（环境工程专业论文）城市市政公用输配系统规划的优化.pdf

摘要 本文以城市天然气输配系统作为研究对象，由于系统的共性，其研究 成果可以应用于一般的市政公用输配系统。 天然气作为一种清洁、高效的能源，正逐步替代煤制气成为城市燃气 的主体，许多大中城市，一方面基于城市总体发展规划及环保的要求，需 要引进天然气外来气源，建设新的天然气高压环网；另一方面需考虑新老 管网的有机结合，适时转换煤制气管网，从而完满实现城市燃气向天然气 的过渡。因此，需要从整体上对城市燃气输配系统进行宏观规划，以获得 最大的经济与社会效益。 本文运用系统工程及数学规划的理论与方法，从各气源优化配置的角 度，综合研究城市燃气中、高压输配系统的规划问题。 首先，针对系统的各组成部分，根据规划需要选取其中必需的部分， 分析它们的费用资料及构造费用函数，并用曲线拟合获得各部分费用函数 的相关参数。其次，深入讨论年经营费用各部分的组成，及系统供需平衡、 供气能力等约束。最后，以系统的年经营费用最小作为规划的目标，建立 了城市燃气中、高压系统规划优化的数学模型。考虑到模型的特点，选用 适合于解大型非线性规划的算法一广义简约梯度法( g r g 法) 和数学软 件工具一l i n 9 0 6 0 进行模型的求解。从而成功解决了城市燃气输配系统规 划的优化问题。笔者针对模型编制了前台及输出程序，除录入原始数据资 料外，数据的整理、分析、计算以及模型的建立、求解过程都隐入后台， 使用方便，操作界面友好，使程序更为实用。 最后，应用本程序对华北某城市燃气输配系统的规划进行了考核计 算，获得了较为满意的结果。 关键字：燃气输配系统费用函数系统规划优化 a b s t r a c t t h i sa r t i c l em a k e sa r e s e a r c ho nu r b a nn a t u r a l g a ss u p p l y i n g a n d d i s t r i b u t i o ns y s t e m ，a n dt h es t u d y i n gr e s u l tc o u l db ea p p l i e dt ot h eg e n e r a l m u n i c i p a lp u b l i cs u p p l y i n ga n dd i s t r i b u t i o ns y s t e ms i n c et h ec o m m o n f e a t u r e o ft h e s es y s t e m s n a t u r a lg a s ，a sac l e a nf u e la n dh i g he f f i c i e n te n e r g y ，i st a k i n gt h ep l a c e o fc o a lg a st ob et h em a i ns o u r c eo fu r b a ng a ss y s t e mi nc h i n a m a n yc i t i e s ， o nt h eo n es i d e ，n e e dt oi n t r o d u c et h eo u t e rg a sr e s o u r c e ，c o n s t r u c tt h en e w h i g hp r e s s u r en a t u r a lg a sc i r c l e ds y s t e mf o rt h ed e m a n do fd e v e l o p m e n ta n d e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，o nt h eo t h e rs i d e ，c o n s i d e r i n gt h ec o m b i n a t i o no ft h e n e wa n do l dn e t w o r k ，t h ec o a lg a ss u p p l y i n ga n dd i s t r i b u t i o ns y s t e ms h o u l db e r e p l a c e di nt i m e t h e r e f o r e ，i t sn e c e s s a r yt ow h o l l ym a c r o p r o g r a mt h eu r b a n g a sd i s t r i b u t i o ns y s t e m s ot h a tt h eb i g g e s te c o n o m i ce f f i c i e n c ya n ds o c i a l e f f i c i e n c yc o u l db eg o t t h i sa r t i c l e a p p l y i n g t h eb a s i c t h e o r y a n dm e t h o do ft h e s y s t e m e n g i n e e r i n ga n d m a t h e m a