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。     

复杂天然气管网系统运行期可靠性评价体系

中国天然气管道行业正朝着规模化、网络化方向发展,整个管网系统运行期的输气保障能力受到广泛关注,对其完成输送任务的可靠性进行评价显得尤为重要。为了保障大型天然气管网系统安全、高效运行与管理,对管网系统可靠性指标、系统可靠度计算、单元可靠度计算、可靠性数据及可靠性管理开展了研究。提出了包括可靠性类、维修性类以及健壮性类的3层系统可靠性评价指标体系,建立了基于管道工艺仿真的物理管网系统可靠度分布式阶梯计算模型,能够实现管网/管道/站场系统可靠度的简化、快速计算。将该计算模型在某压气站进行案例试算,按照站场系统→典型结构→基本回路→设备单元的顺序,将管网拓扑结构由上至下拆分为不同层级的可靠性框图,再利用单体设备可靠度由下至上依次计算各层级可靠度,获得该压气站在不同压缩机启停方案下的可靠度。该研究成果为今后持续开展大型天然气管网系统可靠性评价及管理奠定了基础。     

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）     

我国天然气管网系统可靠性评价技术现状

为了保障天然气管网系统的运行安全,可以采用可靠性方法从系统层面定量评价与分析天然气管网的物理安全水平及整体供气水平,然而,我国在此方面的研究尚处于起步阶段。总结了我国天然气管网系统可靠性评价技术研究现状,从生产安全和供气安全两方面阐述了管网系统常用可靠性指标的概念和算法,分别探讨了长输管道和站场两个系统单元及整个管网系统的结构可靠度评估方法,以及系统供应可靠度和目标可靠度的确定方法,指出了管网系统可靠性评价技术的重要作用及发展方向。     

成品油管网调度优化研究进展

我国针对多批次顺序输送成品油管网调度优化研究刚刚起步,与我国成品油管网建设的飞速发展不相匹配。国外针对这方面的研究工作开展较早,并取得了一定成果,值得我国借鉴。基于此,从调度模型时间表达方式及模型求解表达方法两种分类方法出发,基于相关领域技术文献,对目前管网调度的研究成果进行评述。剖析了管网调度模型中的各个子问题,总结了针对各个子问题的求解方法,并在最后梳理了未来成品油管网调度问题的研究方向。     

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.     

天然气管网可靠性评价方法研究现状

随着我国管道事业的蓬勃发展,以及清洁能源的不断推广,天然气的需求量及供气要求进一步提高,天然气管网的可靠性显得尤为重要。分析了现有管道完整性管理与管道可靠性的关系,总结了部分国家天然气管网可靠性评价的发展概况,对比了部分具有明确代表性的天然气长输管道可靠性设计方法及标准规范,评述了我国天然气管网可靠性评价的发展历程。结合当前主流天然气管网可靠性评价方法与原理,初步探讨了当前可用的天然气管网可靠性评价方法的可行性与难点,为深入开展天然气管网可靠性评价方法的理论研究和实践应用提供了参考。     

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。     

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。     

天然气管网系统最优设防烈度决策

以天然气管网工程造价、未来遭遇地震时管道结构的损失期望及灾后管网服务功能失效损失之和最小为目标函数,结合工程投资限制、管网系统抗震可靠度的分配以及部分管道设防的特殊要求,建立了天然气管网系统最优设防烈度决策模型.利用布尔立方体矩阵(BCM)不交化算法,作为多源多汇网络系统抗震可靠度分析工具.将差分进化算法的繁殖策略与遗传算法的交叉、变异相结合形成了一种新的混合遗传算法,用于天然气管网系统最优设防烈度的优化求解.以某天然气管网为例,在管道遭遇烈度为7度地震的情况下,进行了最优设防烈度的决策,给出了相应的计算结果.     

成品油管网可靠性分析的研究进展

成品油管网作为连接上游炼厂与下游市场的重要中间环节,一旦发生事故,将会对油品供应造成严重影响。由于成品油管网运行工艺的复杂性,目前针对成品油管网可靠性分析的研究体系尚不完备。为此,从成品油管网系统设备单元可靠度计算、系统可靠性建模方法两个方面,总结了成品油管网可靠性分析的主要研究进展,并梳理了研究过程中所面临的难题。同时,对原油管网、天然气管网、城市供水管网、供热管网、供电管网的相关研究思路、评价方法、计算方法等进行了深入剖析,以期为成品油管网可靠性分析的进一步研究提供借鉴。(参62)     

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.     

油气田集输管网系统优化研究进展

在油气田集输管网(Gathering Pipeline Network,GPN)系统优化研究中,模型存在"维数灾难"问题,导致求解困难。通过文献调研,基于管网连接结构优化与管道路径优化两方面,对目前油气田集输管网研究成果进行评述,剖析了油气田集输管网优化模型中的各个子问题,全面系统地总结了针对各个子问题的求解方法,并对星状管网、插入型枝状管网、环状管网的优化研究提出了建议,为未来油气田集输管网优化提供了研究思路。     

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。     

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）     

大型复杂天然气管网离线仿真软件国产化研发及应用

面向国家石油天然气管网集团有限公司（简称国家管网集团）大规模复杂天然气管网的仿真应用需求与管道行业智能化转型的实际需要，提出了一种全新的仿真引擎核心算法——分区增量迭代法，攻关完成了具备先进性、健壮性、开放性的工业级天然气管网仿真引擎，基于总体架构与应用架构设计，完成了离线仿真软件的开发，实现了大型复杂天然气管网仿真核心技术自主可控。依托研发的天然气管网离线仿真软件，对某新建管道完成了设计校核，平均相对误差为0.1%；以全要素涩宁兰管道为对象建模，并与商业软件结果进行对比发现，管道沿线各站的压力、流量在稳态与瞬态仿真下的最大相对误差均小于1%；针对大规模、复杂拓扑结构的2×104 km级全要素天然气工业管网，该离线仿真软件对其具备仿真能力。所研发天然气管网离线仿真软件能够满足未来“全国一张网”的仿真需求，可为国家管网集团的数字化战略及智能化转型提供专业化仿真服务。（图7，表3，参22）     

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.     

城镇天然气负荷预测方法研究进展

合理、准确地预测城镇天然气负荷已成为政府制订政策、气源端与管网建设以及优化运行调度的重要保障。在对国内外相关文献和实践进行广泛调研的基础上，结合天然气工业的发展历程，系统梳理了城镇天然气负荷预测技术研究进展，将其分类为早期传统预测方法、基于机器学习的预测方法以及组合预测方法。中国在应用基于机器学习的智能算法预测天然气负荷的研究方面已实现跨越式发展，成为当前国际上最活跃的研究群体。组合预测方法细化了对天然气用气特征的分析，预测结果的准确性更高，各种预测方法的组合应用研究已成为天然气负荷预测研究的热点。未来，应注重大数据处理和先进算法技术在天然气负荷预测中的应用，但仍不能忽视对负荷形成机制、特点等技术本质的深入研究。（图1，表1，参87）     

城市天然气管网运行的可靠性分析

结合城市天然气管网的特点，对其运行的可靠性进行了分析，提出了城市管网可靠性评价的内容，给出了管网的分段原则，针对城市天然气管网运行的可靠性，将整个管网的管理分为初期、中期和末期三个阶段，并利用概率论的方法重点讨论了初期和中期管网的可靠性，给出了初期管网失效的故障树，提出了城市天然气管网可靠性运行的保证措施。     

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。