天然气管网稳态运行优化技术现状与展望

随着管输天然气集中调控与网络化运行的不断深入,天然气管网稳态运行优化技术将在提升管网运行效率和节能减排等方面发挥重要作用。基于此,调研了国内外天然气管网稳态运行优化技术发展现状,分析了国内外优化软件产品的特点与适用范围,阐述了主流非线性天然气管网稳态运行优化模型求解方法。针对天然气管网稳态运行优化技术工程应用效果的制约因素,提出了几点展望,对天然气管网运行优化技术发展具有一定的指导意义。     

基于动态规划法与改进遗传算法的管网稳态运行优化

为了降低天然气输送管网的运行费用,更好地实现节能降耗,应用输气理论与最优化方法,建立了以输气管网运行能耗费用最低为目标的稳态优化模型。利用动态规划与改进遗传算法对川气东送管道运行方案进行优化,并将算法优化结果与商业优化软件Syner GEE-Gas的优化方案进行对比。结果表明:在川气东送管道一期设计输量下,优化方案可实现全线运行能耗减少2.92 MW,降幅为4.4%,从而指导天然气管网安全、经济、可靠运行。     

大型天然气管网运行方案多目标决策优化

基于多目标决策优化技术理论,开展了天然气管网运行优化研究。确定了大型天然气管网运行方案多目标决策优化系统的架构,指出了建立综合评价指标体系的基本原则和具体步骤,提出了对模拟运行方案进行评价的标准模式,明确了采用兼容度法对评价方法进行再评价。以"西气东输-陕京一、二线-冀宁线"天然气管网为例,构造了5套管网运行方案,运用大型天然气管网运行方案多目标决策优化技术对运行方案进行优选,初步验证了该技术思路和方法的科学性、可行性,其中:模糊综合评价法最适合所建立的天然气管网运行优化方案评价体系。     

分枝定界法与内点法耦合的含环路输气管网运行优化

含环路输气管网的运行方案优化问题的求解难度远大于枝状管网。在已知含环路输气管网拓扑结构、基础参数、天然气输入点和输出点的流量、压缩机组的配置及特性曲线等参数的前提下，以环路上的管段流量、压气站开机台数、压气站出站压力等参数为决策变量，以单位时间内管网运行能耗最低为目标函数，综合考虑管段水力热力特性、管网节点流量平衡及节点压力允许变化范围、压缩机运行特性及允许运行范围等约束条件，建立含环路输气管网稳态运行方案优化的非线性混合整数规划模型，采用分枝定界法与原始对偶内点法耦合的算法求解该模型。以XQDS管网为例应用TGNET软件对管网优化运行方案进行了稳态仿真，验证该模型与算法的有效性。该优化模型与算法适用于任意拓扑结构的输气管网，可为大型复杂输气管网的集中调度提供新的思路。（图5，表7，参20）     

基于能耗最低的天然气管输计划优化编制方法

天然气管输计划的编制主要依赖人工经验,编制过程需要花费大量的时间、精力,不利于管输计划的整体优化。为提高天然气管输计划编制的效率和科学性,通过对现有编制方法进行梳理,将编制天然气管输计划的人工经验编码化,开发了一种管输计划辅助编制软件以寻找可行解。在天然气管网进销平衡、设计输量等约束条件下,以天然气管网能耗最低为优化目标,通过对大量能耗、输量历史数据进行统计、拟合分析,建立了天然气管网优化模型,利用最优化方法寻求最优可行解,并以两条干线管道为例,阐述了生产单耗与周转量拟合过程。研究结果可为复杂的天然气管网系统提供一种高效、科学的管输计划优化编制方法。     

天然气长输管网优化建模及求解研究进展

天然气管网优化对于降低管网运营成本、提升天然气供应可靠性具有重要意义。将天然气管网优化模型分为基于物理属性与基于经济属性两类，系统总结回顾了天然气长输管网优化建模及求解的研究进展。现有研究多集中于解决特定阶段下单一属性的管网优化问题，但要提高管网的经济性、可靠性及可持续性，需要综合考虑经济属性与物理属性，并系统统筹设计优化与运行优化。当前，中国在天然气管网优化建模方面的研究主要集中在基于物理属性的建模方法上，未来还需关注天然气市场均衡模型在管网优化中的应用。在模型求解方面，总结了多种启发式算法。从管道安全优化、非稳态优化及市场均衡建模3个方面，对未来天然气管网优化建模的发展趋势进行了展望。（图1，参71）     

天然气管网系统输配气运行优化研究

通过对天然气管网系统输配气过程中各种影响因素的分析,建立了天然气管网系统输配气运行方案优化的数学模型,采用复合形法对模型进行了求解,编制了计算软件,并应用于实际.     

