1
管道壓降計算
一 概述
管道壓降為管道摩擦壓降、靜壓降以及速度壓降之和。
管道摩擦壓降包括直管、管件和閥門等的壓降，同時也包括孔板、突然擴大、突然縮小以及接管口等產生的局部壓降；靜壓降是由于管道始端和終端標高差而產生的；速度壓降是指管道始端和終端流體流速不等而產生的壓降。
對復雜管路分段計算的原則，通常是在支管和總管（或管徑變化處）連接處拆開，管件（如異徑三通）應劃分在總管上，按總管直徑選取當量長度。總管長度按最遠一臺設備計算。
對因結垢而實際管徑減小的管道，應按實際管徑計算。
管壁粗糙度的選用應考慮到流體對管壁的腐蝕、磨蝕、結垢以及使用情況等因素。如無縫鋼管，當流體是石油氣、飽和蒸汽以及壓縮干空氣等腐蝕性小的流體時，可選取絕對粗糙度ε＝0.2mm；輸送水時，若為冷凝液（有空氣）則取ε＝0.5mm；純水取ε＝0.2mm；未處理水取ε＝0.3～0.5mm；對酸、堿等腐蝕性較大的流體，則可取ε＝1mm或更大些。
對工程設計中常見的牛頓流體的單相流、汽液兩相流管道壓降可利用aspen plus的相關模型或者楊總編的excel壓降計算程序來計算，二者差別不大。非牛頓流體的流動阻力以及氣力輸送和漿液流管道的壓降計算參見有關專題。 二 基本信息和物性模型的選擇
為利用Aspen plus計算管道壓降，首先必須在確定組分的條件下，選擇合適的物性計算模型。
Aspen 模擬流程的一般計算步驟如下：
1 啟動Aspen用戶界面程序，快捷方式名稱Aspen plus user interface，對應可執行程序為apwn.exe。
該快捷方式通常位置：程序-->Aspentech-->Aspen Engineering suit-->Aspen plus 10.2--> Aspen plus user interface。可用右鍵單擊，將其復制到桌面上來。
在啟動窗口Aspen plus startup選擇Template選項，單擊ok，在隨后出現的窗口中的Simulations標簽下根據應用類別選擇一合適的模板，比如Chemicals
2
with Metric Units，適用于化學品制造工業，計算中采用公制單位。Run type選擇默認的flowsheet。
2 點擊Data菜單中的setup選項或者工具欄中的setup按鈕，出現數據瀏覽器窗口。在setup組的specifications選項中給出模擬的標題或者保持默認的空白。
點擊紅色買粉絲ponents組中的紅色specifications選項，從數據庫中選擇適當組分。
點擊properties組，根據應用類型在process type里選擇合適選項，如Chemical，然后在Base method里選擇合適的物性模型。通常Base method里的物性模型都適用于該類型的應用，如要選擇最準確的模型，選擇方法參見幫助主題的properties-->Chapter 2 property Method Description-->Classification of P琺筏粹禾誄鼓達態憚卡roperty Methods and Re買粉絲mended Use或者參考手冊User guide的第7章。然后點擊binary interaction 組中對應物性模型的二元交互參數選項。 三 模擬流程和管道模型的建立
1 計算管道壓降的模型有兩種，其一為pipe，其二為pipeline。Pipe模型用于模擬單一入口和出口的物料流股。流動型式為一維、穩態、完全發展的流動(無進口效應)。可進行一、二、三相計算，流動方向和標高可任意變化，管件阻力也可計算。Pipeline用于計算多段不同管徑和標高的管道，不包括管件阻力的計算。
在模型庫pressure changer里面選擇pipe模型，放入流程窗口，然后用物料流股連接出口和入口，完成流程構造。
2 輸入模型和流股數據
在Setup PipeParameters表單里輸入管長、管徑、粗糙度和角度或者上升下降距離。 管徑選擇參見《工藝系統工程設計技術規定》之6――管徑選擇（P141）或者《化工工藝設計手冊》p38，根據管道內常用流速范圍選定合適流速，求出對應管徑，并根據管徑系列做圓整。或者先給一管徑初值，待壓降計算出之后，根據壓降要求及流速做相應修正。
在Setup ThermalSpecification表單里選擇溫度變化模式，默認為等溫。 在Setup fittings表單中指定閥門、三通、彎頭的數目及其他管件的當量系數。 當量系數可參考《工藝系統工程設計技術規定》之7――管道壓力降計算中
3
表1.2.4-2及1.2.4-3。
指定入口流股的壓力、溫度、流量和組成等數據。
四 運行結果檢驗和管徑調整
運行aspen plus求得相應結果。
按照壓降要求，如果管道發生阻塞，可加大管徑或者提高入口壓力。 依據《工藝系統工程設計技術規定》之7――管道壓力降計算，對摩擦壓力降計算結果取1.15倍系數來確定系統的摩擦壓降，但對靜壓力降和其他壓力降不乘系數。
系統總壓降為管道、調節閥、流量計孔板等壓降之和。調節閥的允許壓降通常占系統總壓降的25％～60％，如果系統總壓降超過允許值或調節閥壓降所占比例不合適，則需調整管徑。
管徑調整參見《工藝系統工程設計技術規定》之6――管徑選擇（P141）或者《化工工藝設計手冊》p38，根據管道內常用流速范圍或者一般壓降控制值來修正管徑。對湍流區，通常壓降與管徑的4次方成正比。估算管徑之后，根據管徑系列進行圓整，再次運行aspen plus，求得相應結果。 五 其他壓降計算
1 調節閥
采用Valve模型，給定閥參數可進行調節閥的核算。 2 孔板
根據aspen計算得到流體的定壓熱容和定容熱容以及壓縮系數，根據流體的定壓熱容和定容熱容求得絕熱指數k，然后利用《工藝系統工程設計技術規定》之15――管路限流孔板的設置提供的方法進行計算。
