（油气储运工程专业论文）天然气集输管网优化设计研究.pdf

英文摘要 s u b j e c t ： as t u d yo no p t i m a ld e s i g no fg a sg a t h e r i n gp i p e l i n es y s t e m s p e c i a f i t y o h & g a st r a n s p o r t a t i o na n ds t o r a g e n a m e ：d o n 。gf e n g j u a n ( s i g n a t l l 嘞麴垄删丝 l n s t r u c t o r ：h eg u a n g y u o i g n a t i i n 泌鱼鱼兰笔乒必 a b s t r a c t t h ec a l c u l a t i o no fu r b a ng a ss u p p l ys y s t e mi sr e l a t i v ec o m p l i c a t e di nc o n s i d e r a t i o no f n e t w o r k sm o d e l i n g ，n o d ef l o wc a l c u l a t i o na n df l o wd i s t r i b u t i o no fp i p e l i n e s t h e r ea l ea l s o m a n yf a c t o r si n t e r a c t i n ga tt h ef l a m et i m e b a s e do nt h er e s e a r c h e sa n da n a l y s e so fr e c e n t c a l c u l a t i o np r i n c i p l e so fn e t w o r k , t h i sp a p e re s t a b l i s h e st h em a t h 即a a t i c a lm o d e lo ft h e c a l c u l a t i o nf o rn e t w o r ka n dc h o o s eap r o p e rs o l u t i o n ，t h e nd e v e l o p sap r o g r a mo fn e t w o r k h y d r a u l i cc a l c u l a t i o na n da n a l y s o sw i t l ln o d em e t h o do f h a l d yc r o s sa n dv i s u a lb a s i c 6 0 t h e c a l c u l a t i o n e f f o r to f t h i sp r o g r a mi sw e l la n di t so p e r a t i o ni sv e r ye a s y a tt h es a m et i m e ，w i t ha i m i n gt h et w oo b j e c t i v e s ，t h o s ea l ec o s ta n dr i s k , t h i sp a p e r e s t i m a t e st h ed e s i g n so fr e b u i l d i n ga g a sl 黜s p o r t a t i o np i p e l i n e - n e t w o r k a tt h ep r e s e n t , q u a n t i t a t i v e ( n u m e r i c a l ) a n a l y s i sd e c i s i o na n dq u a l i t a t i v ea n a l y s i sa r ea p p l i e di np r o j e c t d c c i s i o mt h ep r o j e c to fr e b u i l d i n ga g a st r a n s p o r t a t i o np i p e l i n e - n e t w o r k i sr e l a t i v e c o m p l i c a t e d , t h e r ea r em a n yf a c t o r sc a l ln o ta n a l y s e sa sq u a n t i t y , i ti sd i f f i c u l tt od e c i d ew i t h q u a n t i t a t i v ea n a l y s i s t h u st h et w oa n a l y s i sm e t h o d sa b o v em u s tb ec o m b i n e da tm o s t c o n d i t i o n s i nt h i sp a p e