最优化在油气储运工程中的应用

＊徐浩溥

（海湾工程有限公司 河北 050000）

引言

油气资源在生产、生活中发挥着重要作用，油气储运作为开发中不可或缺的环节，会直接影响油气产品质量、自然环境等。随着各行业对油气产品需要量的增加，如何有效开发和利用油气资源成为社会各界关注的问题之一，通过扩大油气储运工程建设规模、储运量，解决油气资源供需不平衡问题，将最优化这种数学方法应用其中，辅助施工人员选择最佳的储运计划，在促使储运效率提高的同时，为解决油气分配、运输以及油库布局和规划等问题提供参考。

1.最优化、油气储运工程及其该方法应用的价值分析

(1)最优化

最优化作为数学学科中常用的一种解题方法，即全面地对相关条件进行分析，以数学运算的方式寻找最佳的方案。该方法的关键在于寻找到研究对象、外部事物二者之间的联系，通过现有的条件使事物的最大价值得以体现[1]。由于该方法所涉及的数学计算比较多，为了确保计算的准确性、效率，在应用该方法解决复杂问题时，可以利用计算机进行计算。该方法研究的对象包括：生产经营活动或各类系统性的管理问题，目的是获取各类资源合理运用的最优方案，发挥系统最大化效能，目前，该方法多应用于工程建设、公共管理等领域，且取得较好的成效。在油气储运工程中应用该方法，实质是综合考虑工程经济、环保、安全等因素，制定出最佳的油气储存、运输方案，在满足油气实际需求的同时，实现储运成本、资源的节约。

(2)油气储运工程

油气储运工程指的是为原油、天然气等油气提供储存、运输的系统化工程。油气储运的流程为：首先，借助相关装置收集油气井口所产生的油气水化合物；然后，以管道传输的方式将其传输到处理装置，对油气进行加工处理；最后，将符合质量要求的油气产品通过管道运输到指定的地方，在整个油气储运过程中，对油气加工处理的技术、管道设备质量等要求比较高。我国早期的油气储运工程，其应用主要集中于油气资源的开发、利用，我国早期的管道运输最长为几百公里长度，随着管道运输行业的不断发展，油气储运工程逐渐成型，其中所建成的克拉玛依至独山于的长输油管道具有一定的代表性，可以反映出我国油气储运工程已实现了长距离运输。随着我国大庆油田、辽河油田等的开发，与大连、铁岭等输油管道的连通，为油气储运工程的进一步发展打下基础，尤其是西气东输事件可以突显出天然气运输的价值，逐渐在多行业应用油气储运工程，推动储油技术、管理技术的不断革新，为油气储运工程提供广阔的发展空间。

(3)应用价值

其一，在油气储运工程建设中，需根据工程实际、成本等因素制定多个方案，从中选择出最优方案，目的是在满足设计要求的基础上节约成本。在选择方案的过程中，应用最优化法来确定工程各项指标权重，建立评价矩阵，在处理指标值的基础上建立评价模型，根据评价结果对该方法所确定的指标权重值的合理性进行验证。其二，油气本身具有易挥发、易燃易爆等特点，需不同类型的管道、设备以及站场辅助油气集输工作实施。另外，这些设备在重压、腐蚀的作用下容易出现破裂，油气的泄露不仅污染环境，而且会引发安全事故。而在该工程中应用最优化法，来确定油气管道系统脆弱性评估指标的权重，了解各指标对管道的影响程度，以此为依据制定相应的防范措施。其三，油气储运生产运输环节，由于油气中含有水分、杂质，容易腐蚀管道、设备，导致设备故障或被损坏，为了有针对性地制定防腐措施，需了解各腐蚀因素的影响程度，通过最优化法对影响管道腐蚀的各因素指标进行分析，为防腐措施的制定提供指导。其四，油气储运作为复杂的工程系统，当建设施工完成后，应计划和组织生产活动，对其进行有效的指挥、监督，以最少的能耗获取最大的效益，这一目标的实现，需充分发挥生产管理评价的作用，即采用最优化法获取各指标的权重，制定可行的管理方案。

2.油气储运工程中常用的最优化方法

(1)层次分析法

该方法是以目标分解、方案分析等形式对与决策相关的元素进行定性、定量分析，即对相关问题的影响因素综合分析，构建出具体化的结构模型，为综合分析、系统化建设提供参考依据[2]。在油气储运工程中应用该方法，以综合、系统的角度对各层次进行分析，在各环节活动可以体现目标、方式。比如制定管道穿跨越方案时，可以应用该方法来确定权重，层次分析的目标层为：选择最佳的河流穿越方案，准侧层、方案层分别为选择条件、备选方案，建立最佳方案的层次模型，通过对各因素权重的计算来确定最优方案。但是，该方法的应用存在一定的局限性，比如当存在多个评价指标时，该方法很难对其清晰判断，判断矩阵无法达到一致性的要求。