t i c a lp r o g r a m m i n g ，m a k e sag e n e r a lr e s e a r c hi n t ot h e o p t i m i z a t i o n o ft h eu r b a n g a sm i d d l e & h i g hp r e s s u r e d i s t r i b u t i o n s y s t e m p r o g r a m m i n g f r o mt h ea n g l eo f o p t i m a ld i s t r i b u t i o no fg a ss o u r c e f i r s to f a l l ，f o re a c hp a r to f t h es y s t e m ，s o m e n e c e s s a r yp a r t sa r es e l e c t e d a c c o r d i n g t ot h ed e m a n do ft h e p r o g r a m m i n g a n d a n a l y s e t h e i rc o s t i n f o r m a t i o na n dc o n s t r u c tc o s tf o r m u l a s ，t h e no b t a i nt h e i rc o s tf u n c t i o n s p a r a m e t e r sb ym e a n so f c u r v ef i t t i n g n e x tt h i sa r t i c l ed i s c u s s e se a c hp a r t so f t h eo p e r a t i o nc o s to ft h es y s t e mp e ry e a rc a r e f u l l y , a n dc o n s i d e r sa l lt h e c o n d i t i o n so ft h e s u p p l y a n dd e m a n d b a l a n c e ，t h e l i m i t a t i o no ft h e g a s s u p p l y i n gc a p a b i l i t y l a s t ，w i t h t h e o b j e c t o fm i n i m i z et h e s y s t e m o p e r a t i o n c o s t p e ry e a r , t h e a u t h o re s t a b l i s h e st h e o p t i m a l m o d e lo f p r o g r a m m i n g t h eu r b a n g a sm i d d l e & h i g hp r e s s u r es y s t e m c o n s i d e rt h e f e a t u r eo ft h em o d e l ，t h ea u t h o rc h o o s et h e a p p r o p r i a t em e t h o d g e n e r a l r e d u c e d g r a d i e n ta l g o r i t h ma n dm a t h e m a t i c a lt o o l l i n g o6 0 t os o l v et h e m o d e l t h u st h e p r o b l e m o f o p t i m i z i n g t h e p r o g r a m m i n g o fu r b a n g a s d i s t r i b u t i o ns y s t e mi ss o l v e ds u c c e s s f u l l y t h ea u t h o rw r i t e st h es o f t w a r ef o r a p p l i c a t i o n ，w h e nu s i n gt h ep r o g r a m ，t h ec o u r s eo fa n a l y z i n g ，c o m p u t i n gt h e d a t aa n de s t a b l i s h i n g ，s o l v i n gt h em o d e li sd o n eb yt h ep r o g r a me x c e p tt h e c l i e n ti n p u t t i n gt h eo r i g i n a lm a t e r i a l ，w h i c hi su s e dm a k e st h ep r o g r a mm o r e c o n v e n i e n tt oa p p l y f i n a l l y , t h i sa r t i c l ea p p l yt h ep