甬绍金衢成品油管道调度计划自动编制软件研制与应用

马 晶， 廖 绮， 周星远， 张勤宾， 张浩然， 梁永图

(1.中国石油大学(北京) 城市油气输配集输北京市重点实验室, 北京 102249；2.中国石化 浙江甬绍金衢管道储运分公司,浙江 杭州 310000)

甬绍金衢成品油管道调度计划自动编制软件研制与应用

马 晶1， 廖 绮1， 周星远1， 张勤宾2， 张浩然1， 梁永图1

(1.中国石油大学(北京) 城市油气输配集输北京市重点实验室, 北京 102249；2.中国石化 浙江甬绍金衢管道储运分公司,浙江 杭州 310000)

甬绍金衢管道自投产以来，调度计划一直由专门人员通过大量试算手工编制，为保证计划能够合理和正常运行，往往还需要多人校核。计划编制耗时长、乏味枯燥、效率低的现状亟待改变。基于现场需求，开发了甬绍金衢成品油管道调度计划自动编制软件。该软件在考虑水力工况约束、站场操作约束和混油约束等基础上，采用连续时间表达法，以各个卸油站对各批次需求体积与实际卸载体积的偏差最小为目标函数，建立数学规划模型，并利用多线程求解器对模型进行求解。现场应用表明软件制定调度计划自动化程度高且完全满足现场生产需要。

成品油管道； 调度计划； 自动编制软件

甬绍金衢管道于2010年1月28日正式开工建设，经过三年多的建设期，2013年3月初开展了全线水联运，具备输油条件。该管道沿线途径宁波、绍兴、金华、衢州4个地市的13个县(区)，全长378 km，设绍兴、诸暨、义乌、金华、龙游5个卸油站。

近年来浙江成品油管道快速发展，管道输送工艺也越来越复杂，新建管道的投产方案制定、已建成管道的调度、水力计算等工作量越来越繁重。目前，甬绍金衢管道调度计划需要专门人员手工编制，为保证计划能够合理和正常运行，往往需要多人校核。

通常调度计划制定需要进行大量的手工试算，工作不仅耗时长，而且乏味枯燥，效率低。因此，亟需实现调度计划编制的程序化，以满足快速、准确编制调度计划的需要。

1 软件开发

1.1 技术难点

由于成品油管道具有油品种类多、工况变化大、调度难度大等特点，并且管道首站的油品输入计划与沿线各站的油品卸油计划之间存在不同步性，使得求解成品油管道调度计划十分复杂。

目前国内有些学者或者机构编制了针对成品油管道的各类模拟软件，但软件智能化程度尚待完善。比如宋飞等[1]开发的成品油管道调度计划软件，在制定调度运行计划时，需要人为给定分输站、分输油品的种类和批次，给定分输流量、分输开始时刻或分输结束时刻等信息，对操作人员过于依赖，没有实现自动编制功能；刘增哲等[2]编制的洛郑驻成品油管道仿真软件，将调度计划编制和水力模拟分为两个模块分别计算，编制的调度计划往往不能符合水力约束，需要反复试算，操作较复杂。

对于甬绍金衢成品油管道，在现场实际运行的过程中有许多区别于其他成品油管道的特殊工艺约束，并且这些约束很难统一考虑，包括管道流量约束、卸油站下载流量约束、油品切割约束、油品进站压力约束。这些特殊的工艺约束要求模型必须追踪批次界面，准确得知批次的到站时间来对不同批次采取特殊工艺。

本软件编制调度计划时，用户通过输入管道初始状态、首站输油计划及卸油站需求信息，软件可以自动进行计算，生成合适的批次调度计划，智能化程度高；建立的数学模型充分考虑了管道全线水力约束，确保编制的计划能够满足水力要求；模型也考虑了批次界面追踪，确保生成的计划满足甬绍金衢管道特殊工艺要求；软件采用多线程求解器求解，计算速度快，结果准确，相对于同类软件方便易用，可行性高。

