油氣儲運工程最優(yōu)化概述

油氣儲運工程最優(yōu)化概述第1頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日最優(yōu)化？最大or最小第2頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日第3頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日第4頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日OperationsResearch運籌學第5頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日第6頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日第7頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日第8頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日第一章線性規(guī)劃的基本概念及基本原理第二章線性規(guī)劃求解的基本方法第三章對偶線性規(guī)劃問題第四章整數(shù)線性規(guī)劃第六章非線性規(guī)劃問題及其數(shù)學基礎第七章單變量函數(shù)的尋優(yōu)方法第八章無約束條件下多變量函數(shù)的尋優(yōu)方法第十一章動態(tài)規(guī)劃方法簡介目錄概述第9頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日第10頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日參考課程第11頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日教材：《最優(yōu)化應用技術》盧名高編 石油工業(yè)出版社2002年11月第2版參考資料:安家榮編，油氣儲運系統(tǒng)最優(yōu)化，校內教材范鳴玉編，最優(yōu)化技術基礎，清華大學出版社運籌學，清華大學出版社《優(yōu)化設計及應用》孫國正主編人民交通出版社《優(yōu)化技術及其應用》何獻忠編北京理工大學出版社MatlabOptimizationToolboxUser’sGuide軟件工具:MatlabC/C++/C#/Java…概述第12頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日參考文獻:參考課程（MITOpenCourse）第13頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日課程安排

授課：1-14周

編程：4學時成績考試：80%平時：20%第14頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日第15頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日第16頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日第17頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日第18頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日In1939,Kantorovichpresentedanumberofsolutionstosomeproblemsrelatedtoproductionandtransportationplanning.DuringWorldWarII,Koopmanscontributedsignificantlytothesolutionoftransportationproblems.KantorovichandKoopmanswereawardedaNobelPrizeineconomicsin1975fortheirworkonthetheoryofoptimalallocationofresources第19頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日第20頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日本課程講述油田勘探、開發(fā)、石油化工以及生產管理中的最優(yōu)化數(shù)學模型。通過對本課程的講述，能使學生對線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃的有關知識有所了解。在線性規(guī)劃部分里，介紹線性規(guī)劃的基本理論、單純形方法、對偶理論、整數(shù)規(guī)劃和應用舉例；非線性規(guī)劃部分包括無約束問題的最優(yōu)化原理、單變量和多變量的最優(yōu)化算法；同時介紹了動態(tài)規(guī)劃的基本概念和常用算法。課程介紹概述第21頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日最優(yōu)化原理可這樣闡述：一個最優(yōu)化策略具有這樣的性質，不論過去狀態(tài)和決策如何，對前面的決策所形成的狀態(tài)而言，余下的諸決策必須構成最優(yōu)策略。簡而言之，一個最優(yōu)化策略的子策略總是最優(yōu)的。一個問題滿足最優(yōu)化原理又稱其具有最優(yōu)子結構性質。最優(yōu)化方法（也稱做運籌學方法）是近幾十年形成的，它主要運用數(shù)學方法研究各種系統(tǒng)的優(yōu)化途徑及方案，為決策者提供科學決策的依據(jù)。最優(yōu)化方法的主要研究對象是各種有組織系統(tǒng)的管理問題及其生產經營活動。最優(yōu)化方法的目的在于針對所研究的系統(tǒng)，求得一個合理運用人力、物力和財力的最佳方案，發(fā)揮和提高系統(tǒng)的效能及效益，最終達到系統(tǒng)的最優(yōu)目標。什么是最優(yōu)化原理與方法

