石油天然气探测

输气管网运行能源优化,1,目录,2,输气管网运行能源优化,一、研究背景,3,21世纪是天然气的时代,我国天然气消费量快速增长,管道是天然气开发与利用的纽带,能耗是天然气管道运营的主要成本,2015年我国天然气管网布局图,保证天然气管道经济、合理、安全地运行。优化结果对天然气经营部门制定集、输、配气方案具有指导性的意义。稳态优化模型是天然气管网系统动态研究的参考依据。模型和方案对研究天然气管输系统的自动调节和控制具有指导性意义。,二、研究目的及意义,4,能效分析与评价的研究方法与理论经历了从工程师个人经验到神经网络及基因算法等为代表的数理分析。能耗分析与评价的仿真软件计算机仿真技术与能效分析软件相配合，逐步实现管道运行能效分析与评价的系统化与自动化，诞生了不少与能耗相关的商业软件。,三、国内外研究现状,5,国内外主要天然气仿真软件一览表,研究的主要内容输气管网运行能耗分析输气管网运行能源优化模型模型的最优化方法求解输气管网运行能源优化实例,四、论文研究的主要内容,6,研究的技术路线,本文研究的技术路线图,7,四、论文研究的主要内容,能耗的分类,能耗的影响因素,能耗计算方法,8,输气管网运行能耗分析,9,能耗的分类,天然气长输管道能耗流向示意图,10,能耗的分类,11,能耗的影响因素,拓扑结构,输送工艺,管网参数,压缩机站布局,压缩机,气源,用户,传统指标评价方法周转量直接能耗单位周转量生产能耗电单耗（输气周转量电耗）气单耗（输气周转量气耗）耗气输量比耗电输量比耗能输量比,利用仿真软件计算管网能耗的流程图,12,能耗的计算方法,模型的基本假设,输气管网运行能源优化模型,运行能耗优化约束条件,运行能耗优化数学模型,13,运行能耗优化目标函数,假定管网运行的能耗仅受直接生产能耗影响地形起伏地区的输气管网，根据管网敷设的倾角将管道划分成段，仅考虑管段起、终点间的高程差对输气量的影响水力摩阻系数在管道长度方向上不变气体在管内的流动视为等温流动气体在管内的流动视为稳定流动,14,模型的基本假设,根据管网系统运行能耗的分类，管网运行能耗可表示为：式中：f1直接生产能耗，f2辅助生产能耗，f3场站生活能耗，f4天然气损耗。输气管网运行能耗最优化问题的目标函数可表示为：式中：压缩机为天然气所提供的压力能，管网运行过程中机组损耗。输气管网运行能源最优化问题的目标函数可简化为：式中：NS压缩机实际所需功率（轴功率）。,15,目标函数,进（分）气量的约束进（分）气压力的约束压缩机站处理能力的约束管道强度的约束管道压力降方程压缩机功率方程离心式压缩机的组合方式管网节点流量平衡的约束,16,约束条件,进（分）气量的约束式中：Qi第i节点进（分）气量，m3/d；Qimin第i节点允许的最小进（分）气量，m3/d；Qimax第i节点允许的最大进（分）气量，m3/d。进（分）气压力的约束式中：Pi第i节点压力，Pa；Pimin第i节点允许的最小压力，Pa；Pimax第i节点允许的最大压力，Pa。压缩机站处理能力的约束式中：Nj第j个压缩机站的功率；Njmin第j个压缩机站允许最小功率，W；Njmax第j个压缩机站允许最大功率，W。,17,约束条件,管道强度的约束式中：Pk管道运行压力，Pa；Pkmax管道最大运行操作压力，Pa。管道压力降方程式中：Q通过管道的天然气质量流量，m3/s；C常数，0.0384；分子项(1+aS)输气管道终点与起点的高差对流量；分母项输气管道沿线地形对流量的影响。管网节点流量平衡的约束式中：Ci与第个节点相连的元件集合；aik系数，当k元件中流量流入i节点时为+1，当k元件流量流出i节点时为-1；Mik元件k流入（出）i节点流量的绝对值；Qi节点与外界交换的流量（流入为正，流出为负）。