第一章 緒論
第一節 輸油管道概況
第二節 輸油管道的勘察與設計
習題
第二章 等溫輸油管道的工藝計算與運行管理
第一節 輸油泵站的工作特性
第二節 輸油管道的壓能損失
第三節 等溫輸油管道的工藝計算
第四節 等溫輸油管道設計方案的技術經濟比較
第五節 等溫輸油管道設計計算的基本步驟
第六節 等溫輸油管道的運行管理
習題
第三章 熱油輸送管道的工藝計算與運行管理
第一節 熱油輸送管道的特點
第二節 熱油輸送管道的溫降計算
第三節 熱油輸送管道的摩阻計算
第四節 熱油輸送管道設計方案的優化
第五節 熱油輸送管道設計計算的基本步驟
第六節 輸油站設計
第七節 熱油輸送管道的日常運行管理
習題
第四章 成品油順序輸送
第一節 成品油順序輸送的特點
第二節 混油過程和混油量的計算
第三節 管路終點混油段的切割
第四節 順序輸送設計和管理中的特殊問題
習題
附錄
附錄A 易凝高粘原油的流變特性
附錄B 某輸油末站擴建工藝設計圖
附錄C 工藝管道圖中常用的圖例符號
參考文獻
目前國內能耗預測主要以人工經驗法預測為主，即工程師根據經驗，分別計算各站場、各設備功率，從而計算出總耗能量。這種方法的缺陷是，其為主觀預測，客觀性不強；且沒有統一標準，受不同工程師預測的結果有較大差異；總體預測精度不高，預測誤差一般在20%左右，且隨機性很強。
目前國內油氣管道優化運行理論與方法尚處于摸索階段，能效分析與評價方法的研究尚處于起步階段，基本上還處于國外20世紀80年代的技術水平，尚沒有專門用于油氣管道（網）能效分析和評價的商業軟件。近幾年，國內組織相關科研單位合作完成了“多氣源、多用戶天然氣管網優化運行軟件開發”項目。此項目開發的通用軟件為實現干線輸氣管道（網）穩態優化運行奠定了基礎，但是在實用性和通用性方面還比較欠缺，且其功能不能滿足油氣管道（網）能效分析和評價的需要。
近年來國內出現基于管道穩態工藝仿真進行能耗預測的實驗性嘗試。這種嘗試大體分為兩大類：一類是基于自主研發的初級穩態工藝仿真軟件，在進行油氣管道設計優化、運行優化的同時，也在一定程度上實現了管道能耗預測；另一類是基于國際上成熟的穩態工藝仿真軟件，在使用軟件進行運行方案校核的同時，根據軟件計算的功率折算運行方案對應的耗能量。
在第一類嘗試中出現的初級穩態工藝仿真軟件主要有：
HOPOPTA軟件，該軟件是熱油管道穩態優化運行軟件，該軟件的基本功能是：在給定輸油流量的前提下，根據管道全線單位時間內的總能耗費用最低的原則確定熱油管道的穩態優化運行方案。該軟件的主要應用對象是鐵嶺—大連、鐵嶺—秦皇島輸油管道，但原則上也適用于其他采用加熱輸送方式的輸油管道。
Simu Opt2007，該軟件針對干線輸氣管網（線）運行進行仿真和優化計算，得出穩態優化運行方案；描述壓縮機、驅動機特性，輸出數據和繪制圖形；在此基礎上分析能耗費用優化和管存優化的運行規律。
PIPECAD軟件，在建立模型和算法的基礎上，開發了輸油管道總體工藝方案設計實用軟件PIPECAD。該軟件具有等溫輸油管道總體工藝方案設計優選、加熱輸油管道總體工藝方案優選、人機交互設計、方案校核和輔助計算等功能，軟件界面友好、操作簡單，可以幫助設計人員盡快找到技術上可行、經濟上最優或較優的方案。根據本文提出的總體工藝方案設計方法，在Windows環境下用VB語言開發了輸油管道總體工藝方案設計軟件PIPECAD。該軟件具有輸油管道總體工藝方案設計優選及圖上調整站址的功能，另外還具有一些輔助計算功能。
ECRPOP軟件，長輸原油管道能耗定額測算研究，原油長輸管道能耗定額測算軟件（以下簡稱ECRPOP），只適用于魯寧線、東黃復線和東臨復線這三條管線。具體功能包括：
1）能耗定額測算，包括定流量穩態優化運行能耗測算，工藝計算插值法能耗測算，統計預測法能耗測算。
2）考核時段（年、月等）內任務輸量的概率分布，考慮輸量概率分布下的管道能耗測算。
3）魯寧線、東黃復線和東臨復線的歷史能耗數據管理，包括日報表數據管理和月報表數據管理。
4）實用小工具，包括混油物性計算，輸油泵特性回歸等。
MPPOD成品油管道工藝方案優化設計軟件，其以成品油管道系統計算期內總費用現值最小為目標函數，建立了干線成品油管道工藝方案優化設計的數學模型，分析了分輸方式、分輸流量變化及工藝計算參數的選取等問題。在所求得的最優工藝方案基礎上，通過改變一些計算參數如鋼管價格、電價、泵站計算參數的取值，分析工藝參數變化對工藝方案的影響。
在第二類嘗試中選用的穩態工藝仿真軟件主要有SPS和TGNet、TLNet。
無論是第一類嘗試還是第二類嘗試，也都有著明顯的技術缺陷，其與國際上廣泛應用的先進解決方案在原理上存在本質差別。
第一類嘗試方式的主要缺陷為：
1）作為能耗預測基礎工具的初級穩態工藝仿真軟件，由于其多為針對某條特定管道、某個特定管網設計，其自身功能的局限性較強、適應性差；
2）初級穩態工藝仿真軟件多不具備自動優化功能，或其優化功能需要過多的人工干預，客觀性不強。
第二類嘗試方式的主要缺陷主要為：
1）穩態工藝仿真軟件需要針對管道建立模型，而國內技術人員的建模習慣與國外有很大差異，國外建模細致、精度高，針對管道運行的模擬通常要建立管道的完整模型，而國內建模較粗，且大多不會建立包括原動機特性曲線在內的完整，甚至泵、壓縮機特性曲線的建立也不完整，造成無法計算能耗或無法準確計算能耗；
2）SPS和TGNet、TLNet穩態工藝仿真軟件不具備自動優化功能和能耗預測功能，進行能耗預測需要過多的人工干預，影響預測客觀性。