概述第22頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日實踐表明，隨著科學技術的日益進步和生產經營的日益發(fā)展，最優(yōu)化方法已成為現(xiàn)代管理科學的重要理論基礎和不可缺少的方法，被人們廣泛地應用到公共管理、經濟管理、國防等各個領域，發(fā)揮著越來越重要的作用。本章將介紹最優(yōu)化方法的研究對象、特點，以及最優(yōu)化方法模型的建立和模型的分析、求解、應用。主要是線性規(guī)劃問題的模型、求解（線性規(guī)劃問題的單純形解法）及其應用――運輸問題；以及動態(tài)規(guī)劃的模型、求解、應用――資源分配問題。

什么是最優(yōu)化原理與方法

概述第23頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日油氣儲運系統(tǒng)優(yōu)化設計思路最優(yōu)化問題：如何從可行方案中找出最優(yōu)方案的問題可行方案：一個方案能達到預定的目的；滿足約束條件。最優(yōu)方案：可行方案中最好的方案，達到最優(yōu)的效果。最優(yōu)化所包含兩層含義：（1）尋找最優(yōu)方案的過程（2）由最優(yōu)方案產生的效果數(shù)學極值或條件極值按性質分類：（1）最小化問題：用最小的資源消耗完成規(guī)定的任務。（2）最大化問題：以一定的資源消耗達到最大的效益。概述第24頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日建立最優(yōu)化問題數(shù)學模型的三要素：（1）決策變量和參數(shù)。決策變量是由數(shù)學模型的解確定的未知數(shù)。參數(shù)表示系統(tǒng)的控制變量，有確定性的也有隨機性的。（2）約束或限制條件。由于現(xiàn)實系統(tǒng)的客觀物質條件限制，模型必須包括把決策變量限制在它們可行值之內的約束條件，而這通常是用約束的數(shù)學函數(shù)形式來表示的。（3）目標函數(shù)。這是作為系統(tǒng)決策變量的一個數(shù)學函數(shù)來衡量系統(tǒng)的效率，即系統(tǒng)追求的目標。第25頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日建立數(shù)學模型的基礎——系統(tǒng)分析1、系統(tǒng)----由相互聯(lián)系的若干部分構成的具有一定功能的整體。如：埋地熱油管道系統(tǒng)（管線、泵站、加熱站、原油）系統(tǒng)基本特征：1）系統(tǒng)由若干部分組成，每一部分具有特定的功能。2）系統(tǒng)中的各個要素之間相互制約、聯(lián)系和作用。3）系統(tǒng)是具有一定功能的整體，系統(tǒng)的總功能不等于各個部分功能的簡單的迭加，系統(tǒng)的整體功能大于各部分的功能之和。4）系統(tǒng)存在于一定的環(huán)境中，系統(tǒng)與環(huán)境之間存在相互作用，系統(tǒng)與環(huán)境的劃分是相對的，對于一個系統(tǒng)是環(huán)境，而對于另一個系統(tǒng)而言可能是其中的一部分。概述第26頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日2、系統(tǒng)分析法——包括以下內容：1）確定所研究系統(tǒng)的范圍及其所處的環(huán)境。如：一條長輸管道的優(yōu)化運行問題，要確定研究的是管道系統(tǒng)本身，還是與油田、煉廠統(tǒng)一起來考慮，兩種情況就不一樣。2）確定系統(tǒng)的組成部分、結構、功能、目的、各部分的功能和內部規(guī)律。如：長輸管道系統(tǒng)，要確定有幾個泵站？幾個加熱站？各站有幾臺泵？最大和最小輸油能力？每個站有幾臺加熱爐？發(fā)熱能力如何？泵與站的關系如何？是先爐后泵還是先泵后爐？設備與管道的承壓能力如何？等等………概述第27頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日3）明確系統(tǒng)各個部分之間的關系及整個系統(tǒng)與環(huán)境之間的聯(lián)系。4）在上述分析的基礎上，確定問題的決策變量及評價方案優(yōu)劣的標準（即目標函數(shù)）。如長輸管道優(yōu)化運行問題中的進站油溫為決策變量等.概述第28頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日以安全可靠、經濟合理的方式保質保量地完成原油、天然氣及石油產品的運輸和儲存。由于儲存和運量大，運距又長，故油氣儲運設施及系統(tǒng)的規(guī)模一般比較大，需要大量的投資和經營費用。