（油气储运工程专业论文）普光高含硫气田集输管网优化研究.pdf

关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：孙蠡鳞日期：沙f 年夕月多。日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：盈! 豸缝 指导教师签名：挚纽垄 同期：2 p 年 日期：2 j ，年 岁月岁口日 爹只；。b 摘要 普光气田位于四川省达州市宣汉县普光镇一带，气田天然气含硫量和二氧化碳量较 高，h ：s 和c o 。浓度分别平均高达1 5 1 6 和8 6 4 ，是典型的高含硫气田。 气阳井口在集气站内，共有生产井3 9 口，设计生产能力为3 1 2 0 1 0 m d 。气田共设 1 6 座集气站，1 座集气木站，各站之间采用枝状连接方式。进入集输管线的天然气有两 处来源：一是集气站内井口来气；而是上一级集气站来气，集输管网内采用气液混输的 输送工艺，天然气最终输送至集气木站，进行气液分离。需要采用一定的优化理论对普 光气田地面集输规划方案进行优化，在不改变其集输模式的情况下，筛选最优的集输规 划方案。 在规划方案优化的研究中，首先采用分级优化的方法，以管网总长最小为目标，确 定树状管网布局，然后对管网各管段管径进行优化，然后针对对普光气田天然气的高含 硫特性，在考虑了输气管沿线的环保和安全因素以及输气管运行管理的经济效益的基础 上，对管道沿线阀门数目进行了优化，接着阐述了分级优化方案人工干预的实现。考虑 到分步优化难以得到全局管网投资费用最省的方案，对集输管网整体优化进行了研究， 首先提出了遗传算法与p r i m e 算法相结合的优化方法，虽然对比传统分级优化方法，这 种方法有一定优越性，但仍没有完全实现整体优化。接着建立了站间连接路径和管径参 数以及阀门数目同步优化数学模型，该模型的目标函数中包含了阀门费用项，待优化设 计变量包括了各站间的连接方式和所有管线的管径，求解时将图论中的破圈法与双重编 码遗传算法相结合，最终得到全局最优解。该方法成功将树状管网以二进制编码的形式 放入染色体中，以此为基础，针对所有星型和树枝状相结合的集输管网，建立了集气站 位置、站间连接路径、管径参数和阀门数目同步优化数学模型，实现了四者的同步优化。 最后通过投资费用对比证明了整体优化的优越性，同时将整体优化得到的方案作为普光 气时集输管网最优设计方案。 采用c # 编制了管网优化软件，为保证计算的准确性和结果显示的直观性，采用c # 与o p e n g l 混合编程技术制作了气田区域三维地理信息显示系统，可以清楚地看到气田 区域的地形地貌以及最终的优化结果。 关键词：湿天然气，高含硫，遗传算法，全局优化，阀门数目 o p t i m i z a t i o nd e s i g no f w e tn a t u r a lg a sg a t h e r i n gp i p en e t w o r ki np u g u a n g g a sf i e l dw i t hh i g hh 2 sc o n t e n t s u n y u n f e n g ( o i l & g a ss t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n 9 1 d i r e c t e db yp r o f l iz i l i a b s t r a c t p u g u a n gg a sf i e l dl o c a t e sa tp u g u a n gt o w ni ns i c h u a np r o v i n c e ，i ti sat y p i c a lh i g hh 2 s c o n t e n tg a sf i e l d w i t hh 2 sc o n t e n tu pt o15 16 a n dc 0 2c o n t e n tu pt o8 6 4 p u g u a n gg a sf i e l dh a s3 9w e l l sw h i c ha r ea l li n17g a sg a t h e r i n gs t a t i o n s ，t h ep r o d u c t i o n c a p a c i t yi sa b o u t3 12 0 10 4 m d a l ls t a t i o n sa r ec o n n e c t e db yp i p e si nt h et y p eo ft r e e t h e g a sa n dc o n d e n s e dl i q u i da r et r a n s p o r