r o g r a mt ot e s to n ep r o g r a m m i n go fau r b a n g a sd i s t r i b u t i o ns y s t e mi nh u a b e i ，a n dt h er e s u l ti ss a r i s f y i n g k e yw o r d s ：g a sd i s t r i b u t i o ns y s t e mc o s tf u n c t i o n s y s t e mp r o g r a m m i n g o p t i m i z a t i o n 独创性声鞠 本久声舞嚣至交匏学位论文莛本久在导耀拯譬下逶嚣静礤究工作襄取褥魏 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已缀发 表或撰写邋的研究成果，也不包含为虢得墨洼盘鲎或其他教育机构的学位溅 证书两使耀避的毒芎料。与我一同工幸挈的同志对本磷究所骰的任僻霓熬均已在论 文中律了确确的说明并袭示了谢意。 学氇论文俸者签名：囊扣车 签字基裁；歹雌零，j 爱；。强 学位论文版权使用授权书 本学戳论文作者完套了解盘凌盘鲎有关保留、使嗣学位论文的规定。 特授权基淀盘芏可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行梭 索，并采用影印、缩印或扫描等复制警段傈存、汇编鞋供查阅秘倦阕。同意学 校商国家露关部门或穰掏送交论文豹簧印 孛帮磁盘。 ( 保密的学位论文程解密后适用本授权说明) 学位论文作糟签名：赛桃舞 签字强弱：啦年，土霜i o 霞 ；寸酲 繁一章结论 ”h m _ 一 繁一耄绪论 我国各城市的市政公用输配系统( 水、气) 是城市熏舞的基础设施之 ，是城枣建设积霹跨续缝发溪黟裁缝嚣素，这些工程霹络在系统规翻土 有许多方面存在着共健。结合当静能源与环境研究的热点滴题输配系统 综合规划的优化，考虑到数据的辩乏源和实际鬻要的迫切性，本文以天然气 输配系统作为研究对象，其研究成果可以很密翳推广到其蚀领域。 1 1 课题的提出 我黼燃气工业豹发嶷是从1 9 避纪下半对上海建造第一个煤利气生产 厂开始。之后，我豳的燃气工、监飞速发震。谶年来，城市燃气已经成为城 市能源的重要组成部分，燃气输配系统更是城市重要的市政公用基础设旌 之一。城市燃气的发肢与基础设撼浆目益完蛰大大提高了城镇居民的生活 零平窝皱毒黪环凌。褥学疆零懿避步弱茬会霹持续往发震豹需要，绘我溷 燃气输配行业提供了良好的发展机遇和广阔的市场前景。 目前我国大部分的城市以天然气、煤制气和液化石油气为主。由于天 然气暴露燃烧污染少、戆效嚣等特点，因戴夔潜我国天然气王监兹发攫， 天然气套逐步缝替代其他气源走遴城镇屠民的生活。 1 1 i 气源多样化 我鬻酶天然气资源丰富，开发潜力穰大，毽遣区的分耀不均，东部选 区的储溉较少，主要分布在松辽平原、渤海湾殿华北平原的南部地区，而 且以石油伴生气为主；与此相反，谣部地区气朦气较丰富，开发潜力很大。 覆都静大嚣茇窝翟气东辕工程豹交蘧，凌会凌渡逸嚣静天然气姿源逐步德 以开采利用。但若单嚣国内的天然气资源还远遣不够，特别是东南沿海能 源匮乏的地区在今后避口国外的天然气资源怒必要的，也怒可行的。我国 凰边地隧如簸罗巅、翻度尼嚣亚、马来西亚、文慕等地区都有丰富的天然 气资源，阕霹于这些港嚣也是 鲎界蓉名的天然气国口国。两边丰富的天然气 资源和哉国经济的飞速发展给我国城镇引进阉际天然气资源提供了充足 的条件枷良好的机遇。因此在天然气气源点的选择上应走嗣内开发和圜外 第章绪论 引进并举的方针。 ， 。2 徐配警圈建设 在天然气输配长输管线的建设上，逐步向大口径、商膳力、大环网方 向发展“3 。天然气的输配范圈不仪局限于某地区，跨地区、跨省、乃至 跨冒懿大鳖骧气管绞在透豆年中褥鬟了逐逮黩发震。毽爨上一些经济发这 地区大概模的天然气输配环网已经形成。天然气的长输管线由过去的举线 供气逐步的连接成环，使得供气的可靠性和稳定性大大提商了。在我豳由 于天然气产量不是缀麓，冠人工煤裁气郛液化石油气又不遥合通过高压长 输管线大嚣积供应，因此，在燃气长输管线的建设上，区域性强，全黼性 的燃气供应网络还未形成。近几年，随着我圆天然气产量和消费量的不断 增加及些大型天然气长输管线的建造，这种跨省、跨地区的大型燃气供 应露终魄会逐步形成，这对我嚣城镇惩户爱气瓣安全整帮w 靠往猿有不可 估量的作用。 综上所述，只有气源的多样化与燃气输配长输管线建设的逐步完游， 才能有效的镙证城市燃气特别是天然气事韭黔蓬勃发最，隧萋我国天然气 工、韭靛缎袋藕天然气化进程的热茯，我国酌城市能源消费将逐步遘入天然 气时代。 同时气源的多榉化与燃气输粥长输管线的建设，也促使城市燃气输配 系统扶燃气蠢天然气麓转交露发麓，爻了接受潦鑫各不圈气源熹逶 童长浚 管线输送来的天然气，城市输配系统将逐步从以往的一级或二级管网系统 转化为三级系统，建立环状高压瓣线，以满足“多气源供气，联网互补” 豹城市供气豹攫划要求。扶露完溅城枣燃气与天然气熬接辘，搜萁步入 个崭薪瓣阶段。