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输油管线的同步优化设计

文档作者：王泉文档来源：辽河油田曙光采油厂热注作业二区		点击数：	更新时间： 2021年09月27日
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石油工程化 工 设 计 通 讯
Petroleum Engineering Chemical Engineering Design Communications
·34·
第43卷第7期
2017年7月
1 输油管道的传统设计法–分步设计法
输油管道设计主要内容包括：确定经济管径、站址和设
备选型、工艺流程设计及输油成本计算；绘制首站及中间热
泵站的工艺流程图、首站的平面布置图、泵房安装图、管道
的纵断面图。
管道工艺设计的目的是根据设计委托书或设计任务书规
定的输送油品的性质、输量及线路情况，确定管道的总体方
案的主要参数：管径、泵站数及其位置等。工艺设计主要有
工艺计算（加热输送管道还包括热力计算）及技术经济比较两
部分。设计初始参数有计算温度、油品密度、油品黏度、计
算流量、管道纵断面图、管材、保温层及其主要设备规格型号、
技术经济指标等。
1.1 输油管道传统优化设计的过程
工艺设计时，首先根据经济流速范围确定最佳管径。下
一步设计中还要对输送工艺、管子钢材等级和钢管类型、管
壁厚度等进一步优选，以确定最佳设计方案。传统输油管道
的优化设计过程如下：
1.1.1 优选管径
设计计算中，首先要初选管径。初选管径，常根据经济
流速来计算。经济流速的单位与国民经济中各项费用的比值
有关，我国目前对这些经济参数还缺乏总结。对热油管道而言，
管径增大使散热量增大，热能费用增加。故热油管道的经济
流速常比不加热的管道更高些。目前热油管道的经济流速为
1.5~2.0m/s。此范围只供方案初选参考用。
1.1.2 确定和布置加热站、泵站
确定和布置加热站、泵站，主要是进行管道的热力计算
和水力计算。
1.1.3 管道保温的选择
首先选定保温材料。保温材料确定后，保温层的厚度是
影响技术经济指标的重要参数。管道传热系数减小，保温层
厚度增大，都可以减少加热站或泵站投资，降低能耗，节约
运行费用，但保温层的材料费、施工费增加。且保温层厚度增
加至一定程度后，保温效果的提高就不太明显了。应通过技
术经济比较确定保温层厚度。可选定几种不同的保温层厚度，
计算相应的管道传热系数，对它们进行管道的热力、水力工
艺计算，确定泵站、加热站及运行参数，计算其投资、经营
费用，再对各方案进行技术经济比较，以确定最佳保温层厚度。
在某些特殊情况下，加热站间距及运行油温已定，求所
需保温层厚度时，可由管道沿程温降公式计算所需求的管道
传热系数之值，再根据管道的热阻计算公式可求得所需的保
温层厚度。
2 输油管线的同步优化设计
2.1 基于热经济学原理的同步优化设计
2.1.1 同步优化设计的过程
基于热经济学原理的同步法是以热油管道及保温层的投
资费用和运行费用最小为优化目标，同步设计完成管道的管
径、壁厚和保温层厚度的输油管道优化设计方法。输油管道
同步设计费用包括初始投资费用– 管材投资、保温层投资等
必要的辅助材料投资和施工费用等；管道投入运行后的运行
费用– 动力损耗费用、热力损耗费用及维修折旧费用等。同
步设计法将管道管径、壁厚和保温层厚度这三个量的设计整
合到同一个多目标非线性优化模型中，通过优化模型的求解，
完成对输油管道及保温层的设计。
2.1.2 优化设计数学模型的建立
保温热油管道的总费用包括初始投资费用和运行费用。
初始投资费又用包括管材投资、保温层投资、保温层保护层
投资和施工费用投资；运行费用则主要包括管道投入运行后
的动力损失费用和热力损失费用及施工费用等。以保温管道
的年运行费用和投资的年分摊费用之和为目标函数，其最小
值可表示为
（1）
式中：α—— 资金回收系数；
Fg—— 管材投资费用，元；
Fb—— 保温层投资费用，元；
Fs—— 施工费用，元；
Fd—— 年动力损失费用，元；
Fr—— 年热力损失费用，元。
2.1.3 同步优化设计的特点
同步设计法克服了传统输油管道优化设计分布确定管道
管径、壁厚和保温层厚度难以到达整体最优的问题。
但该方法也有相应的不足之处，其以经济最优为目标，
而经济优化的难处在于各种费用的价格、贷款利率、还款年
限等难于取准并且它们随时间而变化，因而其结果也有相应
的变化幅度。因此这些经济因素可能会对优化结果造成一定
的影响。
参考文献
[1] 杨筱蘅. 输油管道设计与管理[M]. 东营：中国石油大学出版社，
2006.
[2] 黄善波，徐明海，邢晓凯. 外输管道的总体优化设计[J]. 油气储运，
2002，21（5）.
[3] 吴双应. 对流换热过程的热力学分析及其应用[D]. 重庆：重庆大学，
2005.
摘 要：在输油管道的设计中，管径的确定与保温层厚度的计算是相互关联的、相互制约的。建立了外输管道总体优化设
计的数学模型，并运用Matlab 软件进行了编程求解，得到了最佳的管径、保温层厚度和起点温度，同时对数学模型中的非优化
参数进行了敏感性分析。
关键词：优化设计；同步设计；输油管线
中图分类号：TP277 文献标志码：A 文章编号：1003–6490（2017）07–0034–01
Synchronous Optimization Design of Oil Pipeline
Wang Quan
Abstract ：In the design of the oil pipeline，the diameter of the determination and insulation layer thickness calculation is
interrelated，mutual restraint.The mathematical model of the overall optimization design of the external pipeline is established and the
optimal solution diameter，the thickness of the insulation layer and the starting point temperature are obtained by MATLAB software.The
sensitivity analysis of the non-optimized parameters in the mathematical model is also carried out.
Key words ：optimal design ；synchronous design ；oil pipeline
输油管线的同步优化设计
王 泉
（辽河油田曙光采油厂热注作业二区，辽宁盘锦 124010）
收稿日期：2017–05–22
作者简介： 王泉（1987—），男，辽宁盘锦人，助理工程师，主要从
事石油工程方面的工作。

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