原油管网智能化排产系统的开发与应用.pdf

第49卷第4期采输技术DOI：10.3969/j.issn.1001-2206.2023.04.002原油管网智能化排产系统的开发与应用矫捷1，沈定金2，王军防1，李长俊2，余红梅11.国家管网集团东部原油储运有限公司，江苏徐州 2200052.西南石油大学，四川成都 610500摘要：基于图论和排列组合方法开发了原油管网智能化排产系统，能够根据原油管网的结构进行自由组态，根据管网中炼厂需求、码头来油情况和管网中的油品存储状态，确定炼厂需求油品的位置，计算生成最优的排产方案，并且具备连接SCADA系统数据实时更新以及将排产方案导出为Excel表格的功能。将软件应用于简单管网和复杂管网进行排产计算，结果表明软件能够生成最优的排产方案，具有良好的通用性，能够适用于不同的管网结构。软件界面友好、可用性强、运行稳定，能够实现原油管网的智能排产，可以有效降低人工劳动强度，提高管输计划的科学性、经济性和安全性。关键词：原油管网；排产方案；软件Development and application of intelligent production scheduling system forcrude oil pipeline networkJIAO Jie1,SHEN Dingjin2,WANG Junfang1,LI Changjun2,YU Hongmei11.National Pipeline Network Group East Crude Oil Storage and Transportation Co.,Ltd.,Xuzhou 220005,China2.Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,ChinaAbstract：Based on graph theory and permutation and combination method,an intelligent production scheduling system for the crudeoil pipeline network is developed,which can conduct free configuration based on the structure of the crude oil pipeline network anddetermine the location of oil products required by refineries in the pipeline network according to the demand of the refinery,the oilcoming from the dock,and the storage state of oil products in the pipeline network.The system can also calculate and generate theoptimal production scheduling scheme.In addition,it has the function of connecting SCADA system data to update in real time andexporting the production plan to an Excel table.The software is applied to simple and complex pipeline networks for productionscheduling calculation.The results show that the software can generate the optimal production scheduling scheme,which has goodversatility and can be applied to different pipeline network structures.The software has a friendly interface,strong usability,and stableoperation.It can realize intelligent production scheduling of crude oil pipeline network,effectively reduce manual labor,and improve thescientificity,economy,and safety of pipeline transportation plans.Keywords：crude oil pipeline network;production scheduling scheme;software原油管网排产计划的编制是一个需要考虑原油种类、分储、炼厂计划、输送工艺等多约束条件的复杂工作，目前常采用的人工编制原油管网管输计划存在过度依赖经验、科学性与经济性不强、人工劳动强度大等问题，很难达到排产最优化的目的1。