输气管道优化运行的研究现状Word格式文档下载.docx

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天然气在管内流动的动力由压缩机提供，由于压缩机所消耗的天然气占管道所输气体的3%〜5%,因此耗能巨大⑴。

以设计输量为120X108r∏3∕a的西气东输管道为例，如果其中的4%用于能耗，那么折合成消耗掉的天然气为5X108nι3∕a,以1元/n?

计，就是5×

108元。

如果能耗削减1%,每年就可以减少支出500×

104元。

有关专家指出，通过严密、精细的优化计算，优化运行比非优化运行至少可以降低能耗20%⑴。

国外已有许多将稳态优化应用于管道运行的实例。

例如，20世纪80年代中期，美国SSI（ScientificSoftwareIntercomp）软件公司开发了输气管道优化运行软件，对美国自然资源管理公司（ANR）的西南输气干线进行了方案优化，使管道的运行能耗降低了1%〜5%⑵。

1997年，CGT（哥伦比亚海湾输气公司，拥有20100km管道，140多座压气站）采用稳态优化运行方案，使燃料消耗减少约13%（相当于600×

101美元）,日常管理和维护费用减少了约34×

104美元，同时CO2排放量⑶也相应减少了17.5X10、。

TETCO公司通过采取稳态优化运行的措施，每年也节省约300×

104美元⑴。

减小输气能耗不但可以节省大量的运行成本，降低压缩机的运行维护费用，而且还可以减少CO?

等废气的排放，有利于环境保护。

因此，对输气管道优化运行是非常必要的。

二、国内外输气管道优化运行的

研究现状

输气管道优化运行是降低输送成本的重要手段，优化运行就是使管道在能耗最小的情况下，安全可靠地完成天然气的输送和供应。

20世纪60年代，美国、欧洲等国家相继开始了输气管道优化运行问题的研究。

1961年，美国一家输气管道公司与IBM公司合作研究输气管道模拟与优化运行的问题，自此拉开了输气管道优化运行研究的序幕。

最初所做的数学模型都是基于稳态的基础，以压缩机能耗最小为目标函数，通过一系列的优化计算，确定压缩机的最优运行方案。

随着输气管道的发展,在美国、北欧等国家，输气管道形成了区域性或全国性的输气管网，在对输气管道干线优化运行的基础上，研究人员也开始了对输气管网优化运行的研究。

SeamandsPatrickaaron、SumingWu和KimSeongBae三位博士所做的毕业论文都是与输气管网稳态优化运行降低能耗有关α∙5'

14∖到20世纪末，输气管道或管网稳态模拟和优化运行技术已基本成熟。

早期的应用研究推动了后续的科研工作，目前仍有许多公司和科研人员进行优化运行的研究，希望通过对数学模型和求解方法上的改进，获得更好的结果。

美国能源部（DOE）投资110×

104美元，由堪萨斯大学建立虚拟管道系统测试平台，优化美国天然气输送系统。

其主要的研究工作是建立精确的数学模型，对构成输气管网的压缩机、管道、气源和用户等进行详细的模拟，其中对压缩机的模拟占很大一部分，旨在对输气管道系统进行精确模拟的基础上，能够准确分析由于系统的变化对环境、安全和可靠性等造成的影响，达到优化运行天然气输送系统的目的⑹。

输气管道市场的竞争日益激烈以及客户需求的多样化，都要求管道具有更大的运行灵活性。

近几年来,国外的一些软件公司，如AdvanticaStone公司和Simone公司、美国TETCO输气管道公司等都进行了输气管网非稳态下优化运行的研究，并且已经在模型和算法上取得了一定的进展时⑻。

2000年,AdvanticaStone公司与Enbrige管道公司合作，在Enbrige管道公司所属的Vector管道上（Alliance管道的一个支线），利用非稳态优化模型和算法，对运行中可能出现的几种工况进行了非稳态优化运行模拟⑼。

我国输气管道稳态模拟和非稳态模拟的研究工作始于20世纪80年代，在建立数学模型和求解模型所采用的数学方法上作了许多探讨，并且开发了一些模拟软件⑴〜⑵。

输气管道优化运行方面的研究也随着陕京线的投产和西气东输管道的开工开始。

1999年，石油大学（北京）与石油规划总院进行了干线输气管道（管网）稳态优化运行方面的研究，并研发了稳态优化运行软件GPNOPT2o2002年，石油大学（北京）又开发了西气东输稳态优化运行软件WEGPOPTαυ。

三、输气管道优化运行问题的描述

输气管道或管网优化运行的研究可以分为两个步骤，一是建立数学模型，将实际工程最优化的问题用数学语言描述；

二是对已建立的数学模型进行数学分析，选用合适的最优化方法，编写计算程序，求出实际问题的解。

输气屠钢艳运行，通常取压气站所耗燃料最小或运行成本最小为目标函数，也有一些输气公司，常常把防止或减少供气中断作为目标函数。

此外，出于环境保护的目的，也可把减少废气（C02,h2s等）排放作为一个目标函数或目标函数之一。

根据不同的实际需求，可以建立不同的目标函数或多个目标函数⑸。

压缩机能耗是由质量流量、压比、压缩机绝热效率等构成的非凸函数。

若驱动机为燃气轮机，则还与燃气轮机耗气率有关。

约束条件由管道约束和压气站约束构成。

管道约束主要有，管道允许最大操作压力以及由压力和流量所构成的非线性函数关系。

压气站约束基本上由几部分构成，即压缩机最大功率限制、压缩机流量范围（最大流量、最小流量）、压缩机压比范围、压缩机进出口压力限制（最小入口压力、最大出口压力）、压缩机运行可行域（由流量和压力所构成的非凸集合）、压缩机的串并联所构成的物理关系等。