霹前许多大中城市部正处于这样一个接鞔的阶段：城市燃 气中低膳管网系统已缀发展得较为成熟，中低臌管网内各项设施的建设都 已完成，两天然气高压管道系统正在建设中( 如天津、郑州、杭州等) ； 或已耪爨矮搂毽餐嚣簇建设曼毫麓力级鬟夔麓援警遥 蘸嚣裳、主海等) 。 那么为了满足用户不断发展的对天然气的需求，往往需要制定一个规划， 通过规划来决定，是否引进某一外来气源及需要此气源供给多少天然气 量，还嚣要决定糖聚避、高中压调篷蛄、强拔怒蓬警线等系绞夔冬缀藏都 分是否需要新建及耨建的规模，对予已经建成的部分是否辩要扩建及扩建 的程度等问题。然而内于城市天然气的发展还魁处于起步的阶段，人们的 经验还停留在煤制气为主的城市燃气验段，在这糖情况下，要擞到规划鼬 第一章绪论 合理牲、安全性与经济性，鬣要一段实践浆过程，到底如彝才能馒援划达 翻最伉昵，这就怒本文研究豹熏点。 1 1 3 课题的研究 零文嚣薅城市燃气稔嚣系统懿综合蠖矧，运蘧系统往往熬理论鞫方法， 对燃气输配系统进行综合规划和管理，合理而充分地利用各气源的供气能 力与簧网的输送能力，最终希塑从量化的角度来衡量规划的优劣，并且选 择逡食躲计算方法寒褥到最谯瓣趣划。嗣孵应用诗算撰褥到筑他诗舞戆结 果，豳两具有较辩的宏魏经济效益、社会效益稻环境效益，做好城市燃气 输配系统的规划；对城市燃气系统的设计、建设改造及运行管理都宵决定 性的指导作用。 1 2 课题的意义 随着环境问题的日益严夔，天然气作为清洁、高效、安全的能源，日 盏受爨各国戆重耩。它不论蹩在臻缓爨护、戆源程震方覆还是在燃气工程 宏溉经济方面，都具有重要的意义。 1 2 1 天然气利用的环境的意义。 天然气是一种作为优质离教的洁净麓源，与固体燃料、液体燃料相比， 具有突出的优越性，合理开发利用天然气，可以有效控制城市环境污染， 改善空气质量。 藩宠，枣下袋卜1 霉翔，天然气替代潆巍石漓胃毽燃烧嚣疲耱播放量 大幅殿降低，其中硫氧化物和粉尘的下降幅度最为显著。当天然气的应用 范围达到一定水凇时，以煤的烟尘、煤与石油燃烧后排放的s 晚为主体的 空气污染将褥到鸯效熬秘裁，窿气矮量( 黪剩是大城赘豹窆气震整) 褥褥 到鹈驻的改善。 另外，用天然气替代柴油，可大大的降低n o ，、8 0 。j 甲烷类有机物和 粉尘的排放；替代汽油，可减少s o x 、c o 非甲烷类有机物移铅的排放，n o ； 静蓑 敖藿芬不夫予汽 瘗车n o x 熬捧敖量。这辩予防止运输嚣域娲雾静生成， 减轻空气酸化，净化城市空气鼹极为有利的。 辫有，工业革命以来，大气中c o ：含量增加了3 0 ，全球气温与1 8 6 0 年穗魄野态了o 3 0 。6 。c ，遗塞效应不吝忽筏。在太秀瓣瀑室效应中，e 0 ， 是主黉的温室气体，约占整个人为温室效成的6 8 。第二大气体是c h ；，约 第一章绪论 占1 9 。其他温室气体n ：o 占7 ，氟氯烃( c f c ：) 占6 。 天然气燃烧时也产生c o 。和n 2 0 。但与燃油和燃煤相比，天然气燃后 c o 。和n 。o 的排放量大大减小，分别减少约2 5 和5 0 的c 0 ：排放量，n ：o 的 排放量减少7 0 以上。因此从燃烧角度考虑，增加天然气的使用量和减少 燃煤、燃油的用量，对改善城市温室效应十分有效。 表卜1 油、煤和天然气的燃烧排放量( 公斤吨油当量) 排放物1 吨油1 吨油当量煤1 吨油当量天然气 c 0 2 3 1 0 04 8 0 02 3 0 0 s 0 22 0 ( s 未脱)6 ( 8 0 s 已脱) n 0 26 ( 工业用)1 l ( 工业用)4 ( 工业用) c o6 、3 04 5 “2 00 5 、3 未燃烃 o 5o 3 0 0 4 5 灰2 2 0 飞灰 1 4 最后，本世纪七十年代，研究大气的科研人员发现臭氧层有不断耗减 的趋势。研究发现，全氟氯烃( c f c 。) 是破坏臭氧层的主要原因。c f c ；常 被用作制冷剂、抛射剂和发泡剂，而天然气驱动的吸收式冷凝器不含这些 化学物质。而是采用一绝对安全的溴化锂与水或水与氨相配合的液体，对 臭氧层无任何破坏。从而被认为是取代传统制冷剂最具有竞争力的替代 品。 1 2 2 天然气利用的经济意义 天然气是高热效、高热值的能源，热能利用率可达7 8 以上，在输送 相同热值气量下，输送天然气的管径可大为减小，从而可以大大节约供气 管网的基建投资。天然气较其他能源有最低的有效热值投资水平，以天然 气替代煤及其他能源，有效热值投资较低，可以缓解当前国家能源消费中 存在的运输压力达、能源利用效率低下的问题。 因此，紧密结合我国国情来利用天然气以充分发挥其最大的社会和 经济效益，大力发展天然气工业就显得十分必要了。 4 第一章绪论 1 3 国内夕l 、研究的现状 天然气工业”3 是一个极其复杂的系统工程，从上游资源勘探、开发、 中游输气管道建设，乃至下游城市建设天然气配气管网输送到最终用户， 各环节之间密不可分，一环紧扣一环，缺一不可，相互联系，相互制约。 它的发展是一个整体发展的过程，城市天然气高压配气管网的建设与发展 依赖于天然气的输送管网的建设与发展，只有输送管网的发展与逐步完善 才能有效的带动配气管网的发菔，并使萁得到更充分的利用。而我闺天然 气输送管两籀前仍缝子起步阶段，相应的，城市天然气高压粥气管网系统 谯处于越步与不断发展之中。 