成品油管道顺序输送计划调度研究综述

张 超，翟文琪, 吴玉国

成品油管道顺序输送计划调度研究综述

张 超，翟文琪, 吴玉国

（辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院, 辽宁 抚顺 113001）

成品油管道顺序输送计划调度的制定是长距离石油管道运转中最关键的环节之一，制定能够满足上游和下游的需求且保证管道的使用安全性、高效性的计划调度为在调度管理中首要的使命。成品油管道计划调度包括成品油输送批次顺序、批量大小、管道线路的流量、分输站分输的时间等，是比较复杂的决策过程。首先说明了成品油顺序输送，以及介绍了国内外成品油调度计划的研究历史，然后归纳了国内部分学者主要调度方法及模型求解方法，最后描述了中国成品油管道调度计划发展的方向。

成品油管道; 顺序输送; 计划调度; 优化

中国是最先利用管子输送流体的国家，但中国成品油管道建设起步晚，修建于1959年的新疆克拉玛依市至独山子市输送石油管道，总长147 km,直径150 mm,是我国第一条长距离原油管道。从1973年开始对成品油管道进行工业试验，到1976年中国第一条小口径成品油管道格尔木-拉萨管道完成[1]。20世纪90年代早期，成品油管道建设取得重大发展，逐渐的建设了克拉玛依-乌鲁木齐、抚顺-鲅鱼圈、镇海-杭州、兰州-成都-重庆等成品油管道，兰成渝成品油管道建成并投产于2002年9月，其从甘肃省兰州市经陕西、四川到重庆，干线全长1 250 km[1]。据统计，目前全国已经建成和在建中的主要成品油管道约为6 km，主要包括西部管道、兰成渝管道、鲁皖管道、兰郑长管道、黄骅港一中捷石化管道、珠三角管道、立沙管道、西南管道等[2,3]。未来30年，随着我国经济的大幅提高，对石油和天然气的需求量将不断增加，管道输送石油和天然气是主要方式，石油和天然气管道将进入一个前所未有的发展时期，国内和国外跨国石油和天然气管道的建设是必要的，形成我国的石油和天然气管道网络系统是不可避免的。所以钻研成品油顺序输送调度计划具有极其重大的意义。

1 成品油顺序输送简述

随着中国经济的快速发展，对石油的需求越来越大，长距离、跨国石油管道逐渐建设完成。2013年10月，中国最大的兰郑长成品油管道全线开通，达到了新疆成品油通过北疆管网、西部成品油管道与兰郑长管道的连续不断输送，直达数千公里外的华中地区，以保障了我国炼化企业成品油产品的输送[4]。根据中石油企业的规划，在2015年前后，另外一条贯穿南北的成品油主力管道——中石油抚锦郑管道也将投入运营，锦郑管道支干线全长 1 636 km。辽宁省范围内管段长198 km，90%在葫芦岛市管辖范围内[37]。主线起直第一站在锦州，从北到南经由辽宁省、河北省、天津市、河南省以及这3省1市的14个地级市，最后抵达郑州终端站。届时，西北—西南、西北—华中、东北—华北—华中的成品油管道干线骨架将完全形成，管道运输将会取代铁路成为成品油运输的主要方式[38]。在这样一个庞大的管道施工建设体系中，对成品油管道规划、调度、管道优化运行，具有很重要的意义，是实现资源可持续发展的流水线操作。因此，如何实现管道系统的优化运行，提高经济效益，这是科学研究和经营管理重要的目标。管道调度运行优化正是解决这一问题，尽可能减少能源耗费、泵机组的能耗成本以保证运输任务的完成，寻求最佳和最经济的运输方案。输油管道优化运行即是在管道体系自身的构造、程序及其周围环境条件一定的前提下，有效的制定输油线路的调度计划，继而建立相应数学模型进而求解，使其在确保输送任务的前提下降低运行费用。

这需要科学先进的规划和调度方案的建立，对管道运行费用的分析和评价，找出差距，提出了管道的改进方向以提高经济效益并提供科学依据，以达到产品管道整体优化运行的目的。可见，成品油管道调度的优化是一个潜在的发展方向，对成品油管道的运行成本优化有重要现实意义。