演繹法能效評價與運行優化是密不可分的，演繹法能效評價是基于演繹法能耗預測的客觀、可量化的能效評價方式。采用演繹法能效評價方式對油氣管道進行能效評價，一般情況下需要先建立最優化數學模型并求解，然后借助工藝仿真計算，得到理想狀態下管道最低運行能耗數據；再以得出的耗能量數據和其他能效指標為基礎，綜合考慮可操作性、仿真誤差等因素，進行校正，得到可行的最低耗能量和最優能效指標，即管道運行經過優化后的能效數據，將報告期管道耗能量數據和相應能效指標以一定的方式與仿真計算校正結果相比較，再采用一定的方法進行評價。
需要注意的是，工藝仿真計算的方法以及以其為算法設計的仿真軟件本身并不具備計算出最優運行方案的功能，必須先將運行方案優化轉化為最優化求解問題，再配合工藝仿真才能得到優化后的運行方案。因此，最優化算法在油氣管道運行優化方面的應用是演繹法能耗評價的核心。
油氣管道運行優化是一項復雜的工作，下面簡要介紹一下優化技術在長距離輸油管道運行管理中的應用情況。長距離輸油管道輸量大，運距長，全年連續運行，燃料消耗和動力消耗很大。為了最大限度地降低輸油能耗，除了在設備方面采取措施外，還必須應用優化技術使管道處于最優運行狀態。早在20世紀60年代，Jefferson（1961）就對這一問題進行了探討。他假定輸量一定，根據各泵站所能提供的壓力的不同，應用動態規劃方法求解總壓力在各泵站的合理分配，這種方法所求解出的最優運行方案實際上是等溫輸油管道的最優運行方案。1980年，Gropal提出了一個對管道泵站的運行進行最優化的方法，目標是根據每臺泵的動力消耗決定開哪些泵機組，在保證流量的前提下使動力費用最小；用整數規劃方法確定每座泵站的最優泵組合，應用動態規劃方法確定每座泵站的最優升壓值。從20世紀80年代起，我國開始長距離熱油管道優化運行技術的研究工作，以能耗費用（動力費用＋熱力費用）為目標函數，以各站的進站油溫和升壓值為決策變量，提出了一些簡化的和較完善的數學模型。
求解過程一般分為兩個階段：第一階段，先不考慮泵站條件約束，用非線性規劃方法（如0.618法或方向加速法）確定各站的最優進站油溫；在各站的最優進站油溫求解結果的基礎上，用整數規劃和動態規劃方法確定各站的最優泵組合及各站的最優升壓值組合，并根據節流量最小的原則調整各站的進站油溫；第二階段，根據第一階段求得的結果，編制出完成上級部門計劃（即給定的總輸油量）并使總能耗費用最小的給定時間內（一般為一個月）的輸油計劃，即決定采用哪幾種輸量運行及其運行的天數。
對于正在運行的熱油輸送管道，其經濟性可用能耗費用、輸油成本和利潤來衡量，三者是密切相關的。盡管對于不同的經濟指標有相應的經濟運行方案，但在一定時間內總輸油量一定的條件下，各種不同的經濟指標所對應的經濟運行方案是相同的。由于能耗費用計算簡單，一般以能耗費用作為評價輸油經濟性的指標。每個月的總輸油量是由上級部門決定的，因此，優化必須以完成輸油計劃并使能耗費用最少為目標，為了達到這個目標，求解可分為以下兩個階段完成：①求出每個可能輸量下的能耗費用最低的運行方案。該階段的任務即為在給定輸量Q、油品性質的條件下，求出能耗費用及其相應的運行參數。根據對影響能耗費用的諸因素的分析，可將各站進站溫度Tzi（i=1～n，為全線熱泵站個數）和表示第i站j號輸油泵是否運行的狀態變量IPij（i=1～n,j=1～np,np為每座泵站的輸油泵臺數；IPij=1表示該臺泵工作，IPij=0表示該臺泵不工作）作為決策變量。考慮各約束條件以能耗費用最低為目標進行優化。通過對目標函數進行一系列數學變換，把這樣一個包含n個連續變量（即各站進站溫度Tzi）及n×np個離散變量（即表示輸油泵是否運行的狀態變量IPij）的優化問題轉化為nps個（nps為工作的泵站數）包含若干個連續變量和np個離散變量的優化問題，然后對每個問題進行求解。②根據第一階段求得的結果，編制出完成上級部門計劃（即給定的總輸油量）并使總能耗費用最小的給定時間內（一般為一個月）的輸油計劃，即決定采用哪幾種輸量運行及其運行的天數。
（一）第一階段的數學模型
目前，國內正在運行的管道大部分已經采用密閉輸油，個別管道開式流程。因此，第一階段考慮開式流程和密閉流程兩種情況。
1.開式流程第一階段的數學模型
（1）決策變量的選取
對于一條正在運行的熱油管線，可將影響能耗費用的參數分為三類：①運行中可以人為控制的參數：輸量Q、各熱泵站的進站溫度Tzi或出站溫度TRi（i=1～n）、全線的泵組合方式（包括泵站數和站內的泵機組型號及輸量）。②隨第一類參數變化而變化的參數：如原油的比熱、密度、黏度、流變特性等物理性質隨溫度變化，出站溫度、泵組合的系統效率、加熱爐效率、泵組合提供的壓力等將隨輸量和進站溫度的變化而變化，它們與第一類變量之間的函數關系可用理論公式或經驗公式、實測或實驗曲線給出。③不以運行部門的意志為轉移的參數：如隨季節變化的地溫T0，隨含水量而變化的土壤物性，管線的強度及高程差，燃料油和電力價格等。
因此，對于選定的一組決策變量，若第一類參數確定了，那么其他參數也就確定了，故可以選取各站的進站油溫Tzi（i=1～n）和表示輸油泵是否運行的狀態變量IPij（i=1～n,j=1～np）作為決策變量。在輸量Q一定的條件下，Tzi、IPij一旦確定，則全線總壓降Hp、各站出站壓力、動力費用及燃料費用也就確定了。
（2）目標函數的選擇
該問題以降低能耗費用為目的，顯然應將能耗費用作為目標函數。目標函數表達式為：
油氣管道能效管理
式中：S為全線總能耗費用，元/t·km;Sp為全線總動力費用，元/t·km;SR為全線總熱能費用，元/t·km。
（3）約束條件的確定
1）熱力約束條件——溫降規律
油氣管道能效管理
式中：b=gi/Ca,a=KπD/GC;K為總傳熱系數，W/m2·℃；T0為該段管路的平均地溫，℃；G為質量流量，kg/s;C為所輸油品的比熱，J/kg·℃；i為該管段的平均水力坡降，m/m;D為輸油管道的直徑，m;g為重力加速度，m/s2。