t e dt o g e t h e ri nt h ep i p e ，a n da r es e p e r a t e di nt h es t a t i o n t h en e wg a t h e r i n gm o d ei si n t r o d u c e di n t ot h eg a sf i e l di no r d e rt om e e ti t so w nn e e d s t h o u g ht h em o d ei si n n o v a t i v e ，i tw i l la l s ob ei n f l u e n c e db ym a n - m a d ef a c t o r sw h e ni ti s d e s i g n e d t h e r e f o r e ，s o m ek i n do fo p t i m a lt h e o r i e sn e e dt ob ei n t r o d u c e da n du s e dt oe v a l u a t e t h en e w g a t h e r i n gs c h e m eo nt h eb a s i so fn o ti n t e r r u p t i n gt h em a i ng a t h e r i n gm o d e d u r i n gt h es t u d y , at r a d i t i o n a lo p t i m i z a t i o nm o d e lw a sf i r s tu s e dt of i n dt h eb e s tl a y o u to f t r e e t y p ep i p e l i n e si nt h ef i r s ts t e p ，a n do p t i m i z et h ed i a m e t e r so fp i p e si nt h es e c o n ds t e p ， d u r i n gt h i ss t e p ，t h eo b j e c tf u n c t i o ni st h et o t a lc o s to ft h eg a t h e r i n gs y s t e m ，a n dk i n d so f c o n s t r a i n tc o n d i t i o n sw e r ea l s oc o n s i d e r e d h o w e v e r , i nt h ep r o c e s so ft r a d t i o n a lo p t i m i z a t i o n d e s i g n ，t h ep i p el a y o u ta n dd i a m e t e r sw e r eo p t i m i z e ds t e pb ys t e p ，w h i c hi sd i f i c u l tt og e tt h e g l o b a lo p t i m i z a t i o ns c h e m eo fp i p el a y o u ta n dd i a m e t e r s t oo v e r c o m et h i sp r o b l e m ，a n g l o b a lo p t i m i z a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e d ，i nw h i c ht h em i n i m a li n v e s t m e n ti st a k e na st h e o b j e c t i v ef u n c t i o n ，a n dt h ep r e s s u r e ，f l o wr a t ea n dp i p ed i a m e t e r sa r et a k e na st h ec o n s t r a i n t c o n d i t i o n s t h ed u a lc o d i n gc o m b i n i n gb i n a r yc o d i n gw i t hi n t e g e rc o d i n gi sa d o p t e di nt h e g e n e t i ca l g o r i t h mt oo p t i m i z et h eo p t i m i z a t i o nm o d e l p r a c t i c a lp r o j e c tt e s tr e s u l t