气田集输管网优化运行方案

选取管网节点参数、压缩机站流量、进气和排气压力作为优化变量,建立了基于压缩机站能耗之和最小的气田管网优化运行数学模型。由于该优化模型具有目标函数和约束条件非线性、求解域非凸性和优化变量非连续性等特点,利用遗传算法的搜索机制和混沌搜索的遍历性,构造了一种新的演化算法用于该模型的求解。以苏里格气田管网为例,使用该方法求解得到最优的管网节点运行参数、压缩机站运行参数及启用台数,在顺利完成天然气输送任务的同时,降低了压缩机站能耗。     

基于特性曲线延拓处理的压缩机组合方式

建立天然气管网稳态运行数学模型时,表述压缩机组合方式需要引入0-1整型变量,导致求解难度增大。为此,基于样条函数的连续可导性,采用函数延拓的方法,将压缩机压头曲线光滑延拓到压缩机最大转速至零的区间上,将天然气管网稳态运行优化数学模型从混合整数非线性优化转换为连续非线性优化。研究结果表明:通过延拓压缩机特性曲线,在不影响压缩机组合方式物理意义的情况下,有效去除了优化模型中的整型变量,提供了一种降低天然气管网稳态运行优化数学模型求解难度的途径。     

天然气管网系统最优化研究

在对天然气管网优化问题进行描述和分析的基础上,介绍了自20世纪80年代以来国内外的研究成果.在传统的研究中,基于递阶优化思路建立的天然气管网系统优化模型不能从整体上反映系统的本质,所求得的解往往也不是全局最优解.开拓新的思路,建立能够涵盖管网规划、设计和运行管理等多阶段的优化模型,将是今后天然气管网优化问题的一个研究方向.同时,应将新兴的智能优化算法引入管网的优化问题中,将多种方法有机结合,优势互补,强化管网优化计算方法的通用性.     

大型天然气管网系统在线仿真方法及软件开发

天然气管网系统仿真技术是管网系统设计方案论证、管输计划制定、运行方案优化、应急保障决策的核心技术。基于质量守恒、动量守恒、能量守恒原理及非管元件特性方程，建立了适用于任意结构形式的管网系统仿真模型；形成了基于管道数学模型泛函分析、大型稀疏矩阵压缩存储条件下的快速LU分解等方法的管网系统仿真模型求解算法。采用B/S软件架构、大数据高速缓存技术、大数据抽取实时可视化技术，开发了包括数据通讯模块、数据库存储模块、数据滤波模块、在线仿真模块、结果推送模块的大型天然气管网系统在线仿真软件，将其分别应用于总长6 100 km、45座压缩机站和总长31 000 km、117座压缩机站的大型管网系统，软件适用规模、计算精度与速度均达到国际同类商业软件水平。（图9，参25）     

天然气管道的运行优化

从优化方式、优化途径、日标函数、约束条件、求解方法等方面对天然气管道运行优化的基本内容进行了论述.分析认为,对于干线管网,大多数情况下可以选择稳态优化;影响优化难度与复杂性的主要因素是压缩机的可行域约束、管网流程方程约束以及优化模型中出现的离散变量;动态规划是求解枝状管网的一种有效方法;领域类搜索算法虽然要求较低,但其实用性仍有待于进一步研究.     

基于混合编码遗传算法的机压微灌干管管网优化

【目的】根据微灌干管管网的布置及运行特性,提出一种方便、简捷,适用于大规模机压微灌管网优化设计的算法模型与方法。【方法】以年费用为目标函数,以标准管径和水泵扬程为决策变量,建立优化模型,采用模拟退火方法处理约束条件,设计一种混合编码方式,应用遗传算法进行优化计算。【结果】建立的模型和算法在求解机压微灌管网优化问题上,具有良好的优化性能和较高的求解效率。【结论】提出的模型和算法优化变量少,简单易用,求解效率高,程序的通用性强,计算精度能够满足微灌管网设计的要求。     

输气管网稳态运行优化计算方法

应用油气管道输送理论和最优化技术对管网系统的稳态运行进行了分析,建立了基于压缩机站的最小能耗费用数学模型,对管网的拓扑结构进行分解简化后,在动态规划算法的基础上结合网络最小费用流理论对其进行求解。结果表明,该计算方法对树形、环形管网均适用,而且优化效果好于一般的方法。     