r , t h ea h p ( a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ) a n de x p e r td e c i s i o n ( e x p e r t s y s t e ma n a l y s e s ) h a v eb e e na p p l i e dt oo p t i m i z et h ep r o j e c td e s i g n u s i n gt h i sk i n do f m e t h o d t oh a n d l et h es y s t e mh a l f q u a n t i t a t i v ea n d h a l f q u a l i t a t i v eh a st h ec e r t a i n l yr e a l i s t i cm e a n i n g k e y w o r d s ：g a s ，g a st r a n s p o r t a t i o np i p e l i n e - n e t w o r k , n e t w o r kc a l c u l a t i o na n a l y t i c h i e r a r c h yp r o c e s s ，e x p e r td e c i s i o n ，o p t i m a lp r o j e c td e s i g n t h e s b ：f u n d a m e n ts t u d y h i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 董堕塑 日期： 塑：! ：竺 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名： 导师签名： 地 衄艺瘟 可了一 日期：塑：阿 日期：皂塑：墨：! _ 第一章绪论 第一章绪论 1 1 天然气集输管网系统理论概述 自2 0 世纪6 0 年代以来，世界范围内的天然气管道发展迅速。目前，世界上油气长 输管道总长度已经超过2 0 0 万公里，其中天然气管道约占7 0 ，达1 4 0 多万公里；美国约 为4 6 万公里，前苏联约为2 0 多万公里，分别居世界前两位。 7 0 、8 0 年代是全球天然气管道建设的高峰期。全世界现有的天然气管道中，约有1 ，3 建设于s o 年代，几条世界级的大型输气管道，如美国和加拿大合建的阿拉斯加公路输气 系统、横贯地中海的阿一意输气管道、前苏联的乌连戈伊至中央地区及西欧的6 线输气 系统等，都是在8 0 年代建成的。 9 0 年代，世界输油管建设速度虽有所放慢，但输气管道建设活动依然很活跃。除前 苏联和中国外，世界天然气管道仍以平均每年1 4 万公里的速度增长。进入9 0 年代，前 苏联解体不久，俄罗斯由于财政收入减少，天然气的产量下降，输气管道的建设有所放 慢，1 9 9 4 年建成的输气干线只有1 8 0 0 公里。据统计，1 9 9 1 1 9 9 5 年期间，独联体新建 成的输气干线只有l 万多公里i i 捌 7 0 年代以来，世界天然气管道发展除呈现出长运距、大口径、高压力、高度自动化 遥控、向极地和海洋延伸等趋势和特点外，天然气输气管网建设也是一个很突出的特点。 现在，输气管网己成为整个天然气储运系统的重要组成部分，许多国家在规划发展 天然气工业时，对建设输气管网系统越来越重视。与单条输气管道相比，它有以下优越 性：可提高供气可靠性，这是发展输气管网系统的主要目的之一；有利于开拓天然气市 场，提高天然气工业的经济效益和社会效益；有利于充分利用输气管道的能力；有利于 对整个输气系统实行计算机管理，实现全系统的优化操作；有利于提高输气调度的灵活 性，为天然气工业采用调度自动化系统提供条件。 自6 0 年代以来，全世界已形成了许多洲际的、国际的、全国性的和地区性的输气管 网。前苏联的统一供气系统是当今世界上规模最大的输气管网，美国和加拿大两国间建 成了北美庞大的输气系统；欧洲( 特别是西欧) 是迄今为止世界上输气管网最发育、最密集 的地区。 近l o 年来，我国探明天然气储量年均以1 2 0 0 x1 0 8 矿以上的速度增长，年产量以 1 0 以上的速度增长，下游配套建设也在加快进行以中国石油天然气集团公司为例， 生产的天然气仅为建成产能的6 8 。一批区域性管网建设，为市场开拓奠定了基础，中 国石油天然气集团公司输气管线总长度为9 9 7 2 b n ，初步建成了三类区域性管线，它包括： 川渝地区的环形管网：陕甘宁地区的放射性管网；其它一些区域性管网，如：大庆朝阳 沟哈尔滨、鄯善乌鲁木齐、彩南石西克拉玛依、塔中轮南等，总 西安石油大学硕士学位论文 长约2 7 5 0 k m ，这些管网为改善我国能源消费结构、实现国民经济的可持续发展和提高人 民的生活水平起到了至关重要的作用。 但是，由于我国的天然气分布和需求不均，现有的输气管网和储运设施无法满足要 求，我国目前还没有国家批准的统一输气管网的建设规划，全国天然气大小管网总长只 有1 2 1 1 0 4 v n ，且多为区域性管网，就造成全国统一、有序的天然气市场难以形成。