城市天然气管道的参数优化设计.pdf

第 4 1卷第9期 2 O 1 2 年 9月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e mi c a l I n d u s t r y V o 1 ． 41， N o ． 9 S e p t e m b e r ， 2 0 1 2 城市天然气管道的参数优化设计 刘 杰，陈保东，王秋莎，代堪亮，李征博，官学源， 莫海元 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 I 1 3 0 0 1 摘 要 通过管段的管径、壁厚、节点流量、强度 、稳定性等约束条件，优化设计了城市天然气管网。同 时根据技术经济学原理，引入了复利系数等作为管道的经济指标 ，建立了管网的数学模型，并且进行了参数优 化。利用二次插值法和罚函数相结合 ，可将相关约束条件与目标函数构造为无约束函数求解 ，证明该设计方法 具有可行性， 对城市天然气管道的优化设计具有一定的实践指导意义。 关键词城市天然气管道 ；管网；优化设计；计算方法 中图分类号T E 6 2 4 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 2 0 9 0 9 0 0 0 2 Pa r a m e t e r Opt i mi z a t i o n De s i g n o f Ur ba n Na t ur a l Ga s Pi pe l i ne s L I UJ i e ， C HE NB a o 一 馏， W A NG Qi u s h a ， DA I K a n l i a n g , L 1 Z h e n g - b o ， GU A NX u e - y u a n ， MO Ha i - y u a n Li a o n i n g S h i h u aUn i v e r s i t y , L i a o n i n gF u s h u n 1 1 3 0 01 ， Ch i n a Ab s t r a c t Th r o u g h a n a l y s i s o f p i p e d i a me t e r , wa l l t h i c k n e s s ，n o d e flo w,s tr e n g t h ，s t a b i l i t y a n d o t h e r c o n s t r a i n t s ， o p t i mi z a t i o n d e s i g n o f c i ty g a s p i p e l i n e n e t wo r k wa s c a r r i e d o u t ． Ac c o r d i n g t o t h e p r i n c i p l e o f t e c h n i c a l e c o n o mi c s ， t h r o u g h i n o d u c i n g a c o mp o u n d i n g f a c t o r a s e c o n o mi c i n d i c a t o r o f t h e p i p e l i n e ，ma t h e m a t i c a l m o d e l o f t h e p i p e n e t wo r k wa s e s t a b l i s h e d a n d p a r a me t e r o p t i mi z a t i o n wa s c a i e d o u t ． By q u a d r a t i c i n t e r p o l a t i o n me t h o d a n d p e n a l t y fi mc t i o n ， r e l a t e d c o n s t r a i n t s a n d o b j e c t i v e f u n c t i o n c o n s t r u c t e d u n c o n s t r a i n e d f u n c t i o n t o s o l v e ． I t ’ s p r o v e d t h a t t h e d e s i g n i s f e a s i b l e ， a n d h a s p r a c t i c a l g u i d i n g s i gn i fi c a n c e f o r t h e o p t i mu m d e s i g n o f u r b a n g a s p i p e l i n e s ． Ke y wo r d s Ci ty n a t u r a l g a s p i p e l i n e ；P i p e l i n e n e tw o r k；Op t i ma l d e s i gn ；Ca l c u l a t i o n me t h o d 天然气作为一种新型燃料 ，具有洁净 、高效 、 优质 、无污染的特点 ，迅速成长为是世界三大支柱 能源之一。我国的各个城市天然气的使用 已经快速 的发展起来 。