對于這種大規(guī)模的工程系統(tǒng)，其設計或運行方案稍有改變就可能導致費用的很大變化，因此對這種系統(tǒng)的規(guī)劃、設計、運行進行最優(yōu)化就很有必要，并具有重要的經濟意義。國外自上世紀60年代初就開始將最優(yōu)化方法應用于油氣儲運系統(tǒng)。國內起步較晚，直至上世紀八十年代初才開始這方面的研究工作。油氣儲運專業(yè)的任務概述第29頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日1、成品油最優(yōu)調和方案的制定在煉廠或商品油庫中，經常要進行成品油調和業(yè)務。這是因為從煉廠設備中生產出來的是組分油，而國民經濟各行各業(yè)對成品油的需求是多種多樣的，這就需要用幾種組分油調和多種規(guī)格的成品油。對于一個煉廠或商品油庫來說，一般為了獲取最大利潤，需要在組分油總量一定的情況下，確定各種規(guī)格油品的產量，使總利潤最大。概述第30頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日2、商品油庫的最優(yōu)進貨計劃的制定商品油庫是專門進行油品買賣業(yè)務的企業(yè)，它靠油品的進出庫差價來獲取利潤，而油品的進貨價可能隨月份有所不同，因此，對于商品油庫來說，存在一個最優(yōu)進貨計劃問題。概述第31頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日3、商品油庫的最優(yōu)規(guī)劃與最優(yōu)布局問題在貨源及銷售情況、庫區(qū)的地形及水陸交通情況等外部環(huán)境因素已定的條件下，為了使油庫建成后能獲得最佳綜合效益，客觀上就存在一個最優(yōu)規(guī)劃作業(yè)區(qū)、工藝管線優(yōu)布局問題。商品油庫最優(yōu)規(guī)劃與最優(yōu)布局的主要內容有：各種油品的最優(yōu)容量、油罐的最優(yōu)規(guī)格及數(shù)目的確定，各類工藝及輔助設施的最優(yōu)規(guī)格和臺數(shù)、各條管線的最優(yōu)尺寸的確定，油罐區(qū)、各類泵房、鍋爐房、收發(fā)油作業(yè)區(qū)、工藝管線等工藝設施以及道路、給排水、供電、消防等輔助設施的總體最優(yōu)布局。可見，商品油庫最優(yōu)化規(guī)劃與最優(yōu)布局是一個相當復雜的大系統(tǒng)最優(yōu)化問題。概述第32頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日全國長輸油氣管道分布示意圖林源鐵嶺秦皇島北京濮陽滄州靖邊馬嶺石空輪南庫爾勒鄯善烏魯木齊大連拉薩格爾木花土溝賽漢塔拉阿爾善成都重慶魏崗荊門洛陽南京青島東營臨邑克拉瑪依獨山子廣州三亞香港東方原油天然氣成品油銀川西安茂名湛江石家莊塔中火燒山鄭州洪湖平湖上海舟山哈爾濱吉化概述第33頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日4、長輸管道的最優(yōu)設計長輸管道主要有三種類型：原油管道、成品油管道和輸氣管道。在長輸管道的設計中都存在最優(yōu)路徑、最優(yōu)管徑、最優(yōu)壁厚、最優(yōu)泵站數(shù)（壓氣站數(shù)）的確定問題。對于原油管道，一般采用加熱輸送工藝，所以還存在最優(yōu)加熱站數(shù)的確定問題。對于成品油管道，如果采用順序輸送，則還存在最優(yōu)輸送順序、最優(yōu)循環(huán)次數(shù)、首末站最優(yōu)儲罐容量等一系列優(yōu)化問題。概述第34頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日主要包括局部方案優(yōu)化和全項目方案優(yōu)化。局部方案優(yōu)化：線路走向的方案優(yōu)化，一般說來投資少者的方案為優(yōu)。管徑選擇和設備選擇的方案優(yōu)化，一般采用費用現(xiàn)值法，費用現(xiàn)值低者的方案為優(yōu)。全項目方案優(yōu)化：由于線路走向和管徑選擇制約了站場設置和公用工程的設置，因此每一個線路走向和管徑選擇方案必然帶來一個全項目方案。在輸量相同的情況下，全項目方案的優(yōu)化，一般說來采用費用現(xiàn)值法和最低運價法，以費用現(xiàn)值最少或運價最低者的方案為優(yōu)。最低運價即是按國家或行業(yè)規(guī)定的基準收益率，利用現(xiàn)金流量表返求出來的運價。概述第35頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日5、長輸管道的優(yōu)化運行長輸管道在運行過程中，各種運行條件如地溫、總傳熱系數(shù)、油品性質都會發(fā)生變化，這就需要管道運行管理人員根據(jù)當前的運行條件制定最優(yōu)的運行方案。對于熱油管道，需要確定各泵站的最優(yōu)升壓值組合，即最優(yōu)開泵方案。概述第36頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日6、輸油管道最佳月輸油計劃確定長輸管道在輸油任務一般以月為單位下達。對于一條長輸管道，總有幾種節(jié)流量最小的開泵方案。如對于有六座泵站的長輸管道，節(jié)流量最小的開泵方案一般有：六座泵站全開、開三座泵站、開一座泵站，每種開泵方案都對應有一個輸量，也就是說，一條長輸管道總存在幾個節(jié)流量最小的輸量。如果管道按月平均輸量運行，節(jié)流量可能很大，為了使能耗最小，可以用不同的輸量運行不同的時間，從而滿足月輸油任務的要求。