可见，依托先进的优化排产算法与计算机语言，开发一套能够为原油管网提供优化排产方案的智能化排产系统，对于优化原油管网管理、提高管网效能具有十分重要的意义。目前，原油管网的优化排产及智能化软件的开发已经依托数学规划、智能搜索、约束规划等理论大量展开2，但对原油管网排产优化技术的研究尚不成熟，还未形成统一的模型与算法，现有的原油管网排产商业软件及公司主要有Honeywell的 Production Scheduler3、Aspen Petroleum Scheduler4及Haverly H/SCHED排产系统的原油调排产模块 H/COSS5。这些原油管网排产软件都是基于电子表格的模拟系统，系统本身只能辅助原油排产计算，不能根据实际情况自动生成优化的原油排产方案，在实际的原油管网排产中仍然是排产人员根据经验进行人工排产6。原油管网难以实现智能化排产的原因，首先在于原油管网通常规模庞大，同时存在油库、港口、长距离管道来油等多个油源以及多个下游炼化企业；其次，不同的管092023年8月采输技术网结构与运行情况存在差异；再次，部分管网还存在特殊化的需求，如炼化企业需求批次多且不规律、油轮到达码头时间不固定、输油站流程限制等7。上述因素与具体需求不仅大幅提高了排产模型的建模成本与模型规模，还增加了大量的非线性约束与离散决策变量，使得各类优化方法的通用性和可移植性较差。同一种建模及求解方法在面临不同管网的最优化排产问题时，存在着建模难度、求解稳定性与求解速度上的显著差异8。可见要实现开发智能化排产系统的目标，必须解决因管网差异性所产生的模型臃肿、变量繁多、求解不稳定以及求解速度缓慢的问题。本文针对存在多个油源及下游炼化企业的大型原油管网，在综合考虑油品批次输送、管道运行水力条件的基础上，基于建立的原油管网优化排产方案模型，编制了原油管网智能化排产系统，能够根据原油管网的具体情况快速得到满足排产现场实际需求并且可以保证管网安全平稳运行的排产计划。1软件功能及主要特点本文介绍的图形界面化的原油管网智能化排产系统，以基于图论和排列组合理论的原油管网排产方案计算方法为核心，主要包括原油管网结构自由组态、确定炼厂需求油品位置、穷举可行排产方案、方案优选推荐最佳方案、连接SCADA系统数据实时更新、排产方案导出Excel表格等功能。用户根据炼厂油品需求、码头来油情况、管网中油品存储状态，在排产系统中输入相应的参数后进行排产计算。1.1原油管网结构自由组态本软件基于图论理论建立原油管网拓扑结构的方法，能够根据管网的具体结构建立与之对应的拓扑结构9，通过对拓扑结构的分析处理从而达到识别管网的目的，能够实现在软件中根据管网实际结构自由组态，因此软件具有良好的通用性。由原油管网的特点可知，原油管网与交通、水电网络的结构和功能类似，抽象成网络结构图之后都具有拓扑性质，因此对原油管网进行分析时会把管网抽象成节点和弧段组成的图10。原油管网的结构和组成十分复杂，需要对其进行合理的简化，具体内容包括：1）将原油管网中的元件划分为输油站、炼厂、码头、管道四类；2）油库作为属性隶属于输油站中，不作为单独的元件；3）储罐作为属性隶属于油库中，不作为单独的元件。矩阵是研究图的一种有力工具，特别是利用计算机来研究有关图的算法时，首先遇到的问题就是如何让计算机来识别图，这种情况下就不得不借助矩阵，主要有关联矩阵和邻接矩阵两种表示方法11。关联矩阵的行对应于图的顶点，列对应于图的边（弧）。当用关联矩阵A表达有向图时，其元素aij定义为：aij=1边 j 自顶点 i 射出-1边 j 向顶点 i 射出0边 j 与顶点 i 不关联（1）当用邻接矩阵B表达有向图时，其元素bij可定义为：bij=以vi为起点vj为终点的边数（2）邻接矩阵主对角线上的元素全为0，该矩阵的元素全为 0或 1。无向图的邻接矩阵为一对称阵，其每一行或每一列元素值之和等于与相应顶点相关联的边数12。当图的顶点和边（弧）的编号确定之后，关联矩阵和邻接矩阵就与图建立了确定的一一对应关系，因而可用关联矩阵或邻接矩阵来表达图。一般来说，图的邻接矩阵比关联矩阵小，而且还可将矩阵的元素定义为边或弧的权，因而在存储和计算时用的较多13。图1为实际的原油管网结构。图1原油管网实际结构炼厂1输油站4输油站3输油站2码头1管道1管道2管道3管道4管道5管道6管道7管道8炼厂2炼厂3输油站5输油站110第49卷第4期采输技术在软件中自由组态搭建的原油管网模型见图2。图2原油管网结构自由组态管道8管道7管道5管道2管道14管道3管道4管道9管道11管道10管道12管道13管道6燕山石化牛口峪站廊坊站天津站曹妃甸站曹妃甸码头塘沽站塘沽码头天津石化沧州站河间站沧州炼化安平站石家庄石化1.2确定炼厂需求油品位置根据建立的原油管网拓扑结构获得了能够用数学方法表示管网结构的邻接矩阵，基于广度优先遍历方法对邻接矩阵进行遍历，获得炼厂在管网中油品搜索的路径14。