城市天然气管网参数优化设计是以确 定 的管网结构为基础 ，以合适的管径 、壁厚 ，在满 足管网节点流量和压力的为前提 ，优化管网的投资 和运行费用 ，使其最小。管网的参数优化用数学方 法实现，就是依照参数变量，建立相应的目 标函数 ，给 出相应的约束条件 ，并且选取最优化方法 进行求解，求得所需结果， 达到预期的优化 目 标。 1 优化模型的建立 城市天然气 管网的投资可以简化为管道 的投 资 ，可以分为投资费用和运行费用。其 中投资费用 有 1 管道本身的造价和建设费用 ； 2 1 调压室 、天 然气储配站、压送站的造价。经营费用包括管网 折 旧费 ；管 网维修和维护管理费用 。本文采用 了 “ 复利系数” 将一次性的投资费用转换为 了折算 费用 ，这就消除了投资费用与经营费用在时间上的 差异，将年折合费用作为管网的经济评价指标，可 以得到以下表达式 Z A x D D 1 式 中 D 一 管 网 投 资 费 用 ， 万 元； D 一管网年经营费用，万元； 一 资 金 的 恢 复 系 数 ， 寺 予 兰 。 式中f c _ 一折现率； “ 一管线的使用年限，a 。 1 ． 1 管网的投资 管网的投资包括管道造价 、管道运输 、管道敷 设、管道防腐等费用。用公式表示 x I D ∑k tG il i ∑ G f ∑k 3 D ／ , ∑k 4 D ,l 2 l f 1 f 1 i 1 式中k 。 一管材价格，元／ t ； G 厂 管段 i 的单位质量 ，t ／ k m； ， 厂 管段 i 的长度 ，k m； ” 一管段总数 ； 一 管道的运费，元／ t k m ； 岛一管道的敷设费用，元， m m k m Df _ 一 管段 i 的内径，m m； 一 管道的防腐费用 ，元， m m k m 。 收稿 日期 2 0 1 2 - 0 3 1 9 作者简介 刘杰 9 8 6 一 男，内蒙古 自治区赤峰人，辽宁石油化工大学油气储运工程在读硕士研究生，研究方向城市天然气管道输送技术。 E - m a i ] l i u j i e 1 5 0 4 2 8 l 2 6 ．c o m 第 4 1卷第9期 刘 杰， 等 城市天然气管道的参数优化设计 9 0 1 管道 内径 D和管重 G之问的函数关系 D t 0 ． 0 2 4 5 4 D i 3 式中G 一管段 i 的质量，t／ k in； 一 管段 i 的壁厚，ra m； p一管材密度，t ／ m ，P 7 ． 8 l／ m 。 现在可对 2 式进行整理 ，得 X l D ∑ b 2 G f 4 i 1 式中 6 广管段i 单位 管长 与管 道内 径的 相关投 资费 用， 6 l ； 6 。 厂 管段 f 单位管长与管道重量的相关投资费用 ，6 2 k l 。 1 ． 2 管网的经营费用 用 X f D1 表示管网的年经营费用 2 Q广 _ _ 管段 i 计算流量， Nm 3 ／ h D， 一 管段 i 内径，m m； p 一天然气密度 ，k g ／ m ； z -_燃气温度，K； 一 标况下的绝对温度 ，K； Z 。_压缩因子，燃气压力小于 1 , 2 M P a时取 1 五 一管道 i 的沿程摩阻系数。 2 ． 4 节点流量的约束条件 流入管网节点的流量必须等于流出流量 ，即 Q ，一 Zq i 2 ，3 ， ⋯， 1 0 ，l 式中Qf 一管段 i 流量 ， Nm ／ h ； Q 一管段 f l 流量 ， N I ll ， h ； q i w j 一节点 i 分支流量 ， N m 3 ／ h ； ，～节点 ， 的分支数量。 D - D 5 2 ．5 式 中 1 一管网年经营费系数。 综合 D 和 D 可得城市天然气管 网优化 的 目标函数 Z A x l D x 2 D A G 。 ∑ 6 I D i b 2 G ／i 6 f I 2 约束条件 考虑城市天然气管 网的地形起伏高差一般低于 2 0 0 1T I ，因此克服高差的消耗压降所 占比重非常小 ， 可假设为输气管水平 。 2 ． 1 管道强度约束条件 管道 的设计压力要求必须不能大于管道允许的 最大操作压力 ，即 2 A o h k , 4 卢1 ， 2 ， ⋯胛 7 一 D 式中P i 一管段 i 允许的最大操作压力 ，k P a ； 一 管材屈服极限，k P a ； 一 焊接系数 ； h一设计系数； 一 管道温度减弱系数。 约束条件处理 每一管段都可用 9 式表达 ，所有管段叠加 ， 其中 ⋯l I 2 7 1 0 加 ，将 毓量约束 1 0和 1 1 代人 9可得 p 一 p [ g 薹 砉 善 g ] 寺 ] c 2 3 参数优化模型 对上述的 目标函数及约束条件处理后 ，将壁厚 和管径作为变量 ，并把壁厚用管径表示 ，简化掉管 道强度约束 ，可得数学模型 ” m i n Z D ∑ 6 l D 6 2 D 1 3 i 1 2 ． 2 管道稳定性约束条件 管道的稳定性要求满足管道设计规范 ，避免横 S t 截面失形 ，即 ≤c f 1 ， 2 ， ⋯ 8 式 中 G一管 段 i 管 径 与壁厚 之 比的上 限值 。 2 ． 3 管段气体流动性约束条件 管道气体流动要求必须满足气体流动的基本方 程 ，即 2 2l 1．2 7 x 10 A 筹 辛 9 式 中P 厂 _ _ 管道 i 初始端绝对压力，k P a ； P 一管道 i 末尾端绝对压力．