丽奁国乡 ，有些国家( 懿荚、羡等国) 天然气工渡的发麓已经相当完 善，它锻一般都已经形成了全罄性静输气阚络，城市燃气配气管两及设施 豹发展惑箱当完善，遣方繇气公司受费城市的配气“1 。有关资料显示，天 然气艇气资本密集，毙天然气遂输投瓷大。缝方酝气公司菲天然气成本院 天然气遂埝公司菲天然气戏本裹，说骤酝气公司荚有缀大的降低成本静可 能性，追切震要对鼓麴以深入熬了瓣魏磅究。然瑟入 | 、j 绫往较多豹将研究 黛中予天然气的生产过攫与羧送管网躲钱化上，黪别是天然气输送警阚翡 优化，聪对予城审醮气蟹网的优化关注懿则较少，还没骞黟成一个系统翡 理论。 参考国内外的文献，人们的研究针对天然气工业中黪各鳃成郏分熬馕 化提如了不少的数学模型，在天然气输配系统规划方甄比较鸯代表性的农 前苏联1 9 7 6 年c ，a 博布罗夫欺基等提出统一供气系统的发展最优化的几 个由简单到复杂，由线性到非线性的数学模型“3 ，丽随着中国天然气工业 的发展，近年来国内也在此方顽展开了许多研究，如1 9 8 8 年张麟东、李 恩山等提出的能流网络的规划模型“3 ，1 9 9 6 年雍歧东提出的天然气管网的 经济模型，2 0 0 1 年朱文建提出的燃气输配管网系统优化分级模型”1 ，2 0 0 1 年康正凌和袁宗明提出的树枝状天然气管网优化模型0 3 ，2 0 0 1 年孪波提出 的天然气管网系统运行方案优化的数学模型“。 博布罗夫斯基等提出了统一供气的数学模型，其中有统一供气系统的 线性数学模型及统一供气系统最优化的非线性和离散性数学模型，模型以 全国的采、输气网络为研究系统，以采气和输气费用最小为目标。模型有 韵于天然气工业整体的规划和发展，但模型侧藁于全国性的输气网络，而 菲莱区域酌配气系统。 张蔚东、李愚由等提出的能流耐络的规划模型是从城市能源配置的角 e 第一章绪论 度凄发柬考虑系统的优化。在此模型中，作畿裂蹋系绞分柝方法，提出了 避， 亍城市臻气系统箍源结褐、规模及能滚貔诬配譬的囊鬣努褥方法，文章 根据城市燃气系绞优化艇划的曩的积任务，撩一次能滁舔列翅原煤、原濑、 天然气，能源转换元件系列如佰德炉、羹油制气，二次能源序列如人工气、 重溜，赦终凌窝户黎熨瓣部分判为个整髂系绞磅塞，露将系统骚题壤壤、 经济以及其饿困豢作为系统豹环竣，这样构成的城泰燃气系绞的竣饯爆划 问题，即如何满足添统的各功能条件的情况下，其效益煅佳。其目标函数 为系缀的年成本赞耀蕞蕺，约窳毽菇套摹孛投术、安全、经济终衷。文鼙黥 特点铤予羹对系统鹋撬豫运繇渗及方瑟较为广泛，霹辩针对不羁窭瓣可完 成不同的功能要求。但模型与目前的实际燃气输配系统肖较大的出入，而 量宙予模鍪韵提趣缀擒象，强藏其瘫臻霈要辩模鹜加以敬造，造成其应薅 翡不矮。 獬歧东提出数学模型是在考虑如何在融建的管网基础上，结台今后管 溺发释的需求采鼙有效实现天然气管网的敬扩建的过程中，提出的管网经 济横懋，越模型镑对管瓣戆竣扩建提毒了瓣耱改造方案，铺甏管或糟上莲 缩税。 英校藿虚用避瓣如下图l l 所示。但此横凝也只是针对管网进行优化， 它不考感输醚系绕中的其他配气没旗，彀戴不髓这到整体静稳健。 罄卜1 凑定天然气餐霹竣逡方案蓬程鞫 6 第一章绪论 朱文建提出的燃气输配管网系统优化分级模型是采用分解技术把复 杂的多级制燃气输配管网系统整体优化问题分解成调压站优化问题( 确定 调压站数目和调压站选址) 和单一级制管网优化问题，然后，对这些规划问 题建立数学模型并分析求解。这种做法有利于将复杂的系统化成较为简单 的各分系统组成部分，对各部分进行较为有效的求解，以求得到各部分的 优化结果。但是此种处理方法将一个系统分割为几个分系统，忽略了各系 统之间的天然联系，由此造成约束的缺乏，必然会使得优化结果有所偏差。 袁宗明提出的树枝状天然气管网优化模型也是将整体分解为部分后 再进行优化的模型。模型采用分级优化的策略，将整个输气管网系统优化 设计问题分解为布局优化、参数优化、方案优选三个子问题。对每个子问 题建立了数学模型，求解后得到整个系统的最优设计方案以及投资费用分 析。 以上的两个模型都是先满足局部的优化目标，进而要求达到整体的优 化目标，然而都没有考虑不同的优化目标之间可能存在的冲突问题，缺乏 在系统整体方面的约束。 李波提出的优化数学模型是以天然气销售公司的最大经济效益为目 标，通过对天然气管网系统输配气过程中各种影响因素( 压气站、用户天 然气消费的波动性) 的分析，建立了有压气站的输配气管网运行方案优化 的数学模型，采用两极递阶优化方法求解模型。模型考虑的系统较为单一， 仅考虑了气源、压气站与用户用气的波动情况，模型的针对性强，求解较 为方便，但与实际输配系统有一定的差别，使模型的应用受到了一定的限 制。 另外，还可以看出，城市高压输配部分研究偏少，在参阅文献的过程 中发现，对于城市配气规划方面的研究较少，人们较多的将目光集中在天 然气生产、供气等方面。而城市中低压输配管网的发展也较为成熟，许多 优化问题就是基于此系统的。优化涉及范围较为广泛，主要集中在管网的 优化调度1 、单个设施运行的优化、管径的优化等问题。其中管网的优化 调度问题大致有三种方法“：一是最优凋度的三级算法，二是网络优化法， 三是数学规划法：这三种方法均能使系统在运行中的总能耗或费用达到最 小值。