因 此，大力加强天然气管道建设是天然气工业高速发展的迫切要求，同时，兴建长距离天 然气管道不仅能优化能源结构，提高能源利用率，而且有利于实现我国的可持续发展。 1 2 天然气集输管网系统理论研究的必要性 气体燃料能降低污染，保护环境，节约能源，提高工业产品的质量，能改善人类生 存与发展的空阅。实现人类的可持续发展。为此，我国开始大力调整城市能源结构，逐 步提高天然气在城市能源结构中的比重。其主要标志是陕甘宁天然气输送到北京、天津 和西安等城市；西气东输工程也正在建设之中；开发渤海、东海和南海海上天然气；计 划引进俄罗斯天然气：在东南沿海引进液化天然气。燃气输配工程在城市基础设施建设 中占据的地位越来越重要。主要表现在：一、过去由于我国是以煤炭为绝对主导地位的 能源结构，城市燃气主要用于民用和公共建筑。并限制燃气在居民采暖等方而的使用。 调整能源结构后，国家出台了一系列的政策鼓励使用天然气，天然气的使用开始渗透到 其它行业，出现了天然气热电联产，燃气锅炉、燃气空调、燃气汽车等新型产业。也就 是说城市天然气供应系统已经是现代化城市不可缺少的基础设施。一、城市天然气输配 管网系统投资巨大，天然气输配系统的设计和运行调度是以管网的水力分析为基础。燃 气管网水力分析的结果准确与否，直接影响管网系统的设计质量、投资和可靠运行。在 运行过程中对燃气输送与分配进行合理的调度是保证安全可靠供气的必要手段，管网水 力分析是燃气供气调度的基本依据之一在计算机技术广泛应用于城市燃气输配工程的 今天，对燃气管网水力分析进行深入全面的研究，提高水力计算的准确性，特别是提高 不稳定流计算的准确性，不但可以节约大量用于管网建设的投资，而目可以大大提高供 气调度的准确度和可靠性。总之，深入研究燃气管网水力分析理论与方法，开发相应的 计算软件，是我国天然气工业大发展的要求，并已被建设部列入城市燃气行业“十五” 技术进步发展规划 为了满足我国国民经济高速发展对能源的巨大需求，在2 0 1 0 年以前要建成年输气能 力达9 0 0 1 0 8 m 3 l o o o x l 0 8 的输气管道。当今输气管道是朝着长距离、大口径、薄壁、 高输送压力的趋势发展。从气田的井口开始，天然气经矿场集气、净化、干线输气，直 到通过配气管网输送到用户，形成了一个统一密闭的输气管网系统。随着天然气资源开 发和应用的增长，天然气输配系统日趋大型化、复杂化。天然气输配系统供气量大，点 多面广，其中任意气源、用户、管道或设备的变化都将影响整个系统的运行，再加上管 2 第一章绪论 网本身的复杂性和气体流动规律的特殊性，使得整个系统的设计管理和调度更加困难， 从而加剧了产、供、销间的矛盾因而迫切需要对复杂的天然气集输管网系统水力分析 展开研究，从而为天然气管网的化设计、优化管理、优化调度以及优化改扩建等提供准 确的参考信息，节约投资、提高技术水平和经济效益，以促进国民经济的繁荣发展。 管网的水力分析是天然气集输管网科学管理的基础。其任务是在输入节点流量及管 长、管材、管径的情况下了解管网各管段的实际流量分配，各节点的压力，以及配气总 站的工作情况( 流量和压力) ，即了解整个管网的实际运行工况，从而得到科学、精确的 信息。这样既为改建、扩建管网设计提供准确的数据资料，避免工程的盲目性，同时， 也为输气管网的科学管理提供可靠的数据信息，以便供气部门对管网突发事件做出快速 反应。充分利用目前先进的计算机及相关技术提供的优越条件，研究和发展管网水力计 算理论，并使之得以应用，在城市中形成良好的供气综合管理系统，这是未来城市可持 续性发展的方向 1 3 国内外管网计算理论的发展历程 管网水力分析计算，它起始于1 9 3 6 年，h a r d yc r o s s 在环状网的水力计算中提出了 至今仍在普遍应用的方法h a r d y c r o s s 法，它以能量方程- 二一回路( 环) 的水头损失 平衡为准则，并引进校正流量的概念来导出非线性方程组，然后将其线性化来求解。此 方程采用的是迭代方法，所求交量是环的校正流量，方程的个数是管网的基环数。在无 计算机的年代里，其迭代公式简单，便于手工计算的优点，使其一度在管网水力计算方 法中占据统治地位【1 6 ，明 但h a r d yc r o s s 法在线性化的过程中简化过多，忽略了环与环之间的相互影响，其收 敛速度慢，且初始值对收敛的影响较大。为了加快收敛速度，不少学者对原公式进行了 修正在此期间，我国同济大学的杨钦教授提出了校正流量分配法，考虑了邻环之间相 互影响的传播系数，减少了迭代次数，提高了收敛速度。 在7 0 年代以后，网络( 图论) 技术逐步得到应用和发展，加上计算机技术的不断完 善，为管网水力计算创造了有利条件。利用图论来构造给水管网的节点方程和环方程， 简洁明了的矩阵描述的方式，使人们对系统、方程本身的性质及其应用的了解更直观、 更深刻了，并且随着计算机的出现及其应用软件的发展，管网计算有了突飞猛进的发展， 求解这些方程的各种方法在计算机上得以完成和实现。 目前，应用较多的是利用牛顿迭代法来求解节点方程和环方程。