2 国内外成品油调度计划的研究历史

目前,研究成品油调度计划仍处于起步阶段，中国仍对石油管道计划的研究和完成摸索状态；外国对成品油管道调度计划的研究比较提前一些。从国内外的文献来看，国外在这方面的研究较多，并取得了可喜的成果[5]。

2.1 国外的研究历史

Pinto等[6]对由一条管道、一个炼厂、多个油库组成的系统进行了研究，从炼厂生产出来的油品必须靠长距离的输油管道输送到终端。产品的分配由炼厂到中转站和中转站到油品的终端两部分组成[39]。

Sasikumar等[7]研究了一个石油挂管道输送系统，管道把炼厂生产出来的产品输送到与之连接的油库中，并且管道是唯一连接炼厂与油库的通道。

Sasikumar，Prakash，Patil, Ramani[7]针对单点源多终端的多批次成品油管道想出了一种启发式搜索技术，而且得出了较好的月输送计划。这个基于知识的程序满足了一系列约束条件，比如：允许的库存水平、输送顺序以及输送约束，并在此基础上考虑了油品供应的时间效应。

Rejowski[8]和 Pinto[6]通过管道被分成相等的长度或单一的油品管段，开发了时间离散混合整数线性规划数学模型，主要的决策模型是与管道中输送的产品以及在炼厂和终点装载卸载操作有关的模型。

2.2 国内的研究历史

宋洁蔚[9]在总成本最低的前提下建立了离散时间MILP模型，考虑了质量平衡约束、供需平衡约束、输送批次约束以及管道运行的逻辑约束等。模型求解出各储库的存储情况、油品输送次序、油品在各油库之间的分配情况等。后来引入了连续时间和连续体积概念使得问题具有更高的准确性。

周国华[10]对成品油管道中的一条Y形多分支管道确立了离散时间MILP模型。

3 具体管道实例应用主要调度方法和模型求解技术

3.1 主要调度方法

徐敬波等[11]根据新疆成品油管道运输业务发展的需求和当前开发的管道方案存在的问题，利用线性规划为基础，利用MATLAB软件的方法，对成品油管道运输计划自动优化调度设计及实施。新疆建立了成品油管道调度优化模型及约束条件，在合理的库房存量和乌兰管道运输规划约束下, 对新疆地区克乌管道，独乌管道，王化管道进行计划调度优化，并利用历史数据进行测试，结果表明该方法可以有效地提高新疆区的油品传输效率。

刘静等[12]针对中石化西南成品油管道茂名、北海双油源输送油品的新型运行模式，基于适用于多源成品油管道的批次调度算法，认识到影响国内成品油管道调度计划的因素，开发了商用批次的编程软件，一个很好的解决了双油源模式下对支干线油品运移的协调问题和交汇点以及转输站点的分输运行机制问题。

刘学志等[13]介绍了抚顺-鲅鱼圈管道调度运行管理系统的建立，此系统是在复杂的多出口成品油管道安全运行的需要基础上来开发的管道调度计划运行仿真软件。该软件具有两个功能模块：项目计划和调度优化模块和管道运行的仿真模块，在第一站充油流，充分考虑控制模式、传输模式和交通流的限制；后一个建立了石油管道优化运行模型,可以对其求解。

李季等[14]使用Visual Basic编程语言，结合西部成品油管道流动模型，在成品油调度计划软件的基础上，对西部成品油管道调度计划的研究，这个软件会自动运行批处理，给出了带状图、混油界面站地图和交通规划的输出表，给调度管理提供辅助工具。

梁永图等[15]针对成品油管道系统可能涉及的因素，制定了管道运行仿真软件，根据建立的传输方案的一些原则，给出了交通规划的制定步骤。以兰成渝管道为例，说明了此软件的功能，可以协助石油管道运营商对成品油管道的使用进行安全和有效管理。

3.2 调度模型求解技术

数学规划是在成品油管道计划调度的领域中主要的求解方法,仅次于的求解方法为启发式方法，启发式搜索方法更为受关注，2种方法相结合的方式使求解技术更快。另外还有一些其他求解方法，下面具体的介绍一下上面的方法：