2）水力約束——壓降計算
對于熱油管道，沿線各點溫度不同，因此各段的流型、流態可能不同，必須分段計算。
牛頓流段：油溫高于油品的反常點溫度時為牛頓流型。在牛頓流段內可分為牛頓層流段和牛頓紊流段，臨界雷諾數為：Re=2000。
Re≤2000，為牛頓層流，
；
Re>2000，為牛頓紊流，按水力光滑區計算：
。
非牛頓流段：油溫低于油品的反常點溫度時為非牛頓流型，在非牛頓流段內雷諾數的計算公式為：
油氣管道能效管理
式中：p 為所輸油品的密度；n´為流動行為指數，對于假塑性流體，其值等于流變行為指數n；
為對于假塑性流體，
；K 為油品的稠度系數。R eMR≤2000，為非牛頓層流，
；ReMR>2000，為非牛頓紊流，
。
a、b為與n´有關的系數。
3）泵特性方程約束
泵特性方程為：
油氣管道能效管理
i=1～n,j=1～np。
式中：hij為第i泵站第j號泵的揚程；qij為第i泵站第j號泵的流量；aij、bij為泵特性常數；m為與流態有關的常數，水力光滑區m=0.25。
泵的最大功率約束：Nij≤[Nijmax]（i=1～n,j=1～m）。
4）進站溫度約束：Tzi≥[Tzmin]（i=1～n）。
5）出站溫度約束：TRi≤[TRmax]（i=1～n）。
6）進站壓力約束：Psi≥[Psmin]（i=1～n）。
7）管道強度約束：Pdi≤[P]（i=1～n）。
（4）約束條件的處理
1）在給定輸量Q下，某站進站溫度Tz一定時，上站出站油溫TR及該段壓降△P的計算。因溫度的高低直接影響到摩阻的大小，而摩阻的大小又與溫降直接相關，二者不能分別單獨計算，必須進行迭代計算。在計算摩阻時采用加權平均溫度來近似該段的溫度，即：TPJ＝（T1+2T2）/3。
這樣既可以滿足精度要求，又大大簡化了計算。在一個加熱站間，按流態和流型最多可分為四段，油流從出站到下站依次出現的次序為：牛頓紊流段、牛頓層流段、非牛頓紊流段、非牛頓層流段。對于某一站間，給定輸量Q、進站油溫TZ，采用分段計算法便可以計算出上一站的出站油溫TR及該段壓降ΔP。
2）某一站最佳開泵方案的確定
對于給定的輸量Q，在確定了該泵站所應提供的揚程H后，便可以確定滿足輸量、揚程要求的使動力費最小的開泵方案。
a.并聯泵運行方式。
對于泵站i，各臺泵在揚程為H時所能提供的排量為：
油氣管道能效管理
各臺泵所消耗的功率為：
油氣管道能效管理
ηij為第i泵站第j號泵在排量為Qij時的效率。
則該問題的數學模型為：
油氣管道能效管理
由于Nij隨Qij的增加而單調增加，那么若取：
油氣管道能效管理
則對第i泵站求使能耗最小的數學模型可簡化為：
油氣管道能效管理
由于IPij（j=1～np）只可取1或0，可用0-1規劃方法求解。
以上過程考慮的是泵無調速裝置的情形。當有調速裝置時，應優先選用帶有調速裝置的泵。調節調速率，使該站的平均泵壓略大于匯管壓力，即基本做到無節流。
b.串聯泵運行方式。
對于泵站i，各臺泵在流量為Q時所能提供的揚程為：
油氣管道能效管理
各臺泵所消耗的功率為：
油氣管道能效管理
則該問題的數學模型為：
油氣管道能效管理
該模型亦可用0-1規劃方法求解。
（5）目標函數的變換
油氣管道能效管理
式中：Ey為燃料油價格，元/t;Ed為電力價格，元/kW·h;Bh為燃料油熱值，kJ/kg;p為所輸油品的密度，kg/m3;Q為管道輸量，m3/h；η。為電機效率；ηR1為首站加熱爐的平均效率；ηpi為第i站參加工作的加熱爐的平均效率；NPi為第i個參加工作泵站的泵所消耗的總功率，kW;L為管道全長，km;C（t）溫度為t時所輸油油品的熱容，kJ/kg·℃；TRi+1為第i+1站出站油溫，℃。
油氣管道能效管理
式中：TZ0為首站進站油溫，℃；TpO為油流在首站經過泵而引起的溫升，℃；Tzi為第i+1站進站油溫，℃；Tpi為油流在第i+1站經過泵而引起的溫升，℃；
油氣管道能效管理
式中：g為重力加速度，m/s2;Hi+1為從第i+1站到第i+2站間管路的壓力損失，m;C為所輸油品的平均熱容，kJ/kg·℃；ηPi+1為第i+1參加工作泵站的泵站泵的總效率。
原油的熱容—溫度關系可分為三個區：0≤t<T2、T2≤t≤T1和t>T1。根據對我國各種原油的統計，T2一般低于原油的凝固點，而我國熱油管道目前的運行溫度均高于原油的凝固點，因此，熱容曲線在區間[0,T2]內對所討論的問題無意義。在其他兩個區內，原油的熱容－溫度關系C（t）-t可表示為：
當T2≤t≤T1時，C=4.186-Aexp（mt）；
當t>T1時，C=Co。
式中A、m、C0均為取決于油品性質的常數。
將C（t）-t關系代入熱力費用計算式，最終可以得到熱力費用關于各站進站溫度的函數關系。由此可見，熱力費用僅僅是各站進站溫度的函數，可表示為：
油氣管道能效管理
假定在輸量Q下，工作泵站序號為k1,k2，…，共有nps個泵站工作，則
油氣管道能效管理
若Tz（ki），TZ（ki+1），…，Tz（ki+1-1）確定，則兩個運行的相鄰泵站間（即ki泵站與ki+1泵站間）管路的壓降也就確定了，故ki泵站的動力費用Sp（ki）僅與Tz（ki），Tz（ki+1），…，Tz（ki+1-1）有關。
故Sp可用下式表示：
油氣管道能效管理
即Sp也是各站進站溫度的函數。
為了與Sp的表達式一致，可將SR表示為
油氣管道能效管理
則有：
油氣管道能效管理
或
油氣管道能效管理
式中，SR（ki）表示ki泵站與ki+1泵站間的熱力費用。
（6）可利用非線性規劃方法求解的數學模型
油氣管道能效管理
由于
彼此獨立，要使S最小，必須使
最小，故以上問題可變為：
油氣管道能效管理
這樣就將一個包含有n個連續變量、n×np個離散變量的最優化問題轉化為nps個包含若干個連續變量、np個離散變量的最優化問題，并可進而分解成非線性規劃問題和整數規劃問題，使原問題大大簡化。
