阮亦根 梁永圖 鄭榮榮

〔1.中國(guó)石化浙江石油分公司 浙江杭州 310000；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）城市油氣輸配集輸北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 102249〕

中國(guó)石化浙江石油分公司成品油管道調(diào)控中心運(yùn)行調(diào)度甬紹金衢、浙贛東線、甬臺(tái)溫、紹興-杭州、諸暨-桐廬管道，總里程達(dá)1490km，有2座首站、1座中間注入站、1座加壓泵站、5座分輸泵站、8座分輸站，呈現(xiàn)管徑大、分輸量前多后少、泵站多、變徑多等特點(diǎn)，管輸工藝復(fù)雜、油品與沿線需求變化頻繁、需中間站注入等情況，導(dǎo)致人工編制管輸計(jì)劃工作繁重、時(shí)效性差。為了能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需求，與中國(guó)石油大學(xué)（北京）合作研發(fā)了浙江成品油管網(wǎng)調(diào)度計(jì)劃編制軟件。

1 技術(shù)要點(diǎn)

成品油管道運(yùn)行時(shí)需要輸送多種油品，首站注入與下載站下載不同步，因各站需求不同工況變化較大，這些因素導(dǎo)致求解困難。國(guó)內(nèi)已有編制軟件但因需大量人工設(shè)定，約束條件時(shí)常不能滿足等原因，導(dǎo)致不能滿足現(xiàn)場(chǎng)需要[1-3]。

調(diào)控中心負(fù)責(zé)調(diào)度的管道具有許多工藝特點(diǎn)：由變徑多導(dǎo)致不同混油界面流量上下限不同；因各分輸站油品的罐容不同導(dǎo)致下載不同油品流量上下限不同；由于部分下載站沒有混油罐，導(dǎo)致混油操作要求不同；因地形原因?qū)е虏煌緢?chǎng)壓力控制要求多樣，為此，只有跟蹤批次界面才能適應(yīng)上述工藝特性。

2 理論依據(jù)

國(guó)內(nèi)外學(xué)者深入研究了多條管道調(diào)度運(yùn)行工作，D.C.Cafaro[4，5]和S.Relvas[6]研究了單注入點(diǎn)管道運(yùn)行，S.A.MirHassani[7]和P.M.Castro[8]研究了枝狀管道運(yùn)行，D.C.Cafaro[9-11]等后續(xù)研究了管網(wǎng)運(yùn)行，ZhangHR[12-14]等的理論模型，采用蟻群算法（ACO）和單純形法（SM）混合求解。

3 調(diào)度計(jì)劃數(shù)學(xué)模型

3.1 模型假設(shè)

假設(shè)條件：管道末站只需考慮流量限制條件；不需計(jì)算混油長(zhǎng)度，將混油段簡(jiǎn)化為混油界面；油品是不可壓縮的；同一時(shí)間窗內(nèi)各站下載流量不變；各站庫(kù)容滿足下載計(jì)劃量。

3.2 目標(biāo)函數(shù)

軟件以結(jié)果與計(jì)劃體積偏差最小為目標(biāo)函數(shù)[15-22]，將計(jì)劃起終時(shí)間、各站下載起終時(shí)間、批次切換時(shí)間等為時(shí)間節(jié)點(diǎn)[23]，用連續(xù)時(shí)間表達(dá)法[24，25]，綜合考慮了時(shí)間節(jié)點(diǎn)、流量、計(jì)劃量等約束條件[26，27]。

式中：Vxi，j、Vsi，j是第i站對(duì)第j批次的計(jì)劃量、下載量，m3；i為下載站場(chǎng)編號(hào)；j為油品批次編號(hào)；I是下載站編號(hào)集合；Ji是第i站有分輸需求，且初始時(shí)刻批次油尾未過該站各批次編號(hào)集合。

3.3 約束條件

3.3.1 時(shí)間節(jié)點(diǎn)約束

假設(shè)各個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)按照先后順序排列，前一批次油頭到站時(shí)間節(jié)點(diǎn)不晚于后一批次油頭到站時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