由于应用牛顿法求 解时所形成的雅可比( j a c o b i ) 矩阵是一对称正定、带状的稀疏矩阵，既可利用效率极 高的平方根法来求解相应的线性方程组，又可采用带宽压缩存储技术，节约大量内存【垌。 该方法收敛速度快、精度高、存储量小，使大型管网的水力分析计算可以在微机上进行。 西安石油大学硕士学位论文 1 3 1 国外研究状况 在稳定流计算方面，十九世纪中期，美国人波尔( p o l e ) 提出了计算低压燃气流量 的计算公式。1 9 3 6 年工l l i n o i s 大学著名教授h a r d yc r o s s 提出关于给水环形管网的计 算方法。这些工作为以后的计算机技术在环形管网水力分析计算中的应用奠定了坚实基 础。到了上世纪五十年代后期，由于计算机技术的不断发展，h a r d y c r o s s 等人提出的解 非线性方程的迭代法在计算机的帮助下被用到管网水力分析计算中从这以后，计算机 技术用于燃气管网水力分析取得突飞猛进地发展d m m a r t i n 等人先后将 n e w t o n - r o p h s o n 法用于解环方程组和节点方程组。d j 。w o o d ( 3 等人提出了应用线性化理 论求解管段方程组的方法。a g c c o l l i o a s 提出用有限元法解节点方程的方法m 在不稳定流计算方面，2 0 世纪7 0 年代，世界城市燃气均完成了向天然气的转换工 作天然气成为城市燃气的主要气源，形成了全国性或跨国性的供气网络气体燃料在 世界能源构成中比重已达到2 5 ，它对经济发展和城市大气环境的改善起到了重要的作 用。由于供气规模的日益扩大，为保证安全、可靠的供气和燃气的有效利用，许多传统 技术受到挑战，涌现了大量新技术、新设各和新材料。天然气管网向大管径、高压力发 展，以往稳定流计算已不满足实际工程需要，为此，俄罗斯、美国和欧洲对长输管线的 不稳定流进行了大量的研究，取得了许多优异的研究成果，并将其研究成果成功地用于 天然气长输管线工程设计和运行调度。国外许多科研工作者一直致力于天然气管网水力 分析基础理论的研究，为燃气管网的优化设计与运行调度提供了准确可靠的计算分析方 法 6 , 7 1 燃气在长输管道中的流动属于不稳定流，因此对流动工况的模拟必须按照不稳定流 动的方法进行分析、研究和计算随着计算机技术的发展及数值计算方法的不断完善， 世界上发达国家，尤其是美国的长输管道模拟技术发展的速度很快，许多管道仿真软件 公司都推出了自己的仿真软件，例如：美国s s i 公司( s c i e n t i f i cs o f t w a r ei n t e r c o m p ) 开 发的t g n e t ( t r a n s i e n tc r a sn e t w o r k ) 软件是功能较强的燃气长输管道的仿真软件，它 的数学模型采用的是未忽略任何项的气体管流的基本方程组及较复杂的压缩因子计算公 式。该软件使用了成熟的数值计算技术，计算结果稳定，并且可以自动选择时步，可保 证计算结果精确，计算速度高于实时运行速度。美国的s t o n e r 公司开发的模拟燃气长输 管道动态工况的软件s p s ( s t o n e r p i p e l i n es i m u l a t o r ) 该软件设置了理想化的调节器， 可以方便地模拟管道系统的控制。为了提高天然气输送与输配管网设计质量与运行调度 水平，斯拉夫人开发了g c m m s ( g a s c o n t r o lm o d e l i n ga n dm a n a g e m e n ts y s t e m ) ，这些软 件的版本逐次递增，其功能皆是以天然气管网的水力分析为基础用来解决大型输配管网 的优化设计与优化调度问题。法国燃气公司( 3 a z d ef r a n c e 开发了一种叫a c r o p o l e 的 软件，它也是一种功能很强大的综合性软件，能连接到通用数据库上，在微机上显示管 网的图形，实现对天然气输送管线和输配管网各节点压力和流量的模拟，使用用户按不 第一章绪论 同工况下模拟结果运行 1 3 2 国内研究状况 国内在稳定流方面，1 9 7 4 年华东师范大学首次提出采用节点线性逼近迭代法进行管 网水力分析计算，并与上海煤气公司联合研制出燃气管网水力，平差计算程序，此软件 首次应用于燃气管网系统中应用计算机进行水力计算。1 9 8 7 年天津大学土木系研制出 n e w t o n - r a p h s o n 法解节点方程的低压管网和用线性化理论解管段的高中压管网水力分 析计算程序。1 9 8 8 年天津大学土木系在管网优化设计和优化调度研究中探讨了流量分 配，压缩机联合工况计算及优化设计与优化调度模型等问题【”】 我国在不稳定流方面的研究，一直落后于国外，用数值法研究不稳定流问题也是借 鉴国外的研究成果 8 1 。在理论解研究方面，由于在求解过程中简化过大，理论解与实际 运行结果差距较大。1 9 】在长输管线末端储气方面的研究大多是按稳定流计算，未考虑负 荷变化速率和温度变化对可用储气量的影响f 10 - 1 1 1 。