3.2.1 数学规划方法

数学规划方法［16］由混合整数线性规划 （M ILP）和混合整数非线性规划 （MIN－LP）两部分组成[36]。如多级批量处理的问题[17，19]，炼厂计划和调度问题[20,21]的优化运行，成品油输油调度问题[22]，物流和供需平衡问题[23]。有许多数学规划可行和有效的解决方案，包括单纯形法，割平面法，分支定界法，罚函数法，牛顿迭代法[36]。分支定界的方法是基本的、常用的解决方案，文献[24,25]就应用了此方法求解混合整数线性规划模型。而且，动态规划采用多时段滚动的时间域来动态更新成品油管道顺序输送的调度计划。还使用了管道泵机组[26]或压缩机[27,28]结合优化。其优点可得到数学规划方法的任务分配和整体排名的选择,从而保证了全局凸和非凸优化问题。缺点为所建立的模型带有大量的线性/非线性约束，还有的是整数约束，当模型较大时，给解决带来了很大的麻烦，为了解决这些问题，专家们提出了一些措施，分别采用了以下方法重新描述约束条件[29]，增加了不可行方案的约束[30]，采用分解策略[22]，引入启发式规则[31]。

3.2.2 启发式方法

启发式方法不是在多项式时间内得到问题的最优解，而是使用少量计算实现求解过程[32]。它的优点是模型很大的情况下也能求得最优解或满意解。学者[27]采用此算法到天然气管网的优化运行调度中。Ming Pan[31]在交通运输调度问题中应用了启发式算法。钱晓龙等[32]对于原油炼制的计划调度问题建立了MINLP模型，用启发式方法使其达到线性化。Vio Neves-Jr[34]对管输调度问题建立了MIL P模型，并采用启发式方法求得最优解。

3.2.3 其他方法

此外调度计划还有其他方法，比如系统仿真方法、遗传算法和专家系统。成品油管道顺序输送调度以上几种方法不是很普遍，只做一个简单的介绍。所谓系统仿真调度[35]是建立一个系统的仿真调度模型，根据决策规则模拟调度，使用模型探索性地实施整个过程，记录每个阶段的系统状态，进而统计、处理得到最优的调度方案和数据。遗传算法是根据生物进化原理来进行全部搜索最优解的方法。专家系统主要是根据专家的经验知识来创建起所需知识库，之后使用人工智能技术或虚拟人类的思维方式来求得调度题目。

4 展望国内成品油管道计划调度发展的趋势

通过查阅大量文献来看，对于成品油管道顺序输送调度计划的研究主要是以下几个方面：提高所建立的模型表达准确性，尽可能接近实际。之前的模型都做了简单处理，随着研究的深入，现有的调度模型已不能满足需求。逐渐形成了对于具体问题具体分析的思路，以后在这方面还有很多问题需要解决。二是寻找更严谨的建模方法和更便捷的求解途径。因为模型越大，出现的变量越多，求解消耗的时间越多。采用多种方法相结合互补，相互借鉴也是未来研究的趋势之一。如今管道正朝着网络化发展，多做一些管网系统的研究是很有必要的[36]。

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Research on Planning and Scheduling of Oil Pipeline Batch Transportation

ZHANG Chao，ZHAIWen-qi，WUYu-guo
（College of Petroleum Engineering，Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

Planning and scheduling of oil pipeline batch transportation is one of the most particular aspects of pipeline operation, the planning and scheduling must meet upstream and downstream requirements and ensure pipeline safety. The planning and scheduling include refined oil products pipeline transportation batch order, batch size, pipeline route, sub-transmission station sub-transmission time, and so on. The decision-making process is more complicated. In this paper, the sequence of refined oil transportation was described, and research on planning and scheduling of oil pipeline batch transportation at home and aboard was introduced, and then domestic various scheduling methods were summarized as well as solution methods of the models. Finally, the development direction of China pipeline scheduling program was discussed.

Oil pipeline；Order delivery；Planning and scheduling；Optimization

TE 832

： A

： 1671-0460（2015）05-1044-04

2014-11-19

张超（1991-），男，辽宁沈阳人，辽宁石油化工大学油气储运工程专业在读硕士研究生，研究方向：油气长距离管输技术。E-mail：zhangchao2853@126.com。

吴玉国（1977-），男，副教授，博士，研究方向：油气储运工程。E-mail：wyg0413@126.com。