同一批次油頭到達(dá)前一站場(chǎng)時(shí)刻要早于到后一站場(chǎng)時(shí)刻。

站場(chǎng)對(duì)有需求批次開始下載時(shí)間一定不小于該批次到站時(shí)間，結(jié)束下載時(shí)間不大于下一批次油頭到站時(shí)間。

站場(chǎng)對(duì)該批次開始下載時(shí)間不晚于該批次結(jié)束下載時(shí)間。

站場(chǎng)對(duì)批次開始下載時(shí)間不早于計(jì)劃開始時(shí)間，下載結(jié)束時(shí)間不晚于計(jì)劃結(jié)束時(shí)間。

式中：ttc是第tc時(shí)間節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間；τi，j是第j批次油頭到達(dá)第i站時(shí)間節(jié)點(diǎn)編號(hào)；τci，j、τbi，j是第i站對(duì)第j批次開始下載、結(jié)束下載時(shí)間節(jié)點(diǎn)編號(hào)；ttc和ttb為計(jì)劃開始和結(jié)束時(shí)間；τtc和τtb為計(jì)劃開始和結(jié)束時(shí)間節(jié)點(diǎn)編號(hào)。

3.3.2 批次運(yùn)移約束

任意時(shí)間窗內(nèi)第i站與第i+1站間管線允許的最小流量與時(shí)間窗長(zhǎng)度乘積，不能大于該時(shí)間窗內(nèi)首站注入體積與該時(shí)間窗內(nèi)第i站及第i站之前各站分輸體積之差。任意時(shí)間窗內(nèi)第i站與第i+1站間管線允許的最大流量與時(shí)間窗長(zhǎng)度乘積，不能小于該時(shí)間窗內(nèi)首站注入體積與該時(shí)間窗內(nèi)第i站及第i站之前各站分輸體積之差。

式中QCtcmin，i是第tc時(shí)間節(jié)點(diǎn)與第tc+1時(shí)間節(jié)點(diǎn)之間第i站和第i+1站間管段允許最小流量，m3/h；QCtcmax，i是第tc時(shí)間節(jié)點(diǎn)與第tc+1時(shí)間節(jié)點(diǎn)之間第i站和第i+1站間管段允許最大流量，m3/h；Qktc是第tc時(shí)間節(jié)點(diǎn)與第tc+1時(shí)間節(jié)點(diǎn)之間首站注入量，m3；i＇為下載站站場(chǎng)編號(hào)；Vi是第i站體積坐標(biāo)；Voj是第j批次油頭的初始體積坐標(biāo)。

3.3.3 下載計(jì)劃約束

某站對(duì)某批次實(shí)際下載體積為該批次油頭到該站時(shí)間節(jié)點(diǎn)與下一批次油頭到該站的時(shí)間節(jié)點(diǎn)之間所有時(shí)間窗內(nèi)下載體積的總和。

式中VSi，j是第i站對(duì)第j批次實(shí)際下載體積，m3；Vpi，tc是第i站在tc和tc+1時(shí)間節(jié)點(diǎn)間時(shí)間窗內(nèi)下載的體積中間變量，m3。

3.3.4 模型求解程序

以原管道內(nèi)油品界面為初始條件，用蟻群算法求解，算法程序見圖1。

圖1 算法程序框圖

4 啟泵理論模型

在滿足壓力約束條件下，由能量平衡方程優(yōu)化并確定啟泵方案，而使目標(biāo)函數(shù)總運(yùn)行成本最小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)成品油管網(wǎng)運(yùn)行方案的優(yōu)化。

對(duì)設(shè)有N個(gè)泵站且第i泵站配置k臺(tái)離心泵的成品油管網(wǎng)系統(tǒng)，當(dāng)泵轉(zhuǎn)速固定且不考慮電價(jià)波動(dòng)時(shí)，以使總運(yùn)行成本（目標(biāo)函數(shù)）最小為優(yōu)化管輸計(jì)劃。目標(biāo)函數(shù)為：