单个设施运行的优化种类很多，有高中压调压站的最佳配置“，气 体压缩机的选用”等。管径的优化问题“5 3 就是管径的技术经济计算问题。 早在8 0 年代，本课题组就开始在燃气输配方面进行了深入的研究， 从煤制气管网的电算、负荷预测、仿真模拟到优化调度，都取得了一定的 第一章绪论 研究成果。其中负荷预测综合考虑煤制气目负荷( 或时负荷) 不同的变化 因素，即时间周期变化因素、气温变化因素、节假日变化因素和可能发生 的特殊情况影响因素，采用时间序列法中的三角函数曲线分析法预测煤制 气日负荷( 或时负荷) ；同时为了对煤制气管网系统进行优化调度，建立 了管网系统在某一时刻下的宏观模型，通过求解模型预测由管网供气量变 化而形成的管网状态，从而实现对煤制气管网系统的模拟仿真；并根据预 测要求的供气负荷，按预定的优化目标及管网中各监测点状态变量的实时 变化情况，通过优化计算，确定各气源厂、罐站各压缩机的工作状态，从 而使管网压力分布均匀、经济效益最佳。 综合以上了解与分析，对城市拟建燃气输配系统、特别是中高压系统 作一全面而系统的研究就显得十分必要了 1 4 研究的方法 现在来考虑城市燃气输配管网系统，它的功能，可以用一句话来概括： 就是将燃气( 人工燃气或天然气) 以一定的压力和流量通过复杂的管网系 统输送到需要燃气的各种用户( 包括民用、工业用气甚至发电用气) ，它 的规模和组成在各个城市也许有所不同，实际上根据所采用的管网压力级 制不同大致分为以下四种： 1 一级系统：仅用低压管网来分配和供给燃气，一般只适用于小城镇 的供气系统；p 0 0 0 5 ( 单位：兆帕，以下同) 2 二级系统：有低压和中压或低压和次高压两级管网组成； 0 0 0 5 p 蔓o 1 5 3 三级系统：包括低压、中压( 或次高压) 和高压的三级管网： 0 1 5 p o _ 3 4 多级系统：由低压、中压、次高压和高压，甚至更高压力的管网组 成。0 3 p 0 8 基于前一节的叙述，目前许多大中城市面临城市燃气与天然气的接 轨，本文选择三级管网系统进行规划的优化作为本文讨论和研究的重点。 它是由低压、中压和高压管网组成，气源是来自长距离输送管线的天然气 ( 也可以是煤气厂制造的人工燃气) ，用高压贮气罐储气。 需要说明的是，为了满足现实的需要，本文将研究的系统界定在天然 气高压管道系统，同时考虑在目前的城市中，煤制气的替换不是朝夕就能 完成的事情，因此有必要将煤制气中压管网也作为研究系统的一部分，考 r 第一章绪论 区五匾 因团固 厂_ 厂 罔罔圈h 同国引园同刚同 9 第二章系统组成与费用模型 2 1 系统的组成 第二章系统组成与费用模型 首先需要了解城市燃气输配管网系统整体的结构及其组成各部分的 功能，燃气如何从气源到达实际用户，力图获得一个较为真实而普遍适用 的输配系统。并在此基础上抽象出一个燃气在系统中输送的流程图。 如第一章所述本文研究的是三级管网系统，研究的重点是燃气中高压 系统，具体来讲就是天然气高压系统与城市煤气中压系统的组合“，这一 特定的系统是由气源、储配站、高中压调压站以及高压、中低压管网组成。 其中气源为两类，其一是来自长距离输送的不同产地、不同价格的天然气， 其二是本地煤气厂生产制造的人工煤气。按常规分为不同的天然气和煤气 两个系统：对于天然气系统，其中的储配站负责接受来自长输管线的天然 气，并进行调压、计量、加臭后分输到城市高压管道，然后通过高中压调 压站进入到市区的中压管网，同时站内还建有高压储罐对市区进行日调 峰；而对于煤气系统，煤气厂炼焦得到煤气，通过压缩机加压到需要的压 力，然后进入其供应的中压管网系统，煤气厂内也配有储罐可用于日调峰。 以下结合图形对系统的各组成部分逐一介绍。 2 1 1 储配站 储配站接受来自长输管线输送的天然气，经计量、调压及加臭后以不 同的压力向市区高压管道和中压管网供气，但需要注意的是天然气从储配 站直接送到中压管网的情况很少发生，往往只是在从长输管线来的天然气 的压力很低时( 比如事故) 才可能对其进行加压或不加压直接送入中压管 网，此时往往无法满足用户的用气需求，因此进入中压管网只是工艺上可 以实现，在实际运行中很少发生的情况。由于本研究的课题是对于燃气系 统的规划，必须满足各种情况乃至最不利情况下的用气量，因此不考虑储 配站赢接进入中压管网的情况，只考虑经过储配站计量的天然气进入高压 管道。 另外，同一储配站可以接受不同的气源输送的天然气，在站内铺设 至少与气源数目同等数量的进、出站天然气工艺管道，各条工艺管道根据 第二搿累统组成与费用模溅 调度霰婺蓑可接收来气，也可离辨供气。在系统中裁体现为袋些储蕊站霹 戳臻浚箕它翡麓鬣站鬈冬鑫熬天然气，同时魄可以囊英德豹鼹鬻蘑供应天熬 气。德本文研究瓣最短翔麓系统的情况，需要满足焉气鬣簸大辩的情况， 此时铸储配站都猩向外供气，因此储配站按隧獒他的能配站的供气情况不 予考虑。 麓辩懿瘫逶建存鬻篷镑瓣，鼹罐在鏊凑主黉是搀为嚣溺峰竣麓，瓣为 一年随每月、每融、褥时的用气爨都有可能有较大的黛化，而供气露黎本 上怒均簿的，因她必须通过季节溯峰和目调峰驰手段来察决。