炼厂根据自身油品需求沿搜索路径逐站搜索，直至满足炼厂油品需求为止。用户通过点击炼厂元件对该炼厂的油品需求信息进行输入，输入完成后，软件根据炼厂的油品需求以及当前管网中油品存储状态计算得到炼厂需求油品所在的输油站、油库、储罐的位置。1.3穷举可行排产方案在确定所有炼厂需求油品所在位置后，即可根据输油站需要外输的油品以及油品去往的炼厂生成对应的输油方案。由于输油站内会存在多种满足炼厂需求的油品，且上游输油站的输送方案会影响下游输油站的输送方案，因此为了能够获得全部的输油方案，基于图论、拓扑学和排列组合方法在油品搜索结果的基础上穷举生成可行方案集。由于输油方案是按照油品输送的逻辑步骤生成的，而为了能够计算油品输送的时间，就需要考虑油品输送过程中的配泵情况。根据输油方案中油品的输送方向以及该方向中的配泵方案，实现对输油方案的扩充。1.4方案优选推荐最佳方案穷举得到的排产方案数量规模庞大，需要对方案进行评价比选以获得最优的排产方案。基于原油管网排产方案的经济性、操作便捷性与安全性，确定了3个原油管网排产方案的评价指标即：方案运行操作成本、重新配泵次数、管道停输时间。基于主观赋权法对各指标的权重进行计算15，针对各评价指标的量纲和量级差异，利用向量规范法对各指标进行归一化处理，从而实现原油管网排产方案优化模型的建立与求解。1.5连接SCADA系统数据实时更新软件具备通过SCADA系统实时读取站点储罐液位高度以及根据读取的SCADA数据进行实时数据更新的功能，可以有效降低人工劳动强度，节省人工输入的时间成本16。1.6排产方案导出Excel表格软件计算完成后，可以直接在软件界面查看排产方案，并且为了方便排产方案的下达，可将排产方案导出为Excel表格的形式，方便排产现场的使用。2应用实例分析以简单管网和复杂管网为例，利用本软件对管网结构自由组态搭建管网模型，根据管网中炼厂的油品需求、码头来油情况以及管网中油品存储状态，计算生成原油管网的排产方案17。2.1简单管网应用根据原油管网的实际结构在软件中自由组态搭建管网模型（如图3所示），基于实际需求情况，输入油品参数和炼厂需求。图3简单管网模型管道4输油站3炼厂1管道5管道6管道1管道2管道3输油站2输油站1输油站4炼厂2码头1表1为简单管网中各炼厂的油品需求。表1简单管网中各炼厂油品需求炼厂炼厂1炼厂1炼厂1炼厂2炼厂2炼厂2需求油品穆尔班阿曼科威特沙轻巴士拉轻达连需求质量/t40 00050 00040 00050 00060 00050 000需求时间2021-07-252021-07-282021-07-292021-07-262021-07-282021-07-29矫捷等：原油管网智能化排产系统的开发与应用112023年8月采输技术在软件中输入炼厂需求油品的信息。该管网中各个油库储存油品的状态如表2所示，表3为简单管网中码头来油信息，软件计算后导出的排产方案如表4所示。表2简单管网中的油品存储状态输油站输油站1输油站1输油站1输油站1输油站1输油站2输油站2输油站2输油站2输油站2输油站2输油站2输油站2油库油库1油库1油库1油库1油库1油库2油库2油库2油库2油库2油库2油库2油库2储罐123451012345678油品阿曼科威特沙轻达连无穆尔班巴士拉轻无无沙重无卢拉无当前液位/m16.415.516.616.22.515.414.92.52.515.72.5162.5允许最高液位/m19191919191919191919191919允许最低液位/m2.52.52.52.52.52.52.52.52.52.52.52.52.5储罐直径/m80808080808080808080808080表3简单管网码头来油信息码头码头1来油种类沙重来油质量/t150 000来油时间2021-07-21表4简单管网排产方案输油站输油站 1输油站 1输油站 1输油站 1输油站 2输油站 2输油站 2输油站 2输油站 2输油站 2输油站 1类型输油卸油方案详情输油库1储罐1 阿曼50 000 t，进输油站2油库2储罐3输油库1储罐2科威特40 000 t，进输油站2油库2储罐4输油库1储罐4达连50 000 t，进输油站2油库2储罐8输油库1储罐3沙轻50 000 t，进输油站2油库2储罐6输油库2储罐1穆尔班40 000 t，进炼厂1输油库2库储罐2巴士拉轻54 375 t，进炼厂2输油库2储罐3阿曼50 000 t，进炼厂1输油库2储罐8达连50 000 t，进炼厂2输油库2储罐4科威特40 000 t，进炼厂1输油库2储罐6沙轻50 000 t，进炼厂2卸沙重进油库1中8 号罐 6 449 t卸沙重进油库1中7 号罐 71 775 t卸沙重进油库1中6 号罐 71 775 t2.2复杂管网的应用根据原油管网的实际结构在软件中自由组态搭建管网模型，如图4所示。