ss h o wt h a t t h em e t h o dc a ne f f e c t i v e l yg e tg l o b a lo p t i m i z a t i o ns c h e m eo fp i p el a y o u ta n dd i a m e t e r s ，a n d r e d u c et h en e t w o r ki n v e s t m e n t i na d d i t i o n ，i nl i g h to ft h eh i g hh 2 sc o n t e n t ，t h en u m b e ro f v a l v e sw a sa l s oo p t i m i z e d as o f t w a r ew a sd e v e l o p e dt od e t e r m i n et h eo p t i m a lp l a n n i n gs c h e m e ，a n df o rt h e a c c u r a c ya n di n t u i t i o no ft h es c h e m e ，t h r e e d i m e n s i o n a lt e r r a i nd a t ao ft h eg a sf i e l dw e r e g a i n e da n dt h r e e - d i m e n s i o n a lt o p o g r a p h i c a lm a pw a sa l s og e n e r a t e d k e y w o r d s ：w e tn a t u r a l g a s ，h i g hh 2 sc o n t e n t ，g e n e t i ca l g o r i t h m ，g l o b a l o p t i m i z a t i o n ，n u m b e ro fv a l v e s 目录 第一章前言1 1 1 普光气田地面集输规划方案概述1 1 2 国内外研究现状2 1 3 主要研究内容及创新点4 1 3 1 论文主要内容一4 1 3 2 本文创新点5 第二章高含硫天然气集输管网分级优化6 2 1 阀门数目优化6 2 2 基于p r i m e 算法的人工干预的实现一9 2 2 1 人工干预的必要性9 2 2 2 人工干预的实现方法一9 2 2 3 人工干预应用举例l o 第三章高含硫天然气集输管网整体优化1 2 3 1 遗传算法与p r i m e 算法相结合的优化方法1 2 3 1 1 数学模型的建立1 2 3 1 2 模型求解1 6 3 2 站问连接路径、管径和阀门数同步优化2 6 3 2 1 数学模型的建立2 6 3 2 2 模型求解2 7 3 3 站址、站间连接路径、管径和阀门数同步优化3 1 3 3 1 数学模型的建立31 3 3 2 模型求解3 2 第四章高气液t t , p 匕输管线水力和热力学模型的确定一3 4 4 1 水力学模型的确定3 4 4 1 1 水力学模型的选取3 4 4 1 2 水力学模型中主要物性参数的计算3 8 4 2 热力学模型的确定4 1 4 2 1 温降计算式的确定4 1 4 2 2 热力学模型中的主要物性参数4 2 4 2 3 混输管线总传热系数的计算4 4 4 3 集输管网管线的工艺计算步骤4 5 第五章三维地理信息系统的建立4 7 5 1 三维地形数据的获取4 7 5 2 优化结果的三维显示4 7 5 2 1o p e n g l 简介4 7 5 2 2c 舟与o p e n g l 混合编程技术的实现4 8 5 2 3 三维地形数据的处理及三维图像的生成5 4 5 2 4o p e n g l 对颜色的处理5 6 5 2 5o p e n g l 对于光照的处理5 8 第六章优化软件编制6 1 6 1 软件界面6 1 6 2 设计所需基础数据6 5 6 3 优化结果及分析6 6 第七章结论7 1 参考文献一7 2 攻读硕士学位期间发表的学术论文7 7 致 谢7 8 i v 中国油人学( 华东) 硕i ：学位论文 第一章前言 1 1 普光气田地面集输规划方案概述 川东北地区天然气资源十分丰富，是中石油和中石化两大石油集团天然气勘探开发 的重要地区。目前已探明的高含硫气田主要分布在川东北地区海相碳酸盐岩地层，中国 石化己探明的普光大型气田和毛坝、大湾等含气构造，累计探明储量超过3 0 0 0 1 0 8 m 3 。 n 2 0 l o 年，仅中国石化在普光地区探明储量累计达5 0 0 0 1 0 s m 3 ，展示了巨大的资源前景。 