這就需要根據(jù)月輸油任務，制定最佳的月輸油計劃（運行方案）。概述第37頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日7、礦場油氣集輸系統(tǒng)的最優(yōu)化問題概述第38頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日包括礦場油氣集輸系統(tǒng)的優(yōu)化設計和優(yōu)化運行。目前我國油田礦場油氣集輸系統(tǒng)大多采用“三級管理”的小站流程，即計量站、轉油站和聯(lián)合站。對于這種流程，優(yōu)化設計的主要內容包括：在油井分布和油井產量一定的條件下，確定計量站、轉油站和聯(lián)合站的最優(yōu)數(shù)目，油井與計量站、計量站與轉油站、轉油站與聯(lián)合站的最優(yōu)隸屬關系。各站之間由油、氣、水管道連接，形成一個樹枝狀的網(wǎng)絡系統(tǒng)。對于這樣一個網(wǎng)絡系統(tǒng)，要確定各站的最佳規(guī)模、各種設備的最優(yōu)規(guī)格及臺數(shù)、各類工藝管道的最優(yōu)尺寸等。7、礦場油氣集輸系統(tǒng)的最優(yōu)化問題概述第39頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日我國各地區(qū)油氣產品的生產、加工和消費很不平衡，為滿足全國煉廠對原油的需求和各地區(qū)對成品油的需求，實現(xiàn)全國范圍內的采、煉、銷的綜合平衡，使國家獲得最佳的宏觀經濟效益，就存在一個油氣產品的合理分配與運輸問題。8、全國油氣產品的合理分配與運輸概述第40頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日1、澳大利亞石油天然氣公司OMV的天然氣集輸系統(tǒng)，在1971-1973年間采用純線性規(guī)劃（LP）和混合整數(shù)規(guī)劃（MIP）進行優(yōu)化。當時的計算條件在計算5個離散變量時需要一個小時。經過優(yōu)化器的優(yōu)化后，系統(tǒng)中燃料天然氣可節(jié)約5%-30%。2、弗羅里達天然氣輸送管網(wǎng)系統(tǒng)長約850km,22065kW的輸送功率，日送氣量約16744m3/d。這條輸氣管道不象北美地區(qū)其它的輸氣管道，該系統(tǒng)送氣高峰在夏季。1997年，該系統(tǒng)用優(yōu)化技術對運行進行了優(yōu)化，結果表明能更好地操作管道，同時還能考慮天然氣輸送公司和顧客的利益。3、德州東部輸氣公司（TETCO）的管道系統(tǒng)大約有近1561km長的管道，包括74個壓縮機站。該系統(tǒng)從靠近麥卡倫的墨西哥邊界，延伸到紐約州的Staten島。1998年的研究表明，在TETCO的管道系統(tǒng)中采用優(yōu)化技術后，每年要節(jié)約300萬美元的費用。而采用同樣的技術，在美國CGT的管道上每年則要節(jié)約400萬美元。概述第41頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日優(yōu)化問題建模第42頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日示例：制造問題AmanufacturerproducesfourdifferentproductsX1,X2,X3,andX4.Therearethreeinputstothisproductionprocess:laborinmanweeks,kilogramsofrawmaterialA,andboxesofrawmaterialB.Eachproducthasdifferentinputrequirements.supposethatoneunitofproductX1sellsfor$6,andX2，X3,andX4sellfor$4,$7,and$5,respectively.求生產安排，以獲得最大收益。第43頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日第44頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日優(yōu)化問題建模第45頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日第46頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日第47頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日第48頁，共50頁，2023年，2月20日，星期日Thegoaloflinearprogrammingistodeterminethevaluesofdecisionvariablesthatmaximizeorminimizealinearobjectivefunction,wherethedecisionvariablesaresubjecttolinearconstraints.Alinearprogrammingproblemisaspecialcaseofageneralconstrainedoptimizationproblem.Inthegeneralsetting,thegoalistofindapointthatminimizestheobjectivefunctionandatthesametimesatisfiesthec