季节调峰可 以遗过天然气蟪下德气蓐靛戆设，筑者天然气调蜂电厂在不鞫豹攀节王搀 酌 l 重阕不黼，设餐熬开寤度不阍，鬻艇上上游天然气嬲僳艨波动或卷建立 地下储气库等措施来达到满足高峰月的用气需习乏，从而超到季节调峰的作 囊。零蘩绫中熬镰蘧袋靛委予露溺獐，程瘸气爨峰嚣雩，多余戆天然气褥逡 a 鼹罐镰存起拳，震气离蜂瓣糖罐瞧参与袋气。零文鸯惑懿楚鼹气薅酶露 的情况。 2 。 。2 蔫透管道 铁储黼站输融的高压天然气谶入环状黼愿管线中，离雁管线髯将麓输 送笙斑中聪调压站，戏者将冀输入剿另个储鼯站，巍压餐线的设计压力 疆疆备德瓣蘩鹣懑天1 3 翡垂力麓鼗塞篷寒确定。中垂謦瓣瞧黉要横掇霹谨 静穷浚慕滚定其譬瓣豹设幸 逡力。 2 i 。3 赢中压调压蛙 我销愆遂，瓷、巾蓬警黧懿蘸力缀裂不弱，嵩基蛰瀵鹣天然气不麓蕊 接送入低级压力的燃气管道，必须通过简中联调压站将商联天然气调愿 后方鼹犍冀送入露醒中鹾燃气簿遴。 2 。 。4 煤笺厂 煤气厂作为爨一犟孛燃气一煤铡气的提供卷，其生产的搽气通过愿缩枧 热嚣爱遴灭孛基餐鼹，毅在厂蠹魄建寄撩罐麓子羁灏酶。 2 1 煤气中压管网 煤气孛篷譬阏接受漂气厂蕊爨气，熬菇潺遥嚣壤键殛旗赣送漾气至器 建户，箕篱瓣静毯力跫定懿，黠漾气孛篷耱邋瓣吝耱参数的要求瓷怒 “ 第二章系统组成与费用模型 定的，与天然气中压管网也有所不同，在实际中两者也是不相通的。 下图2 1 也是一个天然气与煤气共存的城市燃气输配系统。 一* r 储配站 一高中压诃压站 图2 1 城市燃气输配系统示意图 说明： 1 燃气三级管网系统包括高、中低压管网系统，本文研究的是其中的 高、中压管网，因此在图中将区域调压站及低压管网略去。 2 上图中的中压管网只是示意图，事实上煤气中压管网与天然气中压 管网并非是相通的，天然气与煤气不能在同一管道中随意替换流动，但随 着城市燃气事业的发展，实现城市燃气化，改变能源结构，采用清洁能源， 从而达到改善居民生活条件减轻环境污染，提高能源利用率，将来有可能 由天然气逐步替代煤制气。 下图即为燃气输配系统流程图2 2 ，需要说明的是，图中的天然气中 压管网并不在本次研究之列，显示出它只是为了表明和煤气中压管网的相 对位置关系，但在规划中可能出现的部分天然气中压管网由煤气中压管网 转换而成。 塑三童墨丝塑堂皇望旦竖生一 2 2 费用模型 由原煤气管网转化得到 图2 2 城市中高压燃气输配系统流程图 经过第一节对燃气输配系统整体的讨论，本节中将在此基础上讨论系 统各组成部分投资费用的计算，并得到影响其投资费用的主要因素及与投 资费用的关系，最终建立整个系统的费用模型。 燃气输配工程的费用模型是其技术经济分析和优化设计的基础。所谓 费用模型，就是通过数学关系式或图象方式来描述工程费用。它是工程投 资、运行费用与工程规模及影响费用各因素之间的关系式。通过费用模型 容易看出费用的变化规律及其经济形态，也为系统的优化设计和技术经济 分析及计算机程序的编制提供了必要条件。 建立费用模型需要收集数据，对于所收集的大量实施的工程建设费用 资料，结合各地区条件、工程环境、施工方法、物价的差异，加以修正处 理，以使工程费用统一到同一基点上。考虑各项因素对费用的影响，经过 回归分析可以得到费用模型。也可以采用参数分析计算法，即对于系统各 l3 笙三兰墨堑型盛皇垫旦堡型 组成部分，分析并找出对费用起支配作用的参数，然后确定其建设费用。 本文收集了当地燃气输配系统各组成部分不同规模下的投资费用数 据，并根据城市煤气规划参考资料，结合煤气管道技术经济指标，调压室 的经济指标，各种规模高压球罐储配站技术经济指标，整理得到了下面的 费用资料，同时经过分析，确定出影响各部分费用的主要因素，以此确定 函数的变量，然后在其基础上来拟合费用函数。 2 2 1 费用的组成 燃气输配系统投资费用的组成，如一k 节所述，即为储配站、天然气高 压管线、高中压调压站、煤气中压管网及煤气厂的投资费用之和。逐项讨 论如下： 2 2 1 1 储配站的建设费用 台理确定储配站的数目，各储配站的罐容分配，以及站址选择是城市 煤气规划中的主要问题。首先根据气化区域的规模，自然地形、各小区性 质、道路建设安排等条件，划分出了各期工程高峰负荷时各站的供气范围， 确定各期的建站数目。然后按照各站的供气范围，确定供气量及储罐容积， 借以估算各站的占地面积。可以看出，组成储配站的建设费用的各主要部 分，无论是占地、罐体、加压机房都与其供气量有关，因此需要确定的是 储配站的建设费用与其供气量的对应关系。本文收集了华北某设计院针对 不同用气量设计的储配站的建设费用资料，整理后如下表： 表2 1 高日高时送气量 4 5 85 7 26 8 69 1 51 0 3 0 ( 万米3 ，时) 建设费用( 万元) 9 6 0 01 2 0 0 0 1 5 0 0 02 0 0 0 02 5 0 0 0 2 2 1 2 天然气高压管道的投资费用 天然气高压管道的投资费用取决于管道本身的造价和建设费用。管道 的建设费用取决于管道敷设深度、土壤和路面性质、管道连接方法、施工 机械化程度等。对城市燃气管道来说，管壁厚度通常比根据强度条件所要 求的厚度要大，土方工程的费用和管径的关系与管道造价和管径的关系比 较起来是很小的，而敷设深度实际上几乎与管径无关。因此可以把燃气管 道的投资费用分为两部分，与管径无关的和与管径有关的两类。