分別求解上述nps個最優化問題，可得各個問題的最優目標函數值
、最優進展溫度和最優開機方案。將這些最優結果結合在一起即得到原問題的最優解
、TZi（i=1～n）和
。
2.密閉流程第一階段的數學模型
對于密閉流程，決策變量與目標函數與開式流程相同。在密閉流程條件下，全線是一個統一的水力系統。總的泵壓在全線統一分配，故該問題除應滿足開式流程應滿足的約束條件外，還應滿足進、出站壓力關系的約束條件。
即：
油氣管道能效管理
式中：Pdi為第i站的出站壓力，Pa;Psi為第i+1站的進站壓力，Pa;Hpi為第i站的增壓值，Pa；ΔPsi為第i站的站內摩阻，Pa；ΔPi為第i站與第i+1站之間的摩阻，Pa；ΔHi為第i站與第i+1站間的高程差，m;g為重力加速度，m/s2;p為原油的密度，kg/m3;PM為管線允許的最大工作壓力，Pa。
（二）第二階段的數學模型
設管道可在m種輸量下運行，運行輸量及對應的能耗費用分別為Qi（t/h）和Si（元/t）（i=1～m）。已知某月輸油任務為G萬t，該月的總天數為D天，根據生產工藝的要求，每月的總停輸時間不得超過d天。取每種輸量的運行時數xi為決策變量，S表示全月的總能耗費用，則該問題的數學模型為
油氣管道能效管理
下面介紹一下長輸管道最優運行問題的求解方法。
1.開式流程第一階段的求解
在前面已將球S的極小值問題轉化為求
的極小值的問題，因此下面只討論
的求解方法。
由數學模型得知，共有（ki+1-ki）個變量影響
，若將（ki+1-ki-1）個變量固定，只改變其中的一個變量Tzj（j=ki,ki+1，…，ki+1-1）則
的變化規律如圖5-4所示：
上圖的實際意義為：在Tzj由[Tzmin]升高到[Tzmax]過程中，熱力費用隨之單調增加；Tzj由[Tzmin]升高到T1過程中沒有引起開泵方案的變化，電力費用保持不變；當Tzj高于T1時，使摩阻繼續變小引起開泵方案的變化，動力費用和總能耗費產生突變。由上圖可以看出，總能耗費存在多個極小點，故若對總能耗費進行一次極小化，其結果只會是一局部極小點，不一定是全局極小點。
圖5-4 目標函數分析圖
2.下面介紹密閉流程第一階段的求解
對于密閉流程，由于全線是一個統一的水力系統，不但全線溫度是連續的，而且壓力也是連續的，各個變量都是相關的，因此難以找到一種對目標函數一次求解的方法，只能分步進行求解。
（1）求解各站進站溫度的初始值
在密閉流程條件下，壓力是連續的，同時運行溫度對摩阻又有影響，因此，通過調整各站的增壓值及進站溫度將全線節流量控制在最小是可能的，故實際的動力消耗Sp可用下式表示：
油氣管道能效管理
式中：P為全線總摩阻；Q為輸油量；C為常數。
假定各站的進站壓力Psi（i=1～n）相同，求解使總能耗費用S=SP+SR最小的進站溫度（即求解無壓力約束的各站的最優進站溫度），這是一個一維問題，可用黃金分割法（0.618法）求解。
（2）求解最佳開泵方案
確定了各站的進站溫度，則各個站間的摩阻就相應確定了，這樣就可以根據各站間的摩阻來求解各站的開泵方案，可采用動態規劃方法求解。
1）計算各工作泵站可能提供的增壓值。對于某一泵站，若有np臺泵，則有
種泵組合，則該站所提供的增壓值必須有
個可選值，這里的任務就是求出這
個可選值。
2）利用動態規劃方法確定各站的增壓值。可利用前面介紹的方法求解。
（3）求解最佳進站溫度
該問題實際上是在上述確定的各站最佳升壓值的前提下，重新確定各站的進站溫度，以使全線的節流量和總熱能費用最小。該問題的數學模型為：
決策變量：各站的進站溫度Tzi（i=1～n）。
目標函數：總的熱能費用SR。
約束條件：各站進站壓力約束Psi≥[Psmin]。（i=1～n）。
該模型可以用非線性規劃方法求解。為加快計算速度，仍可采用分解的方法。即將求全線熱力費用最小的問題分解為nps個求某一泵站間SR最小的問題。然后分別求解即可求得各站的最佳進站溫度Tzi（i=1～nps）。
第二階段的求解。在第一階段求解過程中，對于給定的輸量，可以求出其能耗費用最低值及相應的運行參數。第二階段的任務是在已知一組輸量及其在該輸量下的最低能耗費用的前提下，求出完成月輸油計劃且使總能耗費用最低的運行方案。該問題實際上是一個線性規劃問題，可用單純形式求解。
采用演繹法進行管道能效評價時，在利用最優化算法進行工藝仿真計算，得到理想狀態下最低能耗數據后，一般需要參考歸納法能耗預測數據對仿真結果進行校正，然后對仿真計算所采用的數學模型進行修正。再經過反復校正、修正，使用經過充分訓練的油氣管道工藝仿真系統進行計算，可以得到精度較高的工藝仿真能耗計算結果。在目前的技術條件下，訓練仿真系統使其達到演繹法管道能效評價精度，一般需要1到2年時間。
采用演繹法進行管道能效評價，在得到運行優化后的能效數據時，可參照歸納法能耗分析的相關方法開展其與報告期數據的對比分析。圖5-5為采用某演繹法能效分析軟件進行分析的對比圖。
圖5-5 演繹法能效評價分析圖
國外大多數原油管道采用不加熱輸送方式。美國一些機構曾對等溫輸油管道（包括原油和成品油管道）的能耗指標進行過研究，所采用的研究方法包括歷史數據統計分析法和工藝計算法。由于影響輸油管道能耗的因素很多，而在研究過程中難以確定這些因素的實際變化情況，所以這些機構的研究成果只是給出了能耗指標的大致參考值，其不能作為考核一條具體管道輸油能耗的指標。此外，由于采用的能耗統計數據和測算方法不盡相同，各機構給出的能耗指標之間存在較大差異。相對于等溫輸油管道，國外對熱油管道能耗指標的研究較少。美國對輸油管道運營的利潤率有上限要求，在輸油管道利潤率已經達到上限的情況下，降低輸油能耗就意味著要降低輸油管道的運價，而這是大多數管道公司不愿接受的。因此，美國的輸油管道公司通常對降低能耗的相關研究數據進行嚴格保密，這導致近年來美國在輸油管道能耗指標方面公布的研究成果很少。其他國家對輸油管道能耗指標的研究結果也都列為商業機密，很少對外公開。