哈尔滨建筑大学隋元春【1 刁和杨立刚1 3 】 先后都曾对燃气管道的不稳定流动进行了系统的理论研究，分别采用了分离变量法讨论 了长输管道不稳定流动的理论分析解，采用隐式有限差分法对数学模型进行了数值求解。 他们的数学模型都是建立在以下简化的基础之上的，即：一、燃气沿线温度按等温计算； 二、忽略高差的影响；三、忽略水平输气管沿线的线速度变化的影响；四、忽略质量流 量随时间的变化；五、分别采用恰尔内线性化法和最小二乘法线性化方法对数学模型进 行了线性化处理。西南石油学院还开发出了动态仿真软件e g p n s 【1 4 】和g a s f l o w 0 5 1 等。 e g p n s 软件适合各种类型的气体管道系统的仿真，作为大型管网仿真成功应用之一，曾 对四川南、北干线统一输气系统进行了仿真模拟计算g p n s 软件的主要的功能包括： 一、论证管道系统设计方案、改造方案和运行方案；二、确定管道系统所要增设的副管 或所需的压缩机功率；三、计算管道系统储气量的变化情况，评价调峰方案；四、分析 管道系统的事故工况及进行敏感性分析g a s f l o w 软件对管网结构不作任何限制，适 用于任意环状和枝状管网，实现天然气集、输、配管网的静动态仿真，主要有以下功能： 一、天然气管网的静、动态仿真；二、天然气管网运行状态分析；三、天然气管网储气 能力计算；四、天然气管网事故工况分析及评价；五、天然气管网调峰方案分析。这些 软件不足之处在于忽略了能量方程，即不考虑沿线的气体温度的变化，而且气体状态方 程( p v = z r t ) 中应用了较不精确的压缩因r 计算公式，从而造成了计算结果的不准确性。 随我国城市能源天然气化的发展，在城市外环出现了高压、超高压管网。在这些管 网水力计算时，必须考虑管路中燃气流动的不稳定性和燃气的可压缩性，建立大中型管 网水力工况动态仿真计算模型，按不稳定流计算高压管线的储气量、城市高压管网和超 高压管网的储气量。国内燃气供应系统计算机仿真技术的研究还处于初期阶段。国外对 这些问题进行了大量的研究，由于国外的供气模式和技术与国内有较大的差异，国外的 西安石油大学硕士学位论文 研究成果不能直接利用，其原因表现在以下几个方面：一、在长输管线上应用较好，但 在计算大型城市管网，管段数超过1 0 0 0 个时计算收敛性不好。二、在多级压力级制管网 计算时，调压出口压力设定值限制较多。三、软件只是一个黑匣子，难于对其计算方法 进行分析与研究。 1 4 天然气管网系统优化设计的发展 1 4 1 国内外研究概况 对管道系统的最优化设计问题进行研究始于2 0 世纪6 0 年代。在当时的一批研究工 作中，哈克斯用库恩一塔克定理来确定管道系统的最优条件，但是，这个方法的实际应 用很有限。 c h e e s m a n a p 奇斯曼报导了一个管道优化设计软件，采用坐标轮换法寻优以使费用 最小尽管对一个有约束的非线性问题而言，坐标轮换法并不是一个效率很高的算法， 但仍能使设计时间减少7 0 ，设计费用节省3 0 ，设计质量也得到了提高。 1 9 7 2 年，f l a n i g n 弗兰尼根用有约束的最速下降法对管道的直径和压缩机的功率进 行优化，同时满足若干非线性约束条件。设计变量被分为状态变量和决策变量两类，每 次迭代均算出相应的雅可比矩阵的行列式的比值，以考虑由约束决定的状态变量与决策 变量之间的相互影响。 引人注目的是，1 9 7 8 年，e d a r 埃得加等人用广义简约梯度法对天然气管道系统的设 计进行了最优化。这一高效的算法使得对管径、压气站数及位置、进出站压力等设计变 量同时进行优化第一次成为可能。 1 9 7 9 年，b h a r k a r a n 布哈斯卡伦等人研究了天然气集输管网的优化设计。他们将该 系统的设计问题分为系统布局子问题、节点位置子问题和直径分派子问题。 1 9 8 0 年，哥派尔提出了一个对管道泵站的运行最优化的方法。目标是根据每个动力 机的燃料耗费率，决定应开启哪些泵组，在保证所需的流量的前提下，使总燃料的费用 最少。用数学规划算法来选择最优的泵组搭配，只需要对很少几种组合进行计算。此外， 还用动态规划的方法对出站压力进行最优化渊。 1 9 8 6 年，m a n t r i p r e s t o n 和p r i n g l e 研制了关于天然气管线运行的程序，使管线在瞬 态操作时费用最小阱】它由瞬态模拟、压气站模拟、操作费用的优化组成。压力、流量、 温度限制在安全范围内，输量也必须得到保证。主要优化技术是广义下降梯度法。这些 研究，对后来进行天然气输配气管网系统运行方案优化的研究奠定了基础。 1 9 8 8 年，b l m d u r 和t a l a e h i 用大量的非线性约束条件表征天然气管道系统的运行。 并用非线性算法，即广义几何规划法( g g p ) 和广义简约梯度法( g r g ) 优化设计天然 气管线的变量参数，以获得最小的投资和运行费用l 加 1 9 9 9 年，美国c n g t 公司安装燃料耗量极小化系统以降低管道的运行费用【2 _ 7 】。