普光气田位于四川省达州市宣汉县普光镇一带，气田天然气含硫量和二氧化碳量较 高，h 2 s 和c 0 2 浓度分别平均高达1 5 1 6 和8 6 4 ，是典型的高含硫气田。 气田井i s l 在集气站内，共有生产井3 9 1 2 1 ，设计生产能力为3 1 2 0 x1 0 4 m 3 d 。气f f l 共设 1 6 座集气站，1 座集气末站，各站之间采用枝状连接方式。进入集输管线的天然气有两 处来源：一是集气站内井口来气；而是上一级集气站来气，集输管网内采用气液混输的 输送工艺，天然气最终输送至集气末站，进行气液分离。设计集输气速控制在5 1 0 m s 。 普光气田采用这种集输模式【l 2 j ，有一定的创新性，而且该模式也完全适应气田自 身特点。在集输规划方案初期设计过程中，规划方案的可行性最终往往都可以得到保证， 但是对于新提出来的方案，由于受到很多人为因素的限制，所以方案的最优性常常难以 保证，也就是说难以保证整个集输管网投资费用最低。因此，在不改变普光气田主要集 输模式的前提下，为了尽量节省整个管网投资，就需要对普光气田地面集输管网规划方 案进行优化设计，即运用合适的优化方法得到最优的投资最省的集输管网规划方案。具 体要实现的优化目标有： ( 1 ) 各站间连接路径、管线管径等参数的确定。对树状集输管网进行优化设计， 大都采用的是分步优化1 3 】的方法，即首先以管网总长最小为目标，确定树状管网布局， 然后以管网投资费用最低为目标，对管网各管段管径进行优化。分级优化优点是计算过 程简单明了、优化算法较多，选择起来比较容易，本文将首先采用分步优化的方法对集 输管网进行设计。分步优化缺点是只能得到每一步的最优解，无法得到全局管网投资费 用最省的方案，因此本文重点对整体优化方法进行了研究，以整个管网投资最小为目标， 将树状管网布局、管径参数放在一起作为待优化变量，以得到总投资费用最省的管网稚 局和各条管线的管径以及阀门数目。 ( 2 ) 管线最优阀门数目的确定。考虑到气田天然气的高含硫特性，需要对管道沿 线阀门数目进行优化，在降低阀门费用的同时，还要保证天然气集输的安全性。 第一章前言 1 2 国内外研究现状 2 0 世纪6 0 年代，哈克斯利用库恩塔克定理得出了管道系统最优的设计条件，这 是优化理论在管道系统设计上的第一次应用，但该方法应用范围非常有限，而且理论过 于简单。 为使管道投资费用最小，c h e e s m a n a p 成功采用坐标轮换法寻得最优方案。采用坐 标轮换法进行管道系统的设计，可以在一定程度上提高设计质量，同时使设计时问和投 资费用都得到较大幅度的降低，即便如此，运用坐标轮换法求解有约束的非线性| 口j 题的 效率依然不高。 1 9 7 2 年，f l a n i g n 把管径和压缩机功率等待优化变量划分成约束量和状态量，建立 了数学模型，采用约束最速下降法进行求解，同时在求解过程中考虑了若干非线性约束 条件。最终得到了最优解以及决策量和状态量之间的相互关系，同时总结出了相关的算 法。 1 9 7 8 年，e d a 等人第一次将管线管径、压气站数量和位置、进出站压力作为优化变 量，建立了优化数学模型，成功采用广义简约梯度法进行求解，很大程度上提高了设计 质量和效率1 3 0 。 1 9 7 9 年，b h a r k 等人对天然气集输管网进行优化设计，设计过程中分别对各站位置、 集输管网布局和管道直径三个子问题进行求解，得到各子问题的局部最优解。 近些年来，国内外对非线性规划问题的研究取得很大进展，针对非线性规划问题的 求解算法也是不断涌现，如序列二次规划逼近法、增广拉格朗同乘子法等【4 7 】。 1 9 9 5 年，采用遗传算法求解最优化问题的能力才得到充分提高，可有效地对复杂的 配水系统进行规划和设计【2 7 2 9 1 。 2 0 0 2 年，国外学者应用遗传算法解决了天然气网络的供应分配问题【3 1 1 。 国内在管道系统优化设计的研究方面同国外相比虽然起步较晚，但是发展很快。 1 9 8 5 年，朱琦以总折合费用最小为目标，来确定管道的经济管径，这是一种较为简 单的优化模型。 1 9 8 6 年，杨延觉建立了一种新的输气管道优化模型，并成功采用二维坐标轮换法完 成了模型的求解，该模型是以输气管道年成本费用作为目标函数的，是一种较为先进的 模型。 1 9 8 8 年，李书文、姚亦华分别采用混合罚函数法( s u m t ) 干i 综合约束函数双速下降 2 中国石油人学( 华东) 硕+ l 学位论文 法( s c d d ) 对建立的树状天然气集输网络静态数学模型进行了求解，使得天然气集输网 络静态设计的发展更进一步引，该数学模型具有很强的实用性，除了可以应用于现有管 网外，还可以用于新建管网。 