(2)灰色关联法

该方法指的是利用曲线几何图形进行综合分析的方法，实质是通过曲线几何图形的相似度对曲线之间的相关性进行评价[3]。在油气储运工程中应用该方法，通过对待选、预设方案关联度计算，分析待选方案的优缺点，如果二者的关联度比较高，说明待选方案实施的效果越接近预设方案的结果，比如对某油田进行全面管理时，依据该油田特点采取统一管理方式，对原有的排污装置进行改进，在发挥油田能效的同时，降低对环境的污染。

(3)灰色物元法

该方法指的是利用三要素所组成的三元组对事物的基本元进行描述。该方法在应用前，应建立灰色物元矩阵，以加权求和的方式对各个方案的关联度进行分析，选择出最优的方案。比如在建设某输气管道时，依据所选择的管径、输气压力、站数以及费用等参数制定相应的方案，在标准方案选定后构建矩阵，结合所计算的关联度选择出最佳的方案。

(4)系统分析法

该方法在实际应用中需确定所研究系统的范围、所处环境，比如在优化一条长输管道运行问题时，需确定所研究的系统范围，即是管道系统自身，还是与其相关的油田、炼厂问题，然后确定系统的结构、目的、组成部分、功能及内部规律等，在研究长输管道系统时，需要确定泵站、加热站的个数，各站需要设置多少台泵、多少台加热炉，分析各个泵的最大、最小输油能力，加热炉的发热能力，泵与站之间关系，设备与管道之间的承压能力等。在此基础上，需要明确系统各部分之间的关系，整个系统与环境之间的关系，最后确定决策变量，指出评价方案优缺点的标准，即目标函数，比如在优化长输管道运行问题时，决策变量可以设置为进站油温。

3.在油气储运工程中如何有效地应用最优化法

油气储运工程专业的主要任务是选择最经济合理、安全可靠的方式，对原油、石油化工品及天然气进行保质保量的储存、输送。由于不同种类的石油产品输送量、储存量比较大，且输送的距离比较长，意味着其储运的系统规模、设施比较大，在对其建设中投入的资金、人力、物力等比较大，对于这种大规模工程系统而言，若其设计、运行方案有所调整，可能产生费用会超出预算。因此，需要优化其系统的规划和设计、运行，将最优化方法应用油气储运系统中，具体从以下方面入手：

(1)管道最优路径选择

由于我国油气资源区域分布不平衡，需以长距离运输的方式满足部分地区能源方面的需求，在长距离管道运输过程中需考虑油气储运的安全、稳定性。在对于成品油、原油以及天然气进行长距离管道运输过程中，在保障油气运输质量、安全的基础上，应考虑运输方面的费用问题，这就要求选择最优的管道输送路径。比如在对原油进行输送时，为了获取最大效益，主要采取加热的方式进行运输，在制定设计方案过程中，需合理设置加热站的数量、位置等，原油管道的费用主要包括泵站和管道建设、运行和维修费用等，油罐的投资、运营中产生的费用不包括在内。在设计成品油管道运输方案时，为了防止混油现象的发生，应对混油罐进行合理布局，且有针对性地处理混油问题，比如设置专门的混油罐，尽可能地减少各方面的损失。

另外，针对成品油顺序输送中的批量、批次问题，根据工程实际情况在首站、末站位置布设数量合理的油罐，批次越少，批量越大，意味着油罐投资越多，所产生的混油量越少，其混油损失越少，间接性反映出首末站罐建设投资、混油损失作为衡量管道效益的重要指标，在优化设计的过程中需要重点考虑这两方面的因素，即以最优化的思维合理处理批量、批次成品油输送与油罐成本之间的关系，达到运输成本最低，效益最大的目的。对于成品油管道，若应用顺序输送方式，存在最优循环次数、最优输送顺序等优化问题，可以从局部、全项目两方面入手，制定相应的优化方案，前者局部最优方案的制定，即优化线路走向，通常以投资额的多少作为最优判断的标准，即投资越少的为最优方案；关于管径、设备方案的优化，通常采取费用现值法，即费用现值越少的为最优方案。后者全项目方案的优化，由于站场建设、公共工程建设受线路走向、管径选择因素的制约，所以，每一个管径选择和线路走向方案会对应出一个全项目方案，在输量相同的前提下，优化全项目方案，通常会采取最低运价法或费用现值法，即运价最低或费用现值最少的为最优方案。此外，长距离管道运输中，油品性质、传热系数及地温等作为动态变化因素，应依据运行条件制定最优运行方案，比如在制定等温输油管道开泵方案时，需选择各个泵站最佳升压值组合，即确保开泵方案的最优化，在制定热油管道方案时，需考虑各站最优温度、最优升压值等因素，确定二者的最优组合，即确定开泵点炉方案的最优化。