该 6 第一章绪论 公司选择了动态闭环、实时优化技术使系统中的燃料耗费最少美国n p n g - c 公司操作 者借助新工艺和自动化技术控制运行费用圆c n g 公司利用实用的发动机优化计划节约 了运行和维护费用。同年，管道仿真研究小组( p s i g ) 对管网中实时和燃料优化模型进 行了研究网。 2 0 0 0 年，c h ik is u n v - u r a i k u l 和c w c h a a 等人建立了一个综合的管线运行优化 专家系统，这个专家系统能够测出管道填充物的状态，以便系统决定控制要求的大小， 还能求出相应的能耗要求，在这两步的基础上，通过一个模糊模型就可以确定出究竟应 开启哪些压缩机l 羽 2 0 0 1 年，威廉斯公司在其全长6 2 0 0 米的德克萨斯输气管道上安装了一种名叫 c i t c d m 沮的新型管道监视系统，该系统的应用可使公司节约大量运行费用阱】 2 0 0 3 年，a b d e l h a k i ma i n o u c h e 对输气管道的运行优化进行了研究1 3 2 1 由于天然气 的可压缩性，可用管线充填量弥补气量需求的波动。根据预测的需求量，建立天然气管 道运行优化线性规划模型该优化模型要求天然气需求量的波动满足能量消耗最小，采 用改进单纯形法对模型求解得到天然气管道的优化运行流量。 近十年来，非线性规划获得了巨大的发展。新算法不断出现，其中主要有增广拉格 朗日乘子法和序列二次规划逼近法等。 国内在管道系统优化设计方面的研究起步较晚，但是发展较快，在各类刊物上的论 文也不少，主要有： 1 9 8 8 年，李书文、姚亦华研究了天然气集输网络的最优化静态设计【3 3 】。文中研究 了树枝状天然气集输网络静态数学模型，并给出了两种解法，即综合约束函数双速下降 法( s c d d ) 和混合罚函数法( s 咖) ，可用于现存系统又可用于新拟建的网络系统， 具有一定的实际意义 1 9 8 9 年，李书文进一步研究了气田网络的优化布局问题 3 4 1 ，提出了简化优化法，即 i c n 塔k a l 算法、s t e i n e 最短树法和p r i m e 算法，可为气田管网规划布局和辅助设计提供参 考。 1 9 9 2 年，刘扬用模糊优化理论，研究油气集输管网系统的优化设计问题，将温度、 压力约束处理为模糊约束，建立了优化问题的数学模型，提出了数值求解方法p 副 1 9 9 3 年，宋东昱、肖芳淳应用可靠性理论、灰色系统理论，结合最优化技术，考虑 了白色、灰色、随机等管道结构优化设计过程中可能遇到的影响因素，提出了地下管道 结构多目标可靠性灰色优化设计方法阑 1 9 9 3 年，刘扬和关晓晶等人在以前星式网络的拓扑优化设计、油气集输管网系统的 布局优化设计的基础上，研究了环形集输管网的布局优化设计问题p “。 1 9 9 5 年，郑清高提出了在不考虑地形因素时，用s i 算法确定井站以外引入s t e i n e r 点时集输管网的最短几何布局；再根据地形因素对其结果进行局部调整或提出若干可行 几何布局方案，用关键路线法确定出最终几何布局网 7 西安石油大学硕士学位论文 2 0 0 0 年，李宏伟、谭家华为提高海上边际油田开发的经济性，对海上边际油田群综 合开发的海底油气集输管网系统进行了分析【帅】，利用图论中的最小生成树方法和网络的 加权中心问题，对海底管网布置进行优化，得出了满意的投资方案。 2 0 0 1 年，李长俊就输气管道线路投资、压气站投资、运行管理费用及其工艺要求， 建立了输气管道优化设计数学模型 3 9 1 。并针对模型中既含有离散变量，又含有连续变量， 基于复合形求解方法讨论了组合型算法。 综上所述，油气管网系统是个大系统，由于其复杂性、多元性，其优化的工作量相 当大迄今为止，世界上尚未出现完善的油气管网系统优化设计专用软件，有待科技工 作者和工程技术人员进一步努力开拓。 1 4 2 天然气管道系统最优化技术的发展趋势 天然气管道系统最优化技术与最优化理论和技术的发展息息相关随着最优化理论 的日益成熟完善，天然气管道系统优化技术得到进一步的发展和推动，但对于天然气管 道工程的特殊性和复杂性，在此领域最优化技术的发展也有自身的特色。 ( 1 ) 多目标化 天然气管道系统的优化问题实质是多目标优化问题，在给定管网布局后对天然气管 道进行结构设计，既要保证其结构可靠度，又不能和以往一样不计成本地进行大余量设 计。设计人员的作用不应该是过去的“分析和校对”而应该是“综合优选”即在现有条 件及满足各种常规约束和可靠性约束下，使天然气管道输送系统的某些性能指标为最佳， 这些指标可以是：降低管网投资、管网的动力能耗指标及管网的热力能耗指标。而这三 个指标是矛盾的，不同目标发生在不同阶段，所以需按一定的过程分阶段进行优化分析 减少管道建设的投资，提高管道输送系统的可靠性，降低输送成本是管道运输建设 方面的主要科研课题。管道结构的强度，刚度和稳定性，应作为构成管道系统可靠性总 链条上的重要一环来研究。 ( 2 ) 模糊优化 1 9 6 5 年美国控制论专家l a z a d e h 第一次提出模糊集合“f a z z y s e t s ”的概念，- - f 3 新的数学分支模糊数学诞生了。