由于工程 1 4 一 塑三兰整焦堡堕兰室望鲞篓一 造价函数的最小值与常数值( 即与管径无关部分的费用) 无关，而且在很 大的程度上，单位长度躲管道总投瓷取决于管经。基于以上粒认识，本文 收集了不黼输气管径镑耪的每公爨建设的 鑫冀指标，经圄艴处理得到餐线 建设工程费用公式。又由于在大多数情况下，设计城市燃气管道时燃气流 动的不稳定性可不予考虑( 超高压除外) ，并在计算管径时以一定时间内 ( 懿一夺瓣或一天) 接不交熬漆鬃考虑，霾魏缝合臻气在黪潼滚囊时，蠢 压燃气臀道的水力计簿基本公式“黜 把2 一碍卜d 25 ! ：芷 1 6 2 2 p 日p o t z l 箕申； 只、只管道始末端的燃气绝对压力( p a ) ； 矗一标准大气压，晶= 1 0 1 3 1 0 3 p a ； 一管段长度( m ) ； 酝一燃气流量( n 岔s ) ： d 一管道内径( m ) ； 风一燃气的密度( k g n m 3 ) ； 冀一摩擦黻力系数； 咒一标况下的温度( k ) ； r 一温度( k ) ； z 。一据嚣下数物质酌爨( m 0 1 ) ； z 一物质的量( t 0 0 1 ) 。 由以上公式，根据实际情况选取各参数，得到管径与流墩的对应关系， 再将管径与费用的关系换算为单位长度的管道建设费用与瓣道豹流量的 霹应关系。鲡下表2 2 掰示。 袭2 - 2 l 流量( 万米3 对) 0 4 41 2 12 4 94 3 56 ，8 6 l 造价( 万元千米) 3 5 5 25 4 7 l7 3 5 49 1 6 9i l8 _ 8 6 i z 一磊r 一瓦 臻风 讲万 丑 i l 野裂 一 褥等佬交缀 第二章鬣统组成与费用横魁 2 2 1 3 离中压调压站 裹中压溺压站熬建设费嗣懿烹簧部分为调基室豹建设费用，淫压室肉 放置调压器用以将天然气降压，丽调压器的选敢是根据箕通过能力来决定 的。因此其通过的供气量一旦确您，也就确定了其大致的建设费用。 本文从收集选取了针对不同供气量的高中糕调压站的建设费用资料， 整理鲡下袭2 - 3 。 表2 3 k 日离时用气量 l ( 万米s ，辩) 4 2 35 ， 77 。5 38 + 9 41 7 。4 0 b 设费用( 万元) 1 9 22 0 52 2 82 4 02 8 7 2 2 。 ，4 渫气审压警潮疑辩两翡懿气设备 本文所研究的系统内，包括了天然气高愿系统与煤制气中压管网系 统，正是如于这样的考虑：在规划中，随着天然气豹普及，煤制气的使用 澎澎萎缭，天然气将逐步替代漾稍气，那么气滚转换蘸惹，气震发皇了缀 本的变化，会使得某魏方面相应发生改变。如在输配管网、调压站及用户 的用气设备工作状况。但是，经髓分析可知，熬个中压系统并不需要大的 改造。以下将分裁热以游论。 ( 1 ) 输醚管网” 现肖的许多城市其中低压管网发展的较为齐备，中低压管道都是焊接 钢管，可以满足天然气在管材和结构上的要求。 露量幽予天然气豹熬璧寒予渫气，嚣戳在转换嚣竣表憨糍热量不变瓣 前提下，转换后管道输送流量必将减少，而管道压降大体上与流量平方成 正比，所以转换为天然气后，管道的压降将会明显减少，管网的运行压力 工况也会缮到改善。强耩雩天然气鹣气矮较潆毒l 气子净，转换嚣管道、设冬 的腐蚀、堵塞、积水等现象也将褥到改善。 因此在转换后，镑网的运行将更好，而且不需要有大的改造，当然， 必要的检修措施还是鬟要的，但其消耗费用耀对与管网建竣费用是极小 静，哥戬不诗。 ( 2 ) 中低压调压站 转换后，调压站的的出口压力相比煤制气时溪有所增加，据此需要更 换部分调缀设备，毽游艇兹费建也槎对较少。 6 第二章系统组成与费甩攥懿 ( 3 ) 用户 户肉管道接丑只簧密封填料没阍题，比热必蘩四氟乙烯胶带，可以满 足天然气的转换。像压力的升高需要对管道、表、阕、燃矮认奏静裣瓷。 而对于户内用气设备，由于天然气与煤制气没有互换性，必须全面更新和 改造。遗根据各城市具体情况，选择全面更新用户燃具或糟不更新用户燃 具，瑟哭燹薪及谖整葵零罄俘等手羧寒这羹露豹。 需鬻说明的是，用户是属于低压管网系统的。它虽然不属于中压管网 系统，假它的变化也是天然气替代煤制气后产生的，所以一并加以讨涂。 综上掰述，中压输嚣系统在转换翦后所糕费豹费矮袒慰与管网的投资 来讲很小，也就是说，即使原煤气管阙在掇翔中部分或全都的转换为天然 气，其管网的改变极小，几乎没礴改动，因此这里再讨论戴投资费用函数 已没有必要。 2 2 5 煤气厂“站 在本研究中，将天然气的年缀营费用分为两大部分，部分为管输费 用，由天然气配气公司( 即各城市燃气公司) 支付给管输企业( 如中国石 漓往工爨溺) ，勇一帮分为琵气餐瓣戆年运行戚零；穗应翡毽将煤气系统 的年经萤费用分为两部分：煤气嫩产成本和输酉己成本。煤气输配成本与煤 气管网有关，在上文中已经谈到过，而煤气生产成本又称为生产费用，姥 金韭在一定黠期建( 年) 进毒亍生产经营活动鹱发生豹费趱，主要包揍以 下内容：( 1 ) 原材料费；( 2 ) 外购燃料和动力；( 3 ) t 资和工资附加费； ( 4 ) 固定资产折旧费、大修费；( 5 ) 车间管理费用，如办公费、差旅赞、 税息支出( 包括房产税、土地使用税、车船使用费) 、行政开支等。可以 看鑫，誉莰仗计冀煤气厂静投资费鬻，再