图4复杂管网模型管道12管道11管道9管道4管道6管道2管道14管道5管道7管道10管道13输油站8输油站7输油站6输油站4输油站5管道8输油站1输油站3码头1炼厂1炼厂2炼厂2炼厂3炼厂4码头2管道3输油站2以某次码头来油为例，接收的主要来油种类为巴士拉轻和萨哈林两种油品，其具体分配情况见表5的来油信息。表6为复杂管网中炼厂1炼厂4的油品需求，该管网中各个油库中储存油品的状态如表7所示。通过在软件中输入炼厂油品需求、码头来油情况以及管网中的油品存储状态，基于建立的管网结构自由组态模型和穷举算法，获得满足需求的原油排产方案，计算生成复杂管网的排产方案如表8所示。表5复杂管网码头来油信息码头码头1码头2来油种类巴士拉轻萨哈林来油质量/t100 000100 000来油时间2021-07-232021-07-24炼厂炼厂1炼厂1炼厂1炼厂1炼厂2炼厂2炼厂2炼厂3炼厂3炼厂4炼厂4需求油品达连卢拉萨宾诺克拉夫穆尔班阿曼科威特巴士拉轻科威特沙轻沙重需求质量/t50 00060 00030 00030 00040 00030 00040 00050 00040 00040 00040 000需求时间2021-07-262021-07-272021-07-292021-07-292021-07-272021-07-282021-07-292021-07-282021-07-292021-07-282021-07-29是否混输否否是是否否否否否否否表6复杂管网中各炼厂油品需求12第49卷第4期采输技术3结论1）基于图论和排列组合理论开发了图形界面化的原油管网智能化排产系统，具有界面友好、人机交互方便、结果输出直观的优点。2）对简单管网与复杂管网在软件中进行自由组态搭建管网模型，根据管网中炼厂的油品需求、码头来油情况和管网中油品储存状态，能够计算生成综合评价最优的原油管网排产方案，因此软件具有良好的通用性，能够适用于不同的管网结构。3）软件可用性强、运行稳定，能够实现原油管网智能排产，有效降低人工劳动强度，提高管输计划的科学性、经济性和安全性。参考文献1 李雪，肖文涛.原油管网智能优化排产软件开发J.炼油技术与工程，2022，52（5）：44-47，64.2 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t表8（续）输油站输油站1输油站2输油站3类型输油输油输油方案详情输油库1储罐4沙重40 000 t，进输油站3油库3储罐10输油库1储罐9克拉夫30 000 t，进输油站3油库3储罐7输油库1储罐3沙轻40 000 t，进输油站3油库3储罐9输油库1储罐1巴士拉轻50 000 t，进输油站3油库3储罐11输油库2储罐1达连50 000 t，进输油站3油库3储罐5输油库2储罐2卢拉54 375 t，进输油站3油库3储罐6输油库2储罐9萨宾诺30 000 t，进输油站3油库3储罐8输油库3储罐5达连50 000 t，进炼厂1输油库3储罐1穆尔班400 00 t，进炼厂2输油库3储罐10沙重40 000 t，进输油站4油库4储罐1输油库3储罐6卢拉54 375 t，进炼厂1输油库3储罐2阿曼30 000 t，进炼厂2输油库3储罐3科威特18 724 t，进输油站4油库4储罐2输油库3储罐4科威特21 274 t，进输油站4油库4储罐2表8复杂管网排产方案矫捷等：原油管网智能化排产系统的开发与应用132023年8月施工安装8 朱海锋，李伟.长输管道水平定向钻穿越施工的冒浆风险及应对措施J.建设监理，2018（10）：74-77.9 吕旭鹏，刘艳辉，何银，等.海上定向钻穿越中的泥浆工艺浅析J.内蒙古石油化工，2016，42（6）：59-60.10 宋利华.水平定向钻法在管道穿河工程中的应用J.山东水利，2018（7）：39-40.11 魏华超，崔雁.ZT-TG500型推管机在哈尔滨松花江定向钻穿越中的应用J.地质装备，2018，19（3）：11-12，36.12 牛浩，崔长志，邵子璐.推管机在定向钻穿越工程中的应用J.石油工程建设，2014，40（2）：50-52.13 曾鹏升.陕京四线黄河穿越技术研究D.成都：西南石油大学，2016.14 李旦鸿，周海斌.长输管道定向钻回拖失败原因分析J.化工管理，2019（25）：159-160.15 陈皓.浅议引水工程拉管法施工工艺J.中国高新科技，2022（7）：140-141.作者简介：游赟（1980），男，重庆人，副教授，2010年毕业于西南石油大学化学工艺专业，现从事油气储运设计理论与施工技术相关研究。Email：收稿日期：2023-04-304 REDDY P，KARIMI I，SRINIVASAN R.Novel 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