1 9 8 9 年，李书文对气田集输管网的布局优化问题做了进一步研究9 1 ，建立了布局优 化数学模型，并提出了k r u s k a l 算法、s t e i n e r 最短树法和p r i m e 算法三种简化的优化算 法对模型进行求解，简化了设计过程，提高了效率。 1 9 9 2 年，刘扬等人对星形管网布局优化设计和油气集输管网布局优化设计等问题进 行了研究，且研究成果显著【m1 7 】。随后，刘扬在对油气集输管网优化设计研究过程中， 提出了一种新的数值求解方法对建立的优化数学模型进行求解，模型建立过程中采用了 模糊优化理论，将压力和温度约束作为模糊约束处删h 1 。 1 9 9 3 年，刘扬等人在星形油气集输管网布局优化基础上对环形集输管网布局优化进 行了深入研究，并取得一些成果f 1 5 】。 1 9 9 3 年，宋东星和肖芳淳提出采用多目标可靠性灰色优化方法对管道进行优化设 计。该方法同时考虑了随机、白色、灰色等管道优化设计过程中可能出现的影响因素， 将最优化技术与灰色系统理论和可靠性理论相结合，具有一定的实际意义【1 8 】。 1 9 9 5 年，郑清高提出，在不考虑地形因素并且需要引入s t e i n e r 点时，可首先确定 若干可行的布局方案，然后采用关键路线法得到最终布局，还可以采用s i 算法确定集 输管网长度最短的布局形式，然后再考虑地形因素，对管网布局做局部调型1 纠。 2 0 0 0 年，李宏伟等人对海底管网的布局优化进行了研究，首先采用最小生成树法获 得了各站间的连接路径，然后又采用网络的加权中心方法找到了总站，获得了满意方案 1 2 0 o 2 0 0 1 年，李波、余红伟对应用于管网优化领域的数学规划方法进行了总结，深入学 习了国内外在环状、树状供水管网布局优化以及输气管网布局优化方面的研究成果，认 为可以将供水管网布局优化过程中采用的一些技术方法和经验应用到输气管网布局优 化当中1 2 。 2 0 0 1 年，李长俊对天然气管网优化技术进行了研究，建立了输气管道优化数学模型， 该模型充分考虑了输气工艺及管道运行管理费用、线路和压气站投资等方面的要求，同 时针对模型中同时含有离散变量和连续变量的情况，采用组合型算法对模型进行求解 1 2 2 j o 2 0 0 3 年，刘扬等提出采用混合遗传算法求解油气集输系统拓扑布局优化问题，即采 第一章前言 用遗传算法和拉格朗同松弛法相结合的方法解决布局优化问题1 2 3 1 。 2 0 0 5 年，魏立新在其博士论文中系统地比较了分级优化法和混合遗传模拟退火算 法，并通过实例计算证明混合遗传模拟退火算法要优于分级优化法【2 4 1 。 2 0 0 9 年，杨建军等人将惩罚函数法加入到混合遗传模拟退火算法中，成功进行了星 形油气集输管网的拓扑优化，取得不错结果1 2 引。 综上所述，集输管网优化包含布局优化和参数优化两个子问题，其中拓扑布局优化 是主要的，对参数优化有直接的影响【2 6 1 。对于管网布局和参数优化，目f j 大多还是采用 分级优化方法。分级优化虽然在某种程度上考虑了管网整体优化，但人为切断了管网布 局和参数之问的联系，难以将两个子问题有效结合起来，导致最终方案不一定为最优解。 1 3 主要研究内容及创新点 1 3 1 论文主要内容 本文深入学习了国内外气田集输管网优化最新的研究成果，深入调查了普光气罔地 面集输系统在集输工艺和集输模式上的特点，并对这些特点做了系统分析，以此为基础 研究了普光气田地面集输管网优化问题，采用一定方法对管网进行了优化设计，并采用 v i s u a ls t u d i o2 0 0 8 开发了普光气田集输管网优化设计软件，在管网优化设计以及软件编 制过程中，主要研究了一下内容： ( 1 ) 管线最优阀门数目的确定。考虑到气田天然气的高含硫特性，对管道沿线阀 门数目进行优化，在降低阀门费用的同时，还要保证天然气集输的安全性。 ( 2 ) 分级优化方案人工干预的实现。实现对分级优化得到的布局方案的任意干预， 以获得多个预选方案集。 ( 3 ) 整体优化数学模型的建立与求解。首先建立了遗传算法与p r i m e 相结合的优 化数学模型的建立与求解。然后针对普光气阳集输管网，建立了站间连接路径和管径参 数以及阀门数目同步优化数学模型，该模型的目标函数中包含了阀门费用项，待优化设 计变量包括了各站间的连接方式和所有管线的管径，求解时将图论中的破圈法与双重编 码遗传算法相结合，对布局和管径及阀门数目同时进行优化，最终得到整体最优解。在 成功将树状管网以二进制编码的形式放入染色体中之后，针对所有星型和树枝状相结合 的集输管网，建立了集气站位置、站问连接路径、管径参数和阀门数目同步优化数学模 型，实现了四者的同步优化。 ( 4 ) 高气液比混输管线水力学和热力学模型的确定。为保证水力学计算的准确性， 4 中国油大学( 华东) 硕士学位论文 对几种典型的水力学模型进行编程计算，通过计算值与实测值比较，选择精度较高的水 力学模型。