考虑事物的模糊性，用隶属函数作桥梁将其数量化， 从而利用传统的数学方法进行分析处理，模糊数学理论显示出强大的生命力，其应用范 围涉及自然科学、社会科学、工程技术和国民经济等诸多领域。 模糊数学综合评判法在新建天然气集输技术工程方案选择中的应用，也使工程建设 方案的选择更合理、更精确，而达到见效快、收益高的目的。 ( 3 ) 灰色优化 1 9 8 2 年，邓聚龙教授创立了灰色系统理论。灰色是指信息不完全，灰色系统是指信 息不完全的系统。社会、经济系统一般都是以“灰元”、“灰数”、“灰关系”为特征的灰 i 第一章绪论 色系统。灰色系统理论以其横断面大，渗透性强的特点，正在各个方面得到日益广泛的 应用。 1 5 研究成果 本文分析研究了国内外最新管网计算方法，并在此基础上采用h a r d y c r o s s 节点法和 v i s u a lb a s i c 6 0 程序语言开发出了一套具有管网水力平衡计算的数值软件，对输气管网各 管段的流量及节点压力进行了水力平衡计算；并采用层次分析法与专家评分法相结合， 对城市输配气管网系统改造方案中一些主要参数进行了分析评价，确定出城市输配气管 网改造方案中的管径最优设计方案。从而更有利于推进输配气管网科学管理的实施。 本文所做工作具体如下： ( 1 ) 对国内外最新天然气管网的计算方法进行了分析和研究； ( 2 ) 选择了适当的计算方法，使数值软件具有静态管网水力平衡计算的功能，从而 为管网的后期扩建和改造提供准确的数据资料； ( 3 ) 对国内外最新天然气管网的优化方法进行了分析和研究； ( 4 ) 针对费用和风险两个目标，选择了适当的优化方法对各个设计参数进行了分析 评价，从而优选出费用最小风险最低的管网改造方案 9 西安石油大学硕士学位论文 第二章城市天然气输配管网水力平衡计算 我国有丰富的天然气资源。随着国民经济的发展，天然气的需求量日益增长，天然 气输送系统和配气系统蓬勃发展。为了保证向用户合理地供应天然气，同时降低操作管 理费用，必须解决与整个输配气管网合理运行有关的深层次问题。但是，只有在应用了 科学的管网模拟方法之后，才有可能解决最优化发展天然气输配管网以及经济上合理管 理等这些深层次问题 天然气输配系统由高度整体化的管网组成。这个系统是一个统一的水力系统；在系 统内操作压力和流量变化很大。所谓模拟，就是将所研究的系统用一个模型来等效代替， 然后在模型上进行实验；模型的输入和输出信号等同于系统的有关信号根据测试所得 到的结论，在所考虑的条件下，模型就可以转用于该实际管网系统。 管网模拟分析可以为工程师们在分析所给系统感到困惑的具体问题提供答案，为管 网的优化和改造提供科学依据因此，模拟是一种有效的工具，它本身并不是目的。管 网模拟能使我们预测气体管网系统在不同情况下的状态，这种预测可以用来指导关于实 际管网系统的设计和对操作的决策。在管网设计阶段，管网模拟将帮助我们选择管网结 构，以及在供气和用气的给定参数情况下选择管道的几何参数。管网模拟也可以使我们 能够容易地选择所要设置的非管元件位置。为了得到在管网给定地点的压力和流量的信 息，也需要进行模拟来对管网系统加以控制。 根据系统内气体的流动特性，管网模拟可分为稳态模拟和非稳态模拟两种。本文针 对城市输配气管网系统进行了稳态模拟，从而为管网的优化和改造提供科学依据。 2 1 环状管网的计算原理及基础方程 管网计算的原理是基于质量守恒和能量守恒，由此得出连续性方程和能量方程。连 续性方程就是对于管网的任意一个节点来说，流向该节点的流量必须等于从该节点流出 的流量。能量方程表示管网每一环中各管段的水头损失总和等于零的关系。例如，可以 规定气体流顺时针方向的管段，水头损失为正，逆时针方向的为负；反之宜可 ( 1 ) 节点方程 节点方程也称节点流量连续性方程，即连接于任何节点的所有管段流量，其代数和 为零。也就是说，任一节点的载荷等于支管内流入和流出节点的流量总和可以用下列 式子来表达1 6 j ： 岛+ 厶= o ( 2 1 ) 式中， 绒表示连接在节点i 的各个管段的流量； 第二章城市天然气输配管网水力平衡计算 厶表示节点i 的流量。 在连续性方程中规定，任意节点的流进流量为正值，流出流量为负值。节点方程中 每个节点有一个连续性方程，但己知压力节点的连续性方程对问题的求解无效。 ( 2 ) 回路方程 回路方程也称为能量方程或环方程，即每个环的水头损失闭合差为零，也包括虚环 在内。计算时。规定水流流向沿顺时针方向为正，水流沿逆时针方向为负。可以用下列 式子来表示【1 q ： 一h i = o ( 2 - 2 ) 式中， 表示基环k 的管段水头损失； h t 表示基环k 的闭合差或增压和减压装置产生的压差。 ( 3 ) 压降方程 管段流量q 与压降h 之间的关系可以表示为( 2 3 ) 式，用矩阵形式表达为( 2 - 4 ) 式【阍。 矗= s 口“ ( 2 - 3 ) h = j l 翻一 j 2 q 2 h j q 1 罩2 ( 2 - 4 ) 式中， 争袁示与管材、管长、管径有关的摩阻系数； m 1 表示水力指数，通常取值为低压2 ；中压拼1 = 1 ，s 4 8 ；高压管网m 1 = l ，8 5 4 。 