天然气管网互联互通用户侧供需平衡仿真分析

中国油气体制改革进程中,石油公司下辖天然气管道与国家管网集团、省级管网公司下辖管道互联互通构成大型天然气管网,其具有气源/资源类型多样、不同管段设计/运行压力不同、下游用户类型复杂、用气规律多样等特点。为研究该类管网运行供需平衡问题,借助SPS软件对双气源、多用户管网进行仿真建模,在对现有管网运行参数进行可靠性验证的基础上,结合用户2025年用气需求对管网供需平衡问题进行仿真分析,并提出优化运行方案。结果表明：通过分输站对两路气源进行压力平衡的优化方案不仅能够满足下游用户双气源保供需求,同时资源分配更加平衡,尤其在冬季保供期,极大地分担了国家管网冬季保供压力,提升管网整体保供能力,可为管网现场运营调度提供指导。（图6,表5,参24）     

大型天然气管网可靠性评价方法研究进展

天然气管网是连接资源与市场的纽带,确保天然气管网安全运行与平稳供气是油气储运界的重要课题。当前,对天然气管网运行与供气可靠性的研究尚处于起步阶段,经典可靠性理论不能满足现实需要。论述了经典可靠性理论在天然气管网单元可靠性评价的适用性与在管网系统运行及其供气可靠性评价方面的局限,指出了天然气管网可靠性研究的关键问题,分析了国内外在该领域的研究现状和发展方向,总结了相近领域可供借鉴的研究成果。目前,评价天然气管网可靠性需要解决的主要问题包括:构造全方位、多维度的评价指标体系;整合现有理论与方法,将工程方法与经典理论相统一,建立完善的单元与系统可靠性评价方法;针对天然气管网的运行特点和用户需求构造基于可靠性的优化模型等。     

天然气管网管段阻抗系数优化反演研究

天然气管网在运行中,由于管道腐蚀、局部堵塞等原因,使管网的实际工艺参数与原始设计参数之间存在差别,增大了管网仿真和优化计算的误差.采用正反分析法建立了天然气管网管段阻抗系数优化反演的数学模型.该数学模型具有非线性、多峰值的特点,采用小生境遗传算法进行求解.实例计算表明,通过优化反演修正管网工艺参数,能大大提高管网仿真结果的精确性,使管网的优化调度和运行管理更加科学和合理.     

用微粒群算法实现天然气管网运行最优化

以天然气公司的收益最大化为目标,建立了天然气管网优化运行的数学模型.传统的直接搜索法有网格法和复合形法,但这两种方法收敛速度较慢,工作量较大.采用以自适应惩罚函数为目标函数的微粒群算法,并对算法的收缩因子与自适应性加以修正.结合管网稳态分析的节点压力法,编制计算程序对模型进行求解,结果表明,该方法能够高效获得高性能的优化运行调度结果.     

复杂网络理论的应用进展及对天然气管网的启示

随着中国天然气管网的逐步加密，管网运行愈加复杂，对管网拓扑结构、供气稳定性等方面的研究提出了新的挑战。近年来，复杂网络理论研究不断深入，已在交通、水力、电力等输送网络领域实现广泛应用。为借鉴复杂网络理论在相似输送网络中的研究成果，梳理了复杂网络理论在拓扑结构分析、输送可靠性评价、瓶颈识别、网络区域划分、网络流追踪5个方面的研究进展。针对中国天然气管网研究现状，提出发展建议：根据天然气管网无标度网络的特点，发展用于可靠性评价的随机抽样方法、网络流算法、人工智能需求预测方法，形成3大类瓶颈识别方法，建立区域划分算法，并对各类经营模式提出不同的网络流追踪算法；尽快进行管网拓扑结构特征分析，建立完整、快速的供气可靠性评价方法；利用网络流模型识别管网瓶颈，为新建管道提供依据；基于天然气管网供气特征进行区域划分，并发展一套清晰、透明的气流追踪算法用于管输费结算。研究结果可为天然气管网长期发展提供技术参考。（图1，表1，参75）     

考虑需求侧影响的天然气管网事故工况流量分配方法

天然气管网失效事件会严重影响天然气供应安全，降低天然气管网供气可靠性和用户满意度。为了最大限度保障用户的用气需求，将失效事件对管网供气可靠性和用户满意度的影响降至最低，提出耦合单元失效和需求侧影响的天然气管网事故工况流量分配方法。该方法首先建立适用于不同类型天然气用户的需求预测模型和用户分级机制；其次，天然气管网水-热力计算模拟，量化失效事件对管输能力的影响；最后，基于混合整数线性规划建立天然气管网流量分配优化模型，考虑用户需求侧和失效事件影响以及气源进气量、管网流量、压力和水力等约束，确定事故工况下管网最优流量分配方案。将所提方法应用于某实际天然气管网中，对管网关键供气节点和环节进行识别，并确定不同失效事件下的管网流量分配方案。结果表明，采用该管网流量分配方法，能够最大程度保障重要度更大的天然气用户，从而降低事故对下游用户的影响，为管网精准调控提供技术支撑。（图4，表6，参24）