(2)最优调合比、油品进货方案制定

油品调和作为生产过程的最后环节，目的是将原油调和成为生产、生活中所需的不同类型的成品油，该环节的操作受多方面因素影响，操作过程相对复杂，为了选择出最优调和比，需依据各组分性质来制定最佳的调和比例，拟定最优调和顺序，保证生产出的成品油质量达标。比如炼油厂、商品油库在开展成品油调和作业时，应根据当前市场油品需求情况、价格等，将生产出来的组分油调和成为多种规格的成品油，以满足各行业对油品多样化的需求。对于商品油库、炼油厂而言，在实际进行成品油调和作业时，需保证组分油总量不变，来确定各种规格油品的实际产量，即在保证质量的前提下，尽可能地提高效益，控制成本，使自身获取的总利润最大化。此外，对于经营油品买卖业务的公司而言，其获取利润的方式主要为赚取进出库差价，由于油品的进货价、售价受月份影响，为了从中获取最大利润，应对市场进行实际调研，获取各月份油品进货价、售价等数据，对其分析后掌握相应的油品价格变化规律，从而以此为依据制定最优的油品进货方案，或者根据市场变化情况灵活地调整自身的进货计划，确保以最低的价格进入油品，增加自己的利润空间。

(3)油库、天然气管网系统最优规划、布局

在油库建设中，假设库区地形、货源、销售等外部因素保持不变，为了保证其效益的最大化，应对油库进行最优规划和布局。具体内容包括：需确定各油品最佳库容量、油罐最优数量和规格，配套设施和设备投入的最优规模、数量以及规格，以及供电、道路以及管线等设施的最优布局。同时，在对天然气管网系统进行设计时，需对布局、参数进行优化，比如以最优化的思想来确定布站、管网连接方式及中间站的位置，各工艺管道壁厚、管径及所需设备等参数，利用数学模型、计算机程序对设计方案进行优化。由于不同天然气生产企业的生产条件、规模等存在一定的差异，出售给天然气销售企业的价格也存在不同，并且天然气管道在正式运营后，能够确定其输送能力，可以计算出天然气输送过程中产生的总费用，对于天然气销售企业而言，应综合考虑各方面的成本、收入以及管网输气能力等多因素，在确保天然气质量的基础上，制定出最佳输气、配气方案，使该公司获取最大利润。

(4)优化油气集输系统

目前矿场油气集输系统多以计量站、联合站以及转油站的形式进行管理，在对矿场油气集输系统的设计、运行进行优化时，假设油井分布、产量保持不变，确定小站流程之间的关系，针对由气、水管道以及油连接起来的网络系统，需确定各站最佳的建设规模、设备数量以及管道工艺等[4]。同时，在制定最优运行方案时，应综合考虑经济、注水系统、油藏系统等多方面因素，通过建立油田生产优化模型对整个系统进行优化。比如关于油气集输系统相关设备的最优选择，可以利用相关软件对主要设备进行优选，简化以往复杂的计算过程，促使设计水平提高。另外，优化管道外径时，可以运用网格法获取最优方案，或者搭建系统运行方案的最优数学模型，比如目标函数、约束条件分别设置为油气集输系统运行最小费用、原油进站温度和进口回压及渗水压力，使用序列二次规划法进行求解，实现该系统生产运行软件的编制。

(5)确定最佳月输油计划

对于长输油管道而言，通常以月为单位下达输油计划，可以根据实际情况，制定出多种最小节流量的开泵方案。比如对于有6座泵站的长输管道，可以制定出4种最小节流量的开泵方案，即开6座泵、3座泵站、2座泵站、1座泵站，每种开泵方案对应一个输量，可以间接性反映出一条长输管道存在多个最小节流量的输量，若管道依据月平均输量进行运行，意味着其存在较大的节流量，能量消耗较大。因此，为了节约能耗，可以在不同运行时间段使用差异化的输量，也能完成月输油任务，即根据月输油任务制定最佳的输油计划，促使能耗利用率提高。

4.结束语

在油气储存、运输各环节运用最优化法，目的是降低系统能耗，降低投资、运行等方面的费用，获取最大的经济效益。由于我国不同区域油气产品生产加工、销售等处于不平衡状态，在油气储运工程中应用该方法，可以实现油气开采、冶炼以及销售等环节的平衡，使该工程运行更加高效、稳定，突显出最优化思想应用的价值。