1.2 理论依据

近年来，管道调度优化问题已成为学术界的热点问题，一些学者基于连续时间表达法，针对不同管网结构调度问题进行了研究，例如D. C. Cafaro[3-4]和S. Relvas[5]主要研究了单源管道，S. A. MirHassani[6]，P. M. Castro[7]专注于枝状管道，V. G. Cafaro[8]分析了网状管道，但求得的调度计划只是包含各站注入和下载体积的大概时间域，而不是具体操作时间。在随后的工作中，V.G. Cafaro[9-10]在模糊计划的基础上改进模型，能够求得详细调度计划。但是，目前的连续时间表达法MILP模型忽视了追踪批次到站和批次起止的时间点[11]，不能对特定批次到达特定的站场采取特殊操作，所以导致这些模型无法适用于工艺要求特殊的甬绍金衢管道。

通过对比大量优化模型，为更好的解决甬绍金衢成品油管道特殊工况问题，更好的满足该管道现场需求，最终选用H.R.Zhang[12]的模型作为理论依据。该文章基于已知的时间节点顺序建立线性规划(LP)模型，以卸油站需求量与实际下载量偏差最小为目标函数。模型考虑到了时间节点约束，油品卸油约束和批次运移约束，能够满足该管道提出的现场需求，并且采用蚁群算法(ACO)和单纯形法(SM)混合算法进行求解，结果可行。

1.3 实现思路

软件模型：基于H. R. Zhang[12]的理论模型，本软件的调度优化模块以批次到站时间、批次下载起始时间、批次下载终止时间、首站输入变批次时间、计划起终时间作为时间节点[13]，采用连续时间表达法[14-15]，考虑到时间节点约束、卸油计划约束、水力约束、管道流量约束、混油切割、混油越站约束等，以各个站对各批次需求体积与实际卸载体积的偏差最小为目标函数，建立数学规划模型，并利用多线程求解器对模型进行求解[16-18]。

实现过程：本软件模型把管道初始状态、首站注入计划和各卸油站需求信息作为已知条件，同时也作为判断模型是否达到目标的依据。按上述时间节点把整个计划运行周期划分成若干阶段，通过批次追踪把特定站场的约束考虑在内，建立相应模型求解得到每个阶段具体的时间点以及每个阶段每个站场都进行了何种操作。软件后台把这些信息进行加工整理，便能够得到现场需要的运行方案和调度计划。

计算假设：成品油管道顺序输送油品时，流态通常处于混合摩擦区或水力光滑区，采用对流态适应性较强的阿尔特舒利公式计算水力摩擦系数[19]。若管道中有两种油品，软件计算摩阻时，油品物性采用加权平均的方式进行计算。为了避免造成大量混油，输送过程中需要保证各管道输量不低于其最低输送流量[20]。停输时，为防止混油扩散，用柴油填充全线管道。同时，软件考虑了管道沿线所有站场输油泵的流量限制，卸油站的质量流量计和流量调节阀的流量范围以及分输进罐的流速要求，确保制定出的调度计划能够满足管道运行的水力条件。

2 软件功能

本软件基于浙江甬绍金衢成品油管道的基础数据，在考虑管道的水力工况约束、站场操作约束和混油等约束的基础上，综合考虑满足现场管道调度计划所需的约束条件，探索出适用于该管道的优化算法，基于C#计算机语言，开发了调度计划自动编制软件。

2.1 批次计划自动编制

软件可以根据用户输入的管道初始状态，首站输油计划及各卸油站需求量等数据，调用后台算法进行计算，自动生成完整的批次计划。软件生成的调度计划阶段数(如果输油过程中某一个时间段不需要变更操作，则该时间段记为一个阶段。因为需要根据输油情况进行调整操作，所以整个调度计划分为若干个阶段。阶段数是衡量是否需要频繁操作的一个指标，阶段数越少，计划越有利于现场操作)时间长短合理，有效规避了短时间内频繁操作的情况。同时，软件计算得出的泵站启泵方案基本与实际运行方案相同，全线压力变化规律符合现场实际，因此编制得到的批次计划基本不需要修改便可投入使用。

2.2 批次计划修改

为方便对已经制定的计划做灵活的调整，软件包含临时变更计划功能。用户可以打开已有的计划，在需要变更的时间点处将原有计划截断，软件会自动以截断时间点作为初始状态，重新计算，生成新的批次调度计划。