k P a ； 4 求解数学模型 城市天然气管网参数模型优化属于非线性规划 问题，利用组合罚函数 ，可对其进行求解。目标 函数可表示为 F _ G 赤善 [ ]‘ 15 f下转 第 9 1 2页 ∑ 一 得 可 理 处 经 一 ％ ∑ ∑ ∑ 一 g ， 一 一 一 一 9 1 2 当 代 产品得到用户认可 ，满足使用要求 ，确定产品 配方 。产品分析结果见表 3 。 表 3 微 晶地板 防水蜡 中试样品分析结果 T a b l e 3 An a l y t i c r e s u l t o f p o i l t - p l a n t s a m p l e o f m i c r o c r y s t a l 化 工 2 0 1 2 年 9月 flo or boa r d wa t e r pr o of wa x 4 微 晶地板防水蜡放大生产 4 ． 1 放大生产 根据小试及中试试验情况 ，进行了放大生产并 进行市场销售 。 4 ． 2 产品质量检测 对放大生产后产品进行质量检测 ，分析结果详 见表 4 。 5 产品效益测算 经效益测算 ，原料加工成微晶地板防水蜡后产 生效益要 比原料进催化裂化装置高 6 0 8元／ t ，有利 于原料的最优利用 ，产生更大的经济效益 表 5 。 6 结 论 微晶软脂地板防水蜡的原料配比合理， 生产工艺 简便易行 ， 易于工业化生产。样品进行使用试验 ，中 试样品得到用户认可后， 生产 1 5 1 t 该产品投放市场， 用户反应产品渗透 I生 好 ， 防水 I生 能优秀， 使用产品后 的复合地板防水 『生 有了很大提高 ，且质量稳定。 综上所述 ，微晶地板防水蜡产品市场前景好 ， 经济效益可观 ，原料来源充足 ，生产工艺环保 ，完 全可 以推广应用 。 表 4 放大生产微晶地板防水蜡产 品性质分析 Ta bl e 4 Pr o pe r t y ana l ys i s o f m i c r oc r ys t a l floo r boa r d wa t e r p r O O f wa x pr o d u c t a Re r t h e a mp l i fic a t i o n o f pr o duc t i o n 表 5 产 品效 益测算 Ta bl e 5 Pr o duc t be ne fit s 元 ／ t 参考文献 [ 1 ] 林世雄．石油炼制工程[ M】 ． 石油工业出版社，2 0 0 0 ． f 2] 黄俊燕， 杜兰英， 常聪芳． 系列地板防水蜡的研制与开发 2 0 0 7年中 国石油炼制技术大会论文汇编[ c 】 ． 2 0 0 7 ． 上接 第 9 0 1页 式中 F ， ， 是 惩罚函 数； G 是问 题函 数； ‘ ’ 是惩罚因子；g 时不等式约束； 是等式 约束 。取序列 厂 为递减 ， 并且使 ， ． 收敛 ，得 i m F ， r ． G x 1 6 、 ， 对于惩罚 因子序列的每个 r的值 ，都会相应得 到 一个 新 的惩 罚 函数 ，就可 求得 其 近似 最优 解 f 1 。当 足够大时，F的最优解就会是所求 原问题的最优解。 5 结 论 在管网布局已知情况下，由于水力变化，会引 起相应的管道参数变化 ，从而导致管网投资变化。 本文 中利用了二次插值法 、罚函数相结合的优化计 算方法 ，程序的收敛性和稳定性较好 ，并且收敛速 度 。经验证是一种较好的优化方法 ，对于工程实践 有一定的借鉴指导意义。 参考文献 [ 1 ] 姚光镇．输气管道设计与管理【 M ] ． 北京 石油大学出版社， 1 9 9 1 ． [ 2] 严铭卿 ， 焦文玲 ， 展长虹，等． 我 国城市燃气的发展模式『 J ] ． 油气储 运 ，2 0 0 1 ， 2 0 7 1 0 1 2 [ 3]邓成梁． 运筹学的原理和方法[ M 】 ．第二版武 汉 华中科技大学出版 社 ．2 0 0 1 3 4 3 8 ． [ 4]杜晓春． 关于城市天然气管网系统优化设计的方法研究[ D ] ．南充 西南石油大学， 2 0 0 5 3 3 3 4 ． [ 5] 潘红丽 ， 杨红雁． 气 田地面集输管网系统的优化设计[ J 】 ．油气储运 ， 2 0 0 2 ， 2 1 4 1 4 1 8 ． 1 6 j Ma c h H B ， M e C M 1 N J ． O p t i m i z a t i o n o f t h e D e s i g n a n d O p e r a t i o n o f N a t u r a l G a s P i p e l i n e S y s t e m[ C ] ． P a p e r S P E 4 0 0 6 p r e s e n t e d a t t h e S P E AI ME 4 7 t h An n u a l F a l l Me e t i n g ， 1 9 7 2 ． [ 7 ]S B h a d u fi ， R k T a l a c h i ． O p t i m i z a t i o n o f N a t u r a l G a s P ip e r l i n e D e s ig n ] M ] AS MEP e t r o l e u m Di v i s i o n ． 1 9 8 8 ．