北美管道公司對外公開的輸油管道能耗KPI指標主要有兩個：輸油管道的單位能耗成本（Mill Rate），輸油管道的單位有用能耗成本（$per Hydraulic Horsepower used）。另外，通過其他途徑搜集資料，得到北美某公司使用的另外一些指標，其性質類似輸油管道的生產單耗指標。
1.輸油管道單位能耗成本（Mill Rate）
單位為：$/（MWHr），直譯為單位耗電成本。經現場交流，并與業內專家共同研究，確定此指標的具體物理意義為：總的耗電成本除以這個時期（通常是一個月）的總耗電量。目前，北美某公司輸油管道“單位能耗成本”（Mill Rate）值為60$/（MWHr）。
2.輸油管道單位有用能耗成本（$ per Hydraulic Horsepower Used）
單位為：$/（HHPU），直譯為消耗的單位水力馬力成本。經現場交流，并與業內專家共同研究，確定此指標的具體物理意義為：一條管道的總耗電成本（定購費和能源費）除以此管道各管段消耗的水力馬力值之和。其中，分母HHPU指Hydraulic Horsepower Used，消耗的水力馬力值。從網上查到的水力馬力的計算方法如下：
Fluid Power In Horsepower（水力馬力）：
油氣管道能效管理
Pressure（壓力），磅每平方英寸；Flow（rate）（流量），加侖每分鐘。
3.其他指標
耗電量/（千）桶英里：Power Usage/Barrel Miles（thousands）
耗電量/（千）桶：Power Usage/Barrel（thousands）
耗電量/直徑英寸英里：Power Usage/Diameter Inch Miles
燃料和電力費/（千）桶英里：Fuel and Power Expense/Barrel Miles（thousands）
燃料和電力費/（千）桶：Fuel and Power Expense/Barrel（thousands）
燃料和電力費/直徑英寸英里：Fuel and Power Expense/Diameter Inch Miles
總能耗：109千焦
能耗密度：109千焦/百萬立方米輸量
燃氣消耗率：能耗（按熱值折算成耗氣量）占總輸量的百分比，主要適用于氣體管道。
1.船舶輔機包括那些主要設備？
答：輔機是船舶上除主機以外的動力機械，主要有：
①船用泵②氣體壓送機械③甲板機械④輔助鍋爐⑤油凈化裝置⑥防污染裝置⑦海水淡化裝置⑧制冷和空調裝置
2.為什么說輔機在船上非常重要？（此題答案不確定）
答：①為船舶推進裝置服務②為船舶航行與安全服③為貨運服務④為改善船員勞動和生活條件服務⑤為防污染服務
1.什么叫泵。答：提高液體機械能的設備，將機械能轉變成液體能的機械稱之為泵。
2. 船用泵按工作原理和結構分，有那些類型？
答：按工作原理的不同分三類①．容積式泵： 依靠泵內工作部件的運動造成工作容積周期性地增大和縮小而吸排液體，并靠工作部件的擠壓而直接使液體的壓力能增加的泵。②．葉輪式泵：依靠葉輪帶動液體高速回轉而把機械能傳遞給所輸送的液體。 ③．噴射式泵： 依靠工作流體產生的高速射流引射流體，然后再通過動量交換而使被引射流體的能量增加。
按結構可分為單級泵和多級泵
3. 泵有那些主要性能參數？各參數的定義如何？量綱如何？
答：①流量：指泵在單位時間內所排送的液體量。a．體積流量：用體積來度量所送液體量，用Q表示，單位是m3/s，或m3/h、L/min。b．質量流量: 用質量來度量，用G表示，單位是kg/s，或t/h、kg/min。如用ρ表示液體的密度(kg/m3)，G=ρQ
②壓頭 （揚程）：指單位重量液體通過泵后所增加的機械能。即泵傳給單位重量液體的能量。常用米（m）表示，單位是Nm／N ＝m。單位重量液體的機械能又稱水頭。
③轉速：指泵軸每分鐘的回轉數，用n表示，單位是 r/min。
④功率：a.有效功率 （輸出功率）：單位時間泵傳給液體的能量； b.軸功率P（輸入功率）：原動機傳給泵的功率；c.水力功率Ph：按理論流量和理論壓頭計算的功率。
⑤效率： 泵效率η：輸出功率與輸入功率之比。容積效率ηv ：實際流量與理論流量之比。
水力效率ηh：實際壓頭與理論壓頭之比。機械效率ηm：水力功率與輸入功率之比。
⑥允許吸上真空度 Hs：證泵在凈正吸入高度情況下，正常吸入而不發生氣蝕的最大允許吸上真空度。
4.怎樣改變泵的吸入性能？⑴盡可能的減小泵的吸入壓力 ⑵入口處的真空度不大于允許吸入真空度
5.對往復時活塞泵吸、排閥有何要求？
除了希望機構簡單、工藝性好和檢修方便以外，還希望閥“嚴、輕、快、小”即：
1)關閉嚴密；2)關閉時撞擊要輕，工作平穩無聲；無聲工作條件3) 啟閉迅速及時；
4）阻力小。
6.影響活塞泵容積效率的因素有那些？
(1) 泵吸入的液體可能含有氣泡；(2) 活塞換向時，由于泵閥關閉遲滯造成液體流失；
(3) 活塞環、活塞桿填料等處由于存在一定的間隙以及泵閥關閉不嚴等會產生漏泄。
7.為什么說齒輪泵的流量是連續的，但存在脈動？
原動機驅動主動齒輪，從動齒輪隨而旋轉。因嚙合點的嚙合半徑小于齒頂圓半徑,輪齒進入嚙合的一側密閉容積減小,經壓油口排油,退出嚙合的一側密閉容積增大,經吸油口吸油.吸油腔所吸入的油液隨著齒輪的旋轉被齒穴空間轉移到壓油腔,齒輪連續旋轉,泵連續不斷吸油和壓油.所以泵的流量是連續的 。但是由于嚙合點半徑小于齒頂圓半徑,而齒輪在嚙合轉動時,嚙合點的半徑是隨齒輪轉角而周期變化的.故產生了較大的流量脈動.