同时深入学习了前人在热力学模型方面的研究成果，根据研究对象的特点， 选用了便于编程实现的并且精度较高的热力学模型。 ( 5 ) 建立三维地理信息显示系统。建立三维地理信息系统为的是便于查看优化结 果的合理性，它可以以三维图像的形式将结果直观形象的显示出来。 1 3 2 本文创新点 通过研读大量国内外相关文献及著作，充分学习国内外在天然气集输系统优化设计 方面的最新研究成果，提出了一些新的理论和方法，并将这些理论与方法应用到了普光 气田集输管网的优化设计过程当中，取得了很好的效果。 ( 1 ) 通过公式推导得到了高含硫输气管线最优阀门数目的计算公式，推导过程既 考虑了输气管沿线的环保和安全因素，又考虑了输气管运行管理的经济效益。 ( 2 ) 分级优化方案人工干预的实现。实现对分级优化得到的布局方案的任意干预， 以获得多个预选方案集。 ( 3 ) 高含硫气田集输管网整体优化方法的提出。首先建立了遗传算法与p r i m e 相 结合的优化数学模型的建立与求解。然后针对普光气田集输管网，建立了站间连接路径 和管径参数以及阀门数目同步优化数学模型，该模型的目标函数中包含了阀门费用项， 待优化设计变量包括了各站间的连接方式和所有管线的管径，求解时将图论中的破圈法 与双重编码遗传算法相结合，对布局和管径及阀门数目同时进行优化，最终得到整体最 优解。在成功将树状管网以二进制编码的形式放入染色体中之后，针对所有星型和树枝 状相结合的集输管网，建立了集气站位置、站间连接路径、管径参数和阀门数目同步优 化数学模型，实现了四者的同步优化。 5 第二章高含硫天然气集输管网分级优化 第二章高含硫天然气集输管网分级优化 本文所研究对象普光气田各集气站及集气总站的位置已经确定，首先利用p r i m e 算 法对各站问连接路径进行优化( 各站间采用树枝状连接方式) ，然后采用遗传算法对管 线管径参数进行优化，接着对高含硫输气管沿线的阀门数目进行优化，最后实现了分级 优化方案的人工干预。由于利用p r i m e 算法对各站间连接路径进行优化以及采用遗传算 法对管线管径参数进行优化的方法已经非常成熟，本章将不做介绍，重点对后面两者进 行阐述。 2 1 阀门数目优化 在输气管线建设中，为减少输气管线发生漏气事故而造成的漏气损失，常常需要在 管线沿线设置一定数量的截流阀。从工程经验可知，阀门数目越多，发生泄漏事故时的 漏气损失越少，但是增加了阀门的投资费和操作管理费7 5 1 。根据技术经济分析原理，可 从总费用最省的原则出发来确定输气管线中应当设置的最优阀门数，而高含硫输气管网 中气体中硫化氢含量较高，考虑环保和安全因素，泄漏的硫化氢含量必须低于要求值。 因此，对于高含硫输气管道，在确定沿线阀门数目时，必须同时考虑环保和安全因素以 及管道运行管理效益。 对于普通输气管道，阀门数目的确定只需考虑运行管理效益。考虑漏气损失的综合 费用为： c = c l + c 2( 2 - 1 ) 式中：c l 一阀门年折合费用，万元年； c 2 一漏气损失的综合费用，万元年。 c l = e k o + c o 式中： e 一额定投资回收系数 e ：! ! ! 型 ( 1 + - 1 6 ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 式中： i 一基本投资收益率，( 1 ； t - 投资回收期，a ： 蚝一阀门的投资费，万元； k o = 门q 式中： n 一阀门数目，个； q 一单个阀门的价格，万元； c o 一阀门的管理费，5 i ；元i 年； c o = g c n c f 式中：口一折旧系数； 式( 2 1 ) 中漏气损失综合费用为： 一 s r d 2 名兀缈g c 乙= 竺二 4 圪乙乙( 刀一1 ) 式中：d _ 管内径，m ； l - 一管道长度，i t i ； 名一天然气管道内平均压力，m p a ； 瓦一标准状况下天然气的温度，k ； 一年中可能发生漏气事故的平均次数； e 一天然气的价格，元m 3 ； r 一标准状况下天然气的压力，m p a ； 乙一天然气管道内平均温度，k ； z 0 一天然气管道内平均压力下的压缩系数。 令 ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) 第二章高含硫天然气集输管网分级优化 巳r o c o f = 里一 二 聪c 二c p y ：，r d 2 l 4 把以上各式代入( 2 1 ) 式，得 c 邓圳门q + 鲁 取c 对n 的导数，并令其等于零，得最佳阀门数目： i = 1 + ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 从上式看出，阀门的数目与输送压力、管道直径和天然气价格成正比，与阀门的价 格成反比。