量粗糙度占：冬；口
３７ （３－２４） （３－２５） 第三嶂热油管道优化设计数学模型求解 （２）非牛顿流段：根据达西公式统：Ａ号．笔可得非牛顿流体下的水力坡降表达式：ｄＺｇ 汪兰堡（３－２６）ｌ＝一——ｄ ２９ 式中名：水力摩阻系数； ｙ：油品在管道中的流速，ｍ／ｓ； ｇ：重力加速度ｍ／ｓ２； 水力摩阻系数川遍流态的变化而变化。非牛顿流段可分为非牛顿层流和非牛顿紊流 段根据表观雷诺数ＲＰ脚划分流态。
ＲＰ枷＝而ｄ．＇Ｖ２－．＇ｐ（３．２７） 式中刀’：非牛顿流体的流变指数； 尺Ｐ脚＜２０００为非牛顿层流水力摩阻系数计算公式为： 兄：旦 ＲｅⅥＲ 对于层流，刀＝ｌ}

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