8.齒輪泵的主要泄漏途徑有哪幾條？
齒輪泵存在著三個產生泄漏的部位：(1)齒輪端面和端蓋間；(2)齒頂和殼體內側間隙；
(3)齒輪的嚙合處。其中齒輪端面和端蓋間泄漏量最大，占總泄漏量的75～80％。
9單作用葉片泵是怎樣實現變量變向的？
答當轉子中心與定子中心重合時，葉片3既不伸出也不縮進，故葉片間容積不發生變化，這時泵處于零流量的工作狀態。當定子中心相對于轉子中心向左產生一個偏心距+e時，上半周為吸油過程，下半周為排油過程。當定子中心相對于轉子中心向右產生一個偏心距-e時，下半周為吸油過程，上半周為排油過程。由此可見，要改變定子中心相對于轉子中心的偏心方向，即可改變泵的吸排油方向，且偏心距的大小決定泵排量的大小。
10.離心泵有那些特點？
答1.結構簡單，易操作；2.流量大，流量均勻；3.重量輕，運動部件少，轉速高；4.泵送的液體粘度范圍廣；5.無自吸能力。
11.什么是離心泵的工況點？有那些方法調節離心泵的工況點？
答 所謂離心泵的工作點是指離心泵的性能曲線（H～Q曲線）與管路特性曲線的交點，即在H～Q坐標上，分別描點作出兩曲線的交點M點
離心泵工況調節的方法 1.節流調節法2.回流調節法3.變速調節法4.氣蝕調節法
12.理想離心泵的能量方程有什么指導意義
指導能量轉換裝置以最小的能量損失匯集葉輪流出的液體，并送至排出管或引向下一級葉輪；使液體的動能平穩地轉變壓力能
13.離心泵的軸向力是如何產生的？有那些平衡方法？
答軸向力的產生1液體壓力的分布沿徑向呈拋物線規律2葉輪兩側壓力不對稱 3軸向力方向由葉輪后蓋指向葉輪進口端
軸向力的平衡方法 1止推軸承2平衡孔或平衡管3雙吸葉輪或葉輪對稱布置4平衡盤
三、空壓機
1、空壓機的實際排量與哪些因素有關 答①余隙容積影響；②壓力系數 的影響；③熱交換的影響；④氣密系數的影響；⑤排氣系數的影響。
2、余隙容積對空壓機有哪些影響 答 壓縮機氣缸中留有余隙容積對壓縮機的裝備、操作和安全都有好處。這可以防止空氣中的水蒸氣在氣缸內凝結集聚后產生的“水擊”現象及活塞與汽缸蓋的碰撞；有利于活塞的反向運行，同時減少了對閥片的沖擊，是氣閥關閉平穩。
3、.造成空壓機運行中排氣量下降的因素有哪些 ①由于余隙容積的存在；②吸氣過程中的壓力損失；③氣體與氣缸、氣缸蓋的熱交換；④外泄漏使壓縮機的排氣量減小；⑤少量水蒸氣在壓縮機級間冷卻器中會由于溫度的降低而有部分的水蒸汽凝結析出。
4、船用空壓機為什么要采用兩級壓縮和中間冷卻 ①級間冷卻是在每級之間設置一個冷卻器，使前一級排出的氣體經級間冷卻器后進入下一個氣缸，這樣壓縮過程線就比較趨近于等溫線；②對于多級壓縮而言，每級的壓力比相同時壓縮機的功率最省；③為了減少壓縮過程的功耗和提高排氣系數，往往采用分級壓縮、壓縮機冷卻及級間冷卻方法。
6.對空壓機氣閥有哪些主要要求？
答：氣閥是靠閥片上下的壓差作用而自動啟閉的，氣閥組性能的優劣直接影響到壓縮機的性能，因此要求氣閥具有壽命長、阻力小、 關閉嚴密、啟閉迅速、通用性強等特點。
7.活塞式空壓機的冷卻有哪些？ 各有何作用？
答 活塞式空壓機的冷卻包括(1)級間冷卻：可降低排氣溫度，減少功耗。(2)氣缸冷卻：減少壓縮功，降低排氣溫度和避免滑油溫度過高。 (3)后冷卻：可減少排氣比容，提高氣瓶儲量。(4)滑油冷卻：可是滑油保持良好的潤滑性能，冷卻摩擦表面和減緩油氧化變質的速度。
8.船用壓縮空氣系統有哪些主要附件？
答：主要包括冷卻器、液氣分離器、濾清器、安全閥、注油器及各種管路系統。
9.CZ60/30型空壓機在結構上有哪些特點？
答：1基本部分：包括機身、曲軸箱、曲軸連桿等部件，其作用是傳遞功力，連接氣缸和基礎部分2氣缸部分：包括氣缸、氣閥、活塞以及裝在缸上的排量調節等部分，其作用是構成工作空積和防止氣體泄漏3輔助部分：抱愧冷卻器、液體分離器、濾清器、安全閥、注油器及各種管路系統
2.什么叫轉舵力矩？答：轉舵力矩是操舵裝置對舵桿施加的力矩。
3.什么叫轉船力矩？答：轉船力矩是水作用力 F 對船舶重心所產生的力矩。
4.船規對舵機有那些主要要求？(1) 工作可靠 在任何航行條件下，都能保證正常的工作，且主操舵裝置需要有足夠的強度和能力，保證在船舶處于最深航海吃水并以最大的營運航速前進時，將舵從任何一舷35°轉至另一舷35°，其時間不超過30s。而從一舷35°轉至另一舷30°，其所需時間不超過28s。在船舶以最大速度倒航時，操舵裝置應能正常工作。（2）生命力強 必須具有一套主操舵裝置和一套輔操舵裝置；或主操舵裝置有兩套以上的動力設備。當其中之一失效時，另一套應能迅速投入工作。輔操舵裝置應滿足船舶在最深航海吃水，并以最大營運航速的一半前進時，能在不超過60s內將舵自一舷15°轉至另一舷15°。