2.3 生成批次调度计划表

软件专门为浙江甬绍金衢成品油管道开发，生成的批次调度计划可以按照现场需求的格式导出。软件内嵌管道调度中心运行方案总表、输油时刻表和输油调度令三个日常所用的表格样式，并对表格进行了标准化、精细化校核，确保软件生成的表格能够适用于现场需求。

3 软件结构

软件的主体框架由计划管理、静态数据、动态数据、批次计划、启泵方案和帮助6大模块组成[21]，各模块功能如表1所示。用户填入计算所需的基本参数，便可以开始计算，编制批次调度计划。软件可以自动生成批次运移图和分输计划表，用户可以自行导出使用。

软件输入、输出模块采用了用户所熟悉的图表、Excel表格、对话框及数据文件等多种形式来显示和处理数据，符合用户习惯，直观明了，易于接受，不仅可以满足用户多种需求，而且便于用户修改模拟过程所需的各种参数[22]。

3.1 软件数据结构

现场数据繁琐零碎，复杂多样，为方便在软件中调用所需数据，本文将各种现场数据进行了归类汇总，整理成数据结构图，见图1。需要用户操作的数据分为静态数据和动态数据，这些是软件调用的数据，也是软件计算的依据。软件经过计算可以生成结果展示包含的四类信息，见图1。

图1 软件数据结构示意图

Fig.1 Schematic diagram of software data structure

3.2 软件设计流程

为更好的展示软件编制思路，将软件设计流程整理绘制成流程图，见图2。

图2 软件设计流程

Fig.2 Software design flow chart

如图2所示，用户首先新建计划，然后检查静态数据，输入动态数据，便可以点击计算按钮进行计算。算出的计划如果不需要调整，便可以直接导出结果；如果需要调整，可以执行计划调整操作，重新进行计划编制。

3.3 模块功能

软件模块功能如表1所示，主要介绍了6个模块，并对软件数据结构的进行了补充说明。

表1 软件模块功能一览表

4 应用算例

目前，该软件已经成功运用于浙江甬绍金衢管道成品油批次计划的日常生产管理。下面以软件生成2016年2月6日输油计划为例验证软件有效性。

4.1 管道初始状态

管道初始状态为全线充满柴油。管道自投产以来，首站批次输送顺序通常是“93#汽油-97#汽油-93#汽油-0#柴油”。为保证管道安全运行，每次分输计划结束，均以柴油铺底，末站要接收最后一个批次即柴油至少两个小时，所以管道初始状态为全线充满柴油。

4.2 卸油站需求

甬绍金衢成品油管道首站为算山站，现投入运行的下游卸油站分别为：绍兴、义乌、金华、龙游，诸暨站暂未投入运行。以2016年2月6日现场输油计划为例，下游各卸油站需求量和首站的注入计划量如表2所示。

表2 首站注入量和卸油站下载量汇总

4.3 批次计划制定

用户将管道初始状态，首站输入计划和卸油站需求计划分别输入后，点击计算按钮，软件便自动开始计算。计算结束，软件会给予相应提示：编制成功或者遇到问题。如果计划编制成功，用户便可以点击导入计划按钮，查看生成的计划。

4.4 结果对比分析

图3为软件整体界面及生成的该输油计划批次运移图截图，展示计算结果，软件在生成调度计划的同时，也计算得出了相应的启泵方案，如表3所示。

图3 软件计算结果界面及批次运移图

Fig.3 Softwareresult interface and batch migration diagram

现场手工编制该调度计划通常需要4～5人且需要两个或几个人分工协作，本软件仅用时136.2 s，编制速度提高100多倍。(软件运行硬件环境为Intel i7-4790(3.6 Hz，内存8 Gb，操作系统为win7 64位。)

从图3中可以看出，该软件编制的输油计划，各卸油站下载油品比较集中，首站注入流量波动控制在200 m3/h以内，避免了全线压力出现急剧变化。从表3中可以看出，软件计算得出的泵站启泵方案，避免了短时间内对泵进行频繁启停操作，符合现场操作要求。