,18,约束条件,压缩机功率方程气体经过离心式压缩机增压理论功率：实际所需功率：气体经过往复式压缩机增压理论功率：实际所需功率：式中：NA离心式压缩机机械损失所耗的功率；、压缩机机械效率、传动损失。离心式压缩机的组合方式串联时的特性：；并联时的特性：。,19,约束条件,输气管网运行能源优化的数学模型：,20,管网运行优化数学模型,优化问题可写成如下的标准形式：,M为等式约束条件数，L为不等式约束条件数。,为目标函数一般形式，,等式约束条件，,为不等式约束条件，,21,管网运行优化数学模型,模型的最优化方法求解,22,优化问题的标准形式：该模型属于非线性规划问题既有等式约束，又有不等式约束，既有线性约束，也有非线性约束采用线性逼近法来对数学模型进行求解,23,优化方法选择,24,优化过程,(1)选取对运行能耗影响最大的因素作为优化模型的最优变量，根据稳态法计算出一组初始基本可行解。,(2)以管网运行能耗最低为目标，调用单纯形法并利用计算机编程，对初始值进行迭代求解，直至求解出最经济流量、压缩机最优进出站压力的基本可行解。,(3)结合限制条件，在保证运行参数能够满足实际生产需要的基本前提下，继续优化步骤(2)中求解出来的运行参数。,(4)调用仿真软件PNS对程序计算结果进行校验，确定管网运行的最佳参数组合，计算出管网运行能耗。,25,优化程序设计,天然气物性计算；管道沿途压降、起终点压力的计算；压缩机进（出）口压力、出站温度、压缩机压比的计算；压缩机功率计算；管网最优运行方案确定。,所有的项目文件均以XML数据文件的形式自动存储；中英文界面切换；可以通过点击按钮或者划屏两种方式，及时响应用户的需求和操作指令，以便作出迅速反应；以表格和图形两种形式来反馈最终结果。,26,优化程序设计,管网运行能源优化实例,27,榆济管线（陕西管理处管段）走向图,国内某天然气长输管网陕西管理处管段全长209.5km，管径D71114.2，设计压力10.0MPa，全段截断阀室10座，配备有压缩机组的首站1座，分输站1座。,榆济管线（陕西管理处管段）沿途高程示意图,28,管网概况,首站压缩机组的基本参数表,榆济管线（陕西管理处管段）管道参数表,29,管网概况,管网输送天然气的气质组份表,管网气源参数表,陕西管理处管段用户参数表,30,气源概况,该管网已投入运营三年多，天然气的密度为0.7392kg/m，相对密度为0.6139。,调研陕西管理处管段的耗能现状，选取管网较典型的12组运行工况的数据。数据选自2012年-2013年的实际运行生产报表。进（出）站压力、进（出）站温度所指的场站均指管网的首站。,榆济管线（陕西管理处管段）实时运行数据表,31,运行能耗计算,计算程序数据输入界面,计算程序结果输出界面,32,运行能耗计算,榆济管线（陕西境内管段）仿真模型,33,运行能耗计算,将管网较典型的12组运行工况的数据代入自行编制的计算程序，利用PNS管网仿真软件模拟管道的典型工况，核算运行能耗。,程序与仿真软件计算管网运行能耗的结果对比表,程序计算结果与PNS计算结果相对误差示意图,34,运行能耗计算,程序计算结果与PNS计算结果相关性散点图,最优化方案计算程序输出结果,管网沿线压力、流量分布图,35,最优化运行方案确定,气源参数的优化结果表,用户参数的优化结果表,36,最优化运行方案确定,通过分析得出输气管网运行的能耗受压缩机的运行方式、压缩比、管网输气能力、资源、用户用气需求多种因素影响。,五、结论与不足,1,2,提出了输气管网运行能源优化方案的数学模型，利用计算机对模型进行求解。,37,编制了“输气管网运行能源优化”计算程序，并以榆济管线为例，提出优化方案，对该管网系统的运行调度及节能降耗具有指导意义.,利用管网仿真软件PNS对研究的输气管网进行建模计算，验证了计算程序的精确性与合理性。,4,3,仅考虑了直接生产能耗对管