（3）操作靈敏 在任何舵角下都能迅速地、準確地將舵轉至給定舵角，并由舵角指示器示出。
此外，舵機還應滿足工作平穩、結構緊湊、便于維修管理等要求。
6.液壓舵機有哪三個基本部分組成？答：液壓舵機的三個組成部分是操舵控制系統、液壓系統和推舵機構。
7、所謂泵控型即用變量變向泵作為主油泵以改變油液流向，通常為變量泵閉式系統；而閥控型是依靠換向閥來完成變向變量，通常為定量泵開式系統。與泵控型液壓舵機比較，閥控型液壓舵機尺寸小、重量輕、管理方便。
8、根據其作用方式的不同，可分為往復式和轉葉式兩大類
10.液壓控制閥主要類型有：(1)方向控制閥；包括單向閥 換向閥（電磁 液動 電液動換向閥）（2）壓力控制閥；（溢流閥 減壓閥 順序閥）（3）流量控制閥（節流閥 調速閥單向節流閥）
11壓力控制閥按其用途分為：溢流閥、減壓閥和順序閥等。
溢流閥職能：在液壓系統中壓力高于某調定值時，將部分或全部油液泄回油箱。根據它在系統中的工作特性，可分為常閉和常開兩種，前者是系統油壓超過調定值時才開啟，即作安全閥使用；后者是在系統工作時保持常開以穩定閥前系統油壓，即作定壓閥使用。
減壓閥職能：可使高壓油經過閥的節流作用后，使油壓降低，以便從系統中分出油壓較低的支路。順序閥職能：以油壓為信號自動控制油缸或油馬達順序動作的閥。
12泵控型液壓舵機的輔助油路有那些作用答：輔助油路的作用：（1）經減壓閥后壓力降為0.78，再經單向閥進入油路系統為主油路補油；（2）通過單向閥進入主油泵變量機構，用以控制變量機構動作；（3）經溢流閥和主油泵殼體，對主油泵進行冷卻和潤滑后流回油箱。，
13試述電液式三位四通換向閥的動作過程 答:如圖8-27（p73）p與a相通，b與o相通，執行機構便向另一方向運行。當左右電磁鐵都斷電時，則閥芯在左右彈簧的作用下而居中，此時p,a,b,o互不相通。故a,b油路無油通過，與其相通的執行機構亦不會發生動作。
1．蒸氣壓縮式制冷裝置由哪些基本部件組成，各有何作用？
答：基本組成部件：壓縮機，膨脹閥，冷凝器，蒸發器 壓縮機：起著壓縮和輸送制冷劑蒸氣并造成蒸發器中低壓力、冷凝器中高壓力的作用 膨脹閥：對制冷劑起節流降壓作用并調節進入蒸發器的制冷劑流量； 蒸發器：輸出冷量的設備，制冷劑在蒸發器中吸收被冷卻物體的熱量，從而達到制取冷量的目的； 冷凝器：輸出熱量的設備，從蒸發器中吸取的熱量連同壓縮機消耗的功所轉化的熱量的冷凝器中被冷卻介質帶走。
2．蒸氣壓縮式制冷裝置的實際循環與理論循環有何區別？
答：理論循環假設； (1)壓縮過程不存在換熱和流阻等不可逆損失，即等熵過程；(2)制冷劑流過熱交換器和管路時沒有阻力損失，即等壓過程；(3)制冷系統中除熱交換器外，與外界無任何熱交換，流過膨脹閥時未作功，又無熱交換，即等焓過程。 實際循環(1)壓縮過程是熵值增加的多變過程；(2)節流過程有吸熱，焓值也略有增加；(3)制冷劑在管道、熱交換器和壓縮機中流動時存在阻力損失和熱交換。
3．為什么要采用過冷和過熱？
答：循環過冷度增加意味著：1）過冷溫度由t4降到t4’；2）制冷量Q0則會因單位制冷量q0增加而增加；3）壓縮機軸功率P不變，ε提高。
合適的過熱度：1）可以防止壓縮機吸入液體而發生液擊；2）過熱度提高，單位壓縮功增加，單位制冷量q0增加，制冷劑比容v1也增大, 使質量流量qm減少。
4．蒸發溫度、冷凝溫度對制冷循環有何影響？
答：蒸發溫度：對應于蒸發壓力的飽和溫度。蒸發溫度低，單位制冷量減小，單位壓縮功增大。冷凝溫度：對應于冷凝壓力的飽和溫度。冷凝溫度高，單位制冷量減小，單位壓縮功增大。
5．制冷裝置對制冷劑有哪些主要要求？
答：1.臨界溫度要高，凝固溫度要低。2.在大氣壓力下的蒸發溫度要低。3.壓力要適中。4.單位容積制冷量qv要大。5.導熱系數要高，粘度和密度要小。6.絕熱指數k要小。7 .具有化學穩定性。8.價格便宜，易于購得。
6．船舶空調系統有哪些常用類型？
答：集中式和半集中式船舶空調裝置根據其調節方法的不同主要有以下幾種形式。 集中式單風管系統、區域再熱式單風管系統、末端再處理式單風管系統、雙風管
系統