( 2 1 0 ) 式平方根内矿善为标准状况下天然气的泄漏量，它是一年中可能发生多次 漏气事故的总泄漏量。 现考虑高含硫输气管，一次泄漏的硫化氢含量必须低于环境保护规定的数值，且( 2 7 ) 式中的国= 1 。h q ( 2 7 ) 、( 2 - 8 ) 式得一次泄漏的天然气体积流量： q m 篆 ( 2 11 z ) p 一 兰f 2 11 。 4 r 乙印 、7 为： ( 2 11 ) 式中的硫化氢含量为： 绋：s = c h ：s q 式中：c h 为硫化氢在天然气中的体积百分数。 ( 2 - 1 2 ) 环境保护允许的硫化氢泄漏量为q ，s ，故考虑环保和安全因素的管道沿线阀门数目 刀h ：s ：c h ：s q + 1 ：c , s 了彩鬲l 下p q , t o + 1 ( 2 - 13 ) f q h q h 芦4 w c p zc p 8 中国石油大学( 华东) 硕十= 学位论文 从上式看出，高含硫输气管沿线阀门的数目与硫化氢在天然气中的体积百分数、输 送压力、管道直径成正比，与环境保护允许的硫化氢泄漏量成反比。 当刀，：s 疗时，取”片：s ，考虑输气管沿线的环保和安全；当”，：s 刀时，取n ，考虑 输气管运行管理的经济效益。 2 2 基于p r i m e 算法的人工干预的实现 2 2 1 人工干预的必要性 对于管网的设计和敷设，在理论优化基础上，还应结合地形、地貌、地质、交通等 条件，综合考虑施工可行性和运行管理维护的方便性等各种因素，确定最佳集输敷设方 案，尤其是对于山区地区或多河流地区的管线铺设，常常需要考虑管线的穿跨越，而目 前对集输管网的优化设计，由于难以将这些实际的因素包含到优化算法当中去，所以得 到的结果也仅仅是理论上的最优方案，如果考虑管线铺设时的穿跨越费用，理论上的最 优方案不一定费用最低，甚至可能因为穿跨越较多而成为较差方案。因此，有必要对优 化软件进行改进，使软件的使用者能够根据管线实际铺设情况对布局方案进行干预，获 得若干个预选方案集。另外，分级优化只能得到一种优化方案，且由于分级优化本身的 缺点，该方案很难成为费用最省方案，而人工干预可以获得多个方案，这无疑是对分级 优化方法的一种改进。 2 2 2 人工干预的实现方法 优化方案的人工干预通过对最小生成树算法的改进来实现。首先，确定必须要连接 的两个节点a ，b ，其构成的边a b 作为图中等待连接的树枝，同时确定不允许进行连 接的两个节点c ，d ，其构成的边c d 作为最小生成树中不能存在的树枝。然后在无向 网络图g = ( v ，e ，w ) 中选择一个节点作为起始点( 也就是集输管网的汇集点) ，从与此节 点相关联的各边中选取一条权最小的边，由此节点和该最小边构成一个小树，然后，从 与此小树相关联的树外边之中，选取一条不构成圈且最短的边，再生树枝：重复执行这一 步骤，小树逐渐长大，在小树生长过程中，若遇到节点恰为a ，b 两点中任意一个节点， 则将边a b 强制加入小树，形成一个新的小树；若遇到c d 边作为权值最小边的情况， 则将c d 边权值强制改为无穷大，重新比较各边权值。这样小树持续生长，直到原无向 网络图g = ( v ，e ，w ) 的所有节点都在树上为止，最终，便构造出了a b 边存在而c d 边不 存在的无向网络图g = ( v ，e ，w ) 的最小生成树，成功实现了对最小生成树的人工干预。这 9 第二章高含硫天然气集输管网分级优化 种方法的实质是在a b 边存在而c d 边不存在基础上构造了权值和最小的生成树，显然， 人工干预后的最小树的各边权值之和大于不存在干预时的最小树各边权值之和。 改进后算法的具体实现步骤如下： 首先，假定无向网络图g = ( v ，e ，w ) 的所有的顶点构成的点集为v ，s 为v 的一个分割， 必须要连接的两个节点为a 和b ，同时不允许进行连接的两个节点为c 和d 。 其中，s 一在最小树上的顶点的点集； 第一步：设集合v 中节点v 为最小生成树起始节点，将v 放入集合s ，同时v 中删 除节点v 。 第二步：如果v = 中，则以s 为顶点集，e 为边集的图g ( s ，e ) 是原无向网络图g = ( v ，e ，w ) 的最小生成树，则计算结束，否则转入第三步的运算。 第三步：设w m i n 为集合v 中各节点到集合s 各节点构成的所有边的最小权值，设 此权值最小边为e m i n ，设构成e m i n 的在集合v 中的节点为v m i n ，若v m i n = a 或b ， 则将a 、b 同时放入集合s 中，v 中删除a 和b ，边a b 放入边集e ，转入第二步；若e m i n = c d ( 节 点c 和d 构成的边) ，则令边e m i n 对应的权值w m i n = + o o ，重复第三步；若不属于上述 两种情况，则将v m i n 放入集合s 中，v 中删除此节点，同时将e m i n 放入边集e ，转 入第二步。 