上述三种方程都是输气管网水力计算的基本方程。 在建立管网模型时，已知量是节点流量、管长、管径及摩阻系数，要求计算出的是 管网中管段流量、水头损失及节点压力。在输气管网水力计算时，一般是联立以上三个 方程组( 即节点方程，回路方程和压降方程) 来求解。 2 2 输配气管网稳态模拟 所谓管网的稳态模拟就是通过建立系统的模型，借助计算机对真实系统或设想进行 分析论证。管网模拟准确与否，关键在于所建立的数学模型能否准确、全面地描述管道 流动过程以及能否找到求解模型的方法。下面我们介绍一下简单无非管元件管网系统的 鲈鲈；驴 叮ijuiu儿 西安石油大学硕士学位论文 仿真及其稳态分析过程。 一般流动方程的推导，包括许多简化的假设，它们是【1 明： ( 1 ) 稳态流动； ( 2 ) 由于通过管壁向周围介质的传热，认为是等温流动； ( 3 ) 管道中的动能变化可以忽略不计； ( 4 ) 在整个管道长度上，气体的压缩系数为常数； ( 5 ) d a r c y 摩阻损失关系式在管道上是正确的； ( 6 ) 沿管道长度上摩阻因子为常数 2 2 1 无非管元件管网系统模拟数学模型的建立 输气管道的组成除了有管道外，有时还含有压缩机，阀门等。我们把管道称之为管 元件，而把管道外的压缩机、阀门等称作非管元件。 虽然目前计算机技术高速发展，运行速度不再是一个约束条件，对于密如蛛网的输 配气管网，为了减少数据的输入工作量、加速管网平差、得出宏观管网、实现管网优化 调度，在水力计算之前，对极其复杂庞大的给水管网进行简化处理，略去次要的管线， 保留主要的管线还是十分必要的，目前一般采用的是管线省略、合并、分解的方法。为 了更加接近实际运行工况，一般对管网原始图形简化时做如下的处理： ( 1 ) 根据流体力学的计算理论，去掉供输配气管网中的所有支状管网。 ( 2 ) 在管网计算允许的范围内，去掉对水力条件影响不大的小管径管线，并同时对 省略管线附近的管线的水力参数进行处理。 ( 3 ) 对于平行管线进行合并处理，为消除一定的误差，对合并的管线参数适当调整。 ( 4 ) 为了计算出的结果具有代表性，在节点的选择上也作了一些挑选，其选择的有： 气源和集中流量的节点。 如图2 1 所示的简单管网系统，对于任一节点，根据质量守恒可知，流入、流出该 节点的流量应该为0 。 围2 - 4 蕾网示意图 第二章城市天然气输配管网水力平衡计算 若定义流出节点的流量为负号，流入节点的流量为正号，则其节点流量平衡方程为； f - q 。一q 2 - - q 3 + l 1 = 0 j q i + q 4 一l 22 0 ( 2 5 ) lq 2 一q 。一q _ ，一厶= 0 【q ，+ 幺一= o 式中， q 广表示各个管段的流量，单位为o m ； i 广隶示各个节点的流量，单位为m 3 h 。 管道内流量与管段两端压力的关系式如下【1 9 】： q 圯避a z a t i ( 2 6 ) 式中， q 表示管段流量，单位为m 3 s ； 打一 c 表示常数，c = 兰三r 。 p - a 表示水力摩阻系数，无因次； t - 表示天然气的平均温度，k ； - - - - - 表示管段的长度，m ； d - - - - 表示管道的内径，m ； 表示天然气的相对密度，无因次； r - 天然气的气体常数，m 2 【s 2 k ) 管道内流量管段两端压力的关系式( 2 6 ) 代入方程组( 2 5 ) ，可得关于4 个节点 压力和流入( 出) 量共8 个变量的方程组，如( 2 7 ) 式所示： c j 哑a z a t l 3 + c 匣a 互z a t i 叵5 一l = 。 + 厶= 0 一厶= 0 ( 2 7 ) 式中各个参数的物理意义同以上各式。 根据前面一般流动方程的推导的假设，将( 2 一吒) 式简化，从而推导出一个比较简 单的、适应于低压、中高压管网系统的一般流动方程。所涉及到的简化是将式( 2 6 ) 中 的( p q 2 一p z 2 ) 项转化为( p q - p z ) ： ( p q 2 一p z 2 户( p q p 2 x p q + p z ) 西安石油大学硕士学位论文 ；2 _ p q + p z 吼 一p z ) ( 2 - 8 ) = 2 p 竹畋一p ：) 式中k = ( 忍+ 兄) 2 为管道的平均压力压力p 都为绝对压力。通常，在低压系统 表压力都非常小，绝对压力近似地都等于式中的p 。假如p 。等于p 且，则在管网稳态分 析过程中，对于不同的管网，我们可以用以下几种流动方程来表示节点压力与管段流量 之间的关系 2 2 2 管网的一般流动方程 ( 1 ) 用于o - - 7 5 0 0 p a ( 表压) 的低压管网的方程1 叼 h = o ( 幺) 。】= s ( q “) i = p j p = 印i ( 2 9 ) 式中， ( 幺) 。管段k 内的流量； 觇菅段k 内的压力降； a 节点i 的绝对压力； p ，节点j 的绝对压力； m l 低压管网取值为2 用压降来表示管段内的流量，则上式可改写为： 咻h 纵= ( 封 式中， 墨引l 7 x 1