各站场下载量统计结果如表4所示。

表3 软件计算得出的启泵方案

表4 各站场下载量结果统计表

由表4可知，手工编制计划偏差最大的是义乌卸油站，应下载0#普柴11 500 t，但实际共下载了11 371 t，偏差达到了-1.122%；而软件编制计划偏差最大的也是义乌站，比计划量少下载12 t，偏差仅为-0.104%。分析可知，现场手工编制的调度方案，由于手工计算量和编制规则的限制，实际下载量与计划量往往存在较大的偏差,不能满足全局最优的要求；本软件能够从全局角度权衡各卸油站的下载需求，编制的调度计划实际下载量与计划量偏差较小。

因此，软件编制计划的优势在于编制速度快，效率大幅提升；得出的方案避免频繁启停泵，符合现场操作习惯，可行性高，综合考虑管道全线，得出全局最优方案，下游各站实际下载量与计划量偏差非常小，远远优于手工编制的方案。

5 结论

甬绍金衢成品油管道调度计划自动编制软件充分考虑了甬绍金衢现场操作习惯和运行规范，添加了相应的约束条件，计算出的运行方案可行性强，为调度人员编制方案提供了强有力的参考。同时，软件能够快速输出批次运移图、运行计划总表、输油时刻表和调度令，缩短计划编制周期、增强计划安全性和可行性、降低运行成本，从而提高经济效益起到了非常重要的作用。

[1] 宋飞,梁静华,李会朵,等. 成品油管道调度计划软件的开发与应用[J]. 油气储运,2004,23(2):5-7. SongFei, Liang Jinghua, Li Huiduo, et al. The development and application of pipeline schedule and simulation software for products pipeline[J]. Oil and Gas Storage and Transportation， 2004, 23(2)：5-7.

[2] 刘增哲,梁永图,于达. 洛郑驻成品油管道仿真软件设计[J]. 油气储运,2009,28(4):34-37. Liu Zengzhe, Liang Yongtu, Yu Da. Design of simulation software for Luoyang-Zhengzhou-Zhumadian oil product pipeline[J]. Oil and Gas Storage and Transportation, 2009,28(4)34-37.

[3] Cafaro D C, Cerdá J. Optimal scheduling of multiproduct pipeline systems using a non-discrete MILP formulation[J]. Computers & Chemical Engineering, 2004, 28(10): 2053-2068.

[4] Cafaro D C, Cerdá J. Efficient tool for the scheduling of multiproduct pipelines and terminal operations[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2008, 47(24): 9941-9956.

[5] Relvas S, Matos H A, Barbosa-Póvoa A P F D, et al. Pipeline scheduling and inventory management of a multiproduct distribution oil system[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2006, 45(23): 7841-7855.

[6] MirHassani S A, Ghorbanalizadeh M. The multi-product pipeline scheduling system[J]. Computers & Mathematics with Applications, 2008, 56(4): 891-897.

[7] Castro P M. Optimal scheduling of pipeline systems with a resource-task network continuous-time formulation[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2010, 49(22): 11491-11505.

[8] Cafaro V G, Cafaro D C, Méndez C A, et al. Detailed scheduling of single-source pipelines with simultaneous deliveries to multiple offtake stations[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2012, 51(17): 6145-6165.

[9] Cafaro V G, Cafaro D C, Méndez C A, et al. Detailed scheduling of operations in single-source refined products pipelines[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2011, 50(10): 6240-6259.

[10] Cafaro V G, Cafaro D C, Méndez C A, et al. MINLP model for the detailed scheduling of refined products pipelines with flow rate dependent pumping costs[J]. Computers & Chemical Engineering, 2015(72):210-221.

[11] 张强, 梁永图, 王大鹏,等. 成品油管道调度计划算法的改进与应用[J]. 石油化工高等学校学报, 2008, 21(2):76-79. Zhang Qiang, Liang Yongtu, Wang Dapeng, et al. Improvement and application of the algorithm of making stripping schedule for certain multi-product pipeline [J]. Journal of Petrochemical Universities, 2008, 21(2):76-79.

[12] Zhang H R, Liang Y T, Xiao Q, et al. Supply-based optimal scheduling of oil product pipelines[J]. Petroleum Science, 2016, 13(2): 355-367.