可以看出，上述算法只是干预了一条边，若需同时干预若干条边( 也就是说有若干 条边被强制加入到最小生成树中，若干条边不允许出现在最小生成树中) ，道理上是一 样的，在算法上没有本质区别。 2 2 3 人工干预应用举例 如果软件使用者认为按照理论优化方案进行实际管线铺设时穿跨越较多或者某条 管线由于地形因素无法铺设，可对方案进行人为干预，直到找到自己满意的优化方案。 假设经分级优化，得到布局结果如图2 1 ，假设p 3 0 3 p 2 0 2 管线需要穿跨越或由于 地形原因无法铺设，则希望p 3 0 3 与p 2 0 3 站相连，同时摒弃原来的p 3 0 3 p 2 0 2 管线，并 获得这种布局下各管线的管径、沿线阀门数目以及管线投资费用，人工干预就可以实现 这一功能。 l o 中国石油人学( 华东) 硕l 学位论文 女 # 图2 1 分级优化布局结果 f i 9 2 1 t h el a y o u to f t r a d i t i o n a ls t e p w i s eo p t i m i z a t i o n 人工干预界面见图2 - 2 ，选择需要连接的管线p 2 0 3 p 3 0 3 ，选择不需连接的管线 p 2 0 2 p 3 0 3 ，点击“确定”，然后点击主界面“分级优化计算”，经计算将会得到图2 - 3 结果，同时得到对应布局下的管径参数以及阀门数目。 一人工干预一一 。 选择需要连接的管线，一7 p 2 0 3 二p 3 0 3，i 。 l 请选择站号了请选择站号一 。、 | 一 一一 一 黟。 ；请选择站号亍：请选择站号 m 一一一一。lf ! 选择无需连接的管缝 ”_。 ， 謦 l ， ，一，一， 。，； 。， | p 2 0 2 v p 3 0 3 ：，。k 。 r 一+ 一一；麓、。j ；请选择站号”了请选择站号+“、。一。 r 。一1 1 2 7 、 | 请选择站号了请选择站号；： 9 。 确定还原 ： i ，。自 图2 2 人工干预界面图2 - 3 人工干预后布局结果 f i 9 2 - 2 i n t e r f a c eo fi n t e r v e n t i o n f i 9 2 - 3 t h el a y o u ta f t e ri n t e r v e n t i o n 人工干预可以使软件使用者按照自己的意愿任意干预经最初分级优化得到的方案， 然后通过参数优化确定各方案的管网投资费用，经对比分析，找到自己满意的方案。人 工干预的实现是对传统分级优化方法的一种改进，同时大大提高了软件的实用性。 第三章 高含硫天然气集输管网整体优化 第三章高含硫天然气集输管网整体优化 天然气集输管网多采用星形与枝状相结合的连接方式，即气井与集气站之问采用星 型连接，各站问采用树枝状管网连接。对于这种连接方式的集输管网的整体优化一直是 一个难点，主要原因是很难对各种树枝状的管网进行编码，这样在一条染色体中各站间 的连接路径就无法表示。本章将对整体优化方法的研究过程予以阐述。 3 1 遗传算法与p r i m e 算法相结合的优化方法 虽然难以将各站问的连接路径放在染色体中与站址和管径参数同步优化，但是可以 直接运用p r i m e 算法确定连接路径，作为联系染色体中站址与管径参数的桥梁。 3 1 1 数学模型的建立 ( 1 ) 目标函数 天然气集输管网参数优化的目的在于，根据各集气站对进口压力的要求以及对管道 沿线输气温度、流速的要求，确定出各管段的管径、壁厚等参数，使得整个管网的投资 费用最省。 整个集输管网的投资费为 式中： p 一管道外径，m l t l 。 卜管壁厚度，m m 。 m k = 厶( e 。+ e ，d f + e ：6 f ) b o 、b l 、b 2 与管材价格相关的回归系数，可以由最小二乘法求得。 m 管线总数。 厶第f 条管线的长度，m 。 整个管网的运行费用包括管网折旧费和维护费，常以占投资费的百分数表示 s = ( + f 。) k 1 2 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文 整个管网的年折合费为 z = e l ( + s = ( e + f + f ”) k 式中：e 额定投资回收系数，1 年。 e ：堑! 塑： ( 1 + 矿一1 j 年利率， 1 。 n 投资回收期，年。 f 管网折旧费占投资费的百分数。 ( 3 3 ) ( 3 4 ) ，管网维护费占投资费的百分数。 以管网投资最小为目标函数，建立的数学模型如下 mn im 一1 ( d ， x ，】，) ， 办)