在瞬态条件下，管道的运行参数为距离和时间的函数。

因此，在进行非稳态运行优化时，还需要考虑压缩机启停成本、管道的充装量变化和不同的稳态之间过渡的时间等因素。

优化运行问题基本可以归结为，根据压缩机状态、管道约束条件、压缩机运行的可行域和流量限定等一些限制条件，以能耗或运行成本最小为目标函数进行优化计算，给出压缩机运行的组合方式和压缩机的操作压力。

该问题为多变量混合整数非线性规划问题。

四、输气管道运行的最优化方法

1、 动态规划法（DP）

动态规划法是一个适用于多阶段决策的最优化方法，通常能够获得全局最优解。

由于动态规划是依次分段地选择一些决策来解决整个过程的最优化问题，因此在求解油气管道优化运行问题上应用广泛。

1993年，SeamandsPatrickAaron采用了动态规划法和简单模式搜寻方法来求解输气管网的最优化问题⑶。

1999年,KimSeongBae在启发式算法的基础上，采用动态规划法来求解环形管网的优化问题⑷。

但该方法的缺点是在变量数目较多的情况下，会产生通常所谓的“维数灾难”，使得问题的求解非常困难。

2、 线形混合整数规划法（MILP）

将目标函数和约束条件用线形函数趋于近似，使问题的求解变得简单。

采用该方法很容易求得一个解，但由于简化了问题，所以，得到的解可能是一个局部最优解。

文献［4］对一个压缩机站进行了优化计算，但得到的解与实际并非十分吻合。

3、 非线形混合整数规划法（MINLP）

1998年,SumingWu采用非线形混合整数规划法求解输气管网优化问题。

文献［4］采用分支定界的方法，对20-30个并行的压气站进行了实例计算。

该方法的缺陷是，随着压缩机（站）的数目增加，计算机的运行时间成指数增加，并且要求给出一个初始可行解，而求解初始可行解本身需要耗费许多时间，也有可能根本得不到初始可行解。

另外，在计算过程中，有可能陷于局部一个可行域，而形成死循环，最终得不到解。

4、 模拟退火法（SA）

模拟退火法是近几年随着计算机技术的发展而出现的，同以往的优化方法相比，它对所优化的目标函数和约束条件没有特殊的要求。

但同MINLP一样，需要给定一个初始可行解，并且需要有一定的求解问题经验。

TETC（）公司采用了该方法，对其所属的1561km管道、74座压缩机站和350台压缩机进行了优化运行计算。

5、 专家系统

专家系统是应用该领域专家的知识来解决一些问题。

由于输气管道的运行管理需要有丰富的知识和多年的实际运行经验，因此文献［12］建立了一个专家系统，其内部知识以“IFTHEN"

的规则方式表示，帮助运行调度人员对管道进行管理和做出决策,同时该专家系统也可作为培训软件使用。

专家系统根据流量情况和管道的充装能力，计算所需功率，对如何操作压缩机给调度员提出建议。

所给出的建议都是在考虑了管道的约束条件、压缩机目前状态、启停压缩机成本等，用户的需求波动等一些因数，经过优化计算得出。

五、存在的问题及解决方法

对输气管道进行优化所得到的运行方案必须在实践中可行并易于应用，因此就非常有必要对构成管道系统的各个组成部分进行准确地模拟，要求所建立的数学模型能够准确反映各部分之间的物理函数关系。

酒衲拂压缩机所做的模拟，大都是把压缩机看成是一个“黑匣子”，即用简单的数学公式进行模拟。

然而，在实际运行中，压缩机的性能曲线受外界影响而发生一定的变化，如果简单地用数学公式来表示，就会给求解结果带来一定的负面影响。

当管道或管网在稳态下或准稳态下运行时，稳态优化是一个非常有效的手段，它可以保证管道在设计流量下，持续平稳地经济运行。

然而，在管道输量波动很大的情况下（如通向调峰电厂的管道支线），稳态优化就显得无能为力，这就需要进行非稳态优化。

事实上，所有的管道系统都不可能完全在稳态条件下运行。

因此，将稳态优化和非稳态优化结合起来非常必要，它对提高管道的运行管理水平和降低运行成本将会起到重要的作用。

对于输气管道运行的优化，不应只局限于数学方法来求解最优运行方案，而应从提高压缩机组效率（包括压缩机和原动机）、改进机组自控系统、采用内涂层技术等方面来达到降低能耗的目的⑴）。

美国Duke能源公司每年根据天气和季节的变更、用户需求量变化等情况，在春季和秋季分别对压缩机的空气动力部分进行调整，以提高压缩机组运行效率，压缩机能耗每年大约可以减少15⅜o加拿大NOVA公司在直径大于450mm的管道做内涂后，每年可节约燃料气1600×

104m3ci4∖

在未来的几年里，我国输气管道建设将迎来大发展时期，无论在输气管道的设计，还是在建成后的运行维护过程中，都需要进行输气管道或管网优化运行方面的研究。

如果在设计阶段就将输气管道的节能降耗作为方案优化的重要手段，管道实现高效输气就能得到保证。

参考文献

1,WuS：

Steady-StateSimulationandFuelCostMinimizationofGasPipelineNetworks,Ph.D.DissertationAbstractand24pages,Dept,ofMathematics,U.ofHouston,Houston,August,1998.

2,杨廷胜：

西气东输管道稳态优化运行软件的开发及应用，石油大学（北京）硕士论文，2002。

3,RichardCarteretc：

OptimizingGastransmissingpipelineope