[13] VioNeves-Jr, Leandro Magat. An efficient approach to the operational scheduling of a real-world pipeline network[J]. Computers and Chemical Engineering, 2007(24): 697-702.

[14] Neiro S M S, Pinto J M. A general modeling framework for the operational planning of petroleum supply chains[J]. Computers and Chemical Engineering,2004(28): 871-896.

[15] Cafaro D C, Cerda J. Optimal scheduling of multi-level tree-structure pipeline networks[J]. Computer Aided Chemical Engineering, 2011(29):980-984.

[16] Rejowski R Jr, Pinto J M. Scheduling of a multiproduct pipeline system[J]. Computers and Chemical Engineering, 2003, 27(8-9): 1229-1246.

[17] Westhoff M A. Scheduling, modeling and monitoring transportation and exchange gas[C]//PSIG Annual Meeting. Pipeline Simulation Interest Group, 1989.

[18] Shah N.Mathematical programming techniques for crude oil scheduling[J]. Computers and Chemical Engineering, 1996(20):1227-1232.

[19] 杨筱蘅.输油管道设计与管理[M].东营：中国石油大学出版社，2011: 52.

[20] 付晓东, 王岳, 付吉强,等. 混油对成品油管网优化设计的影响分析[J]. 石油化工高等学校学报, 2010, 23(3):90-93. Fu Xiaodong, Wang Yue, Fu Jiqiang, et al. Mixed oil influence analysis in the product pipeline network optimal design [J]. Journal of Petrochemical Universities, 2010, 23(3):90-93.

[21] 梁永图. 西南成品油管道输送模拟软件[J]. 油气储运,2006,25(6):11-14. Liang Yongtu. The development of simulation software for South-West multi-product pipeline operation[J].Oil and Gas Storage and Transportation,2006,25(6)：11-4.

[22] 郭秋麟,陈宁生,刘成林,等. 油气资源评价方法研究进展与新一代评价软件系统[J]. 石油学报,2015,36(10):1305-1314. Guo Qiulin, Chen Ningsheng, Liu Chenglin, et al. Research advance of hydrocarbon resource assessment method and a new assessment software system[J]. Aeta. Petrolei. Sinica., 2015,36(10):1305-1314.

(编辑 王亚新)

The Development and Application of Automatic Scheduling Software for Yongshaojinqu Products Pipeline

Ma Jing1, Liao Qi1, Zhou Xingyuan1, Zhang Qinbin2, Zhang Haoran1, Liang Yongtu1

(1.BeijingKeyLaboratoryofUrbanOilandGasDistributionTechnology,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing102249,China;2.SinopecZhejiangYongshaojinquPipelineCompany,HangzhouZhejiang310000,China)

Since the production of Yongshaojinqu pipeline started, the scheduling plan was generally calculated by special stuff through a manual preparation, which needed a number of tentative calculations, and it was tedious and time-wasting. The plan needs to be checked by several engineers to ensure that it is reasonable and safe enough to be used in the field. To deal with the problems mentioned above and achieve the goal of making scheduling plan automatically, the software is developed by China University of Petroleum(Beijing). Through taking the hydraulic conditions constrains, operational constraints and contaminated oil constraints into consideration, a scheduling programming model is established using continuous time expression with the basis of demand volume and the actual delivering volume in each station for the minimum objective function. Moreover, in order to accelerate the speed of solving, a multithreaded solver is used to solve the model. The software has been applied on-site until now. In addition, it is verified that the software calculates fast and automatically and can meet the production requirements perfectly.

Products pipeline; Scheduling plan; Automatic scheduling software

1006-396X(2016)06-0086-06

投稿网址：http://journal.lnpu.edu.cn

2016-07-25

2016-09-26

国家自然科学基金资助项目“成品油管道批次输送过程中的复杂传热传质机理研究”(51474228)。

马晶(1991-)，男，硕士研究生，从事油气长距离管输和油气田集输方面的研究；E-mail：cupmajing@163.com。

梁永图(1971-)，男，博士，教授，从事油气长距离管输和油气田集输方面的研究；E-mail：liangyt21st@163.com。

TE832

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2016.06.017