式中：Y是總運(yùn)行成本，元；T是輸送周期，s；F是用電費(fèi)用，元；ηij、Cij是經(jīng)過第i泵站第j臺(tái)泵的泵效、運(yùn)行狀態(tài)；aij是第i泵站第j臺(tái)泵流量Q=0提供的揚(yáng)程，bij是第i泵站第j臺(tái)泵流量Q=Qij時(shí)需要的揚(yáng)程。

4.1 壓力約束

式中：pini是第i個(gè)泵站的油品進(jìn)站壓力，Pa；pin-mini是第i個(gè)泵站最低進(jìn)站壓力，Pa；pin-maxi是第i個(gè)泵站最高進(jìn)站壓力，Pa；px是管道任意點(diǎn)處的剩余壓力，Pa；pmax是管道最大可承載壓力，Pa；pmin是所輸送油品的飽和蒸汽壓，Pa；pouti是第i個(gè)泵站油品出站壓力是第i個(gè)泵站油品最大出站壓力，Pa。

4.2 流量約束

式中：Qij是過泵實(shí)際流量，m3/h；Qmaxj是泵設(shè)計(jì)最大流量，m3/h；Qmin、Qmax是管道最小、最大流量，m3/h；Vi、Vplani是分輸站的結(jié)果、計(jì)劃分輸量，m3；

4.3 泵站特性約束

對(duì)于轉(zhuǎn)速不變的泵機(jī)組，可通過實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，采用最小二乘法確定泵的特性方程。

若泵站由多泵串聯(lián)組合，可計(jì)算出泵組合數(shù)和泵機(jī)組提供的揚(yáng)程。任一泵站，若存在X種泵組合方式，則：

式中：Hi為第i泵站提供的揚(yáng)程，h；hij為第i泵站第j臺(tái)泵提供的揚(yáng)程，h；；Aij，Bij，Cij為泵的效率曲線的特性系數(shù)。

同時(shí)，各個(gè)泵站要滿足開泵方案數(shù)目的約束條件：

式中n是泵站開泵方案數(shù)目；M是不同型號(hào)泵可排列組合的泵機(jī)組數(shù)目。

5 模型求解

求解分為兩部分，第一部分求出最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)的函數(shù)值，第二部分通過遞推的方法確定每個(gè)泵站的狀態(tài)變量和決策變量，從而確定全線啟泵方案。

6 計(jì)劃編制軟件及應(yīng)用

軟件由計(jì)劃管理、靜態(tài)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、批次計(jì)劃、啟泵方案和幫助6大模塊組成，在交互界面填入相關(guān)參數(shù)，便可開始編制計(jì)劃，軟件可自動(dòng)生成批次圖、計(jì)劃表、時(shí)刻表及調(diào)度令。軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意見圖2和圖3。

圖2 軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖

在輸油過程中，若需改變?cè)?jì)劃量，可在軟件中設(shè)置當(dāng)前工況為初始條件，按新計(jì)劃編制新計(jì)劃，方便快捷。

以甬紹金衢管道某年8月20日輸油為例，生成的計(jì)劃、啟泵方案分別見表1、表2。

表1 編制結(jié)果對(duì)比表

表2 軟件計(jì)算得出的啟泵方案

從表1、表2可看出，運(yùn)行方案首站注入量變化小、泵避免了短時(shí)啟停，各站結(jié)果與計(jì)劃量基本一致，可操作性強(qiáng)。

7 結(jié)語(yǔ)

通過以甬紹金衢管道在某年8月20日輸油為例和4年來的應(yīng)用表明，浙江成品油管網(wǎng)調(diào)度計(jì)劃編制軟件具有運(yùn)行可靠、編制方案可行的特點(diǎn)，還可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要生成調(diào)度令等報(bào)表，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)編制報(bào)表，方便快捷，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中取得了很好的成效。