天然气管网参数优化概述.pdf

第 4 3卷第 8期 2 0 1 4年 8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 ． 4 3 ．N 0 ． 8 A u g u s t ， 2 0 1 4 天然气管网参数优化概述 朴晓旭 ，吴 1 ．辽宁石油化工大学石油天然气工程学院， 辽宁 抚顺 1 1 3 0 0 1 明 ，曹桂芝 2 ．中国石油抚顺石化公司乙烯化工厂 ，辽宁 抚顺 1 1 3 0 0 4 摘 要 在天然气管网的建设过程中，由于要兼顾技术f生与经济性两个重要因素 ，因此需要在众多可行 方案中做出最优选择 。重点介绍了天然气管网参数优化的原则，以投资运行费用最小为 目标建立 目标函数，并 在满足管道强度、 稳定性 、 气体流动性以及节点流量的约束条件下进行运算。 介绍了常用的复合型算法、罚函 数算法以及遗传算法， 将多种算法相结合可以简化对优化数学模型的运算。 关键词管网；参数 ；优化；计算 中图分类号T E 8 3 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 40 8 1 6 2 0 0 3 Re vi e w o n t he Pa r a m e t e r Opt i mi z a t i o n o f Na t ur a l Ga s Pi p e l i n e Ne t wo r k P I A0Xi a o - x u ， WUM i n g ， C AO Gu i - z h i 2 1 ． C o l l e g e o f P e t r o l e u m a n dN a t u r a l Ga s E n g i n e e r i n g ， L i a o n i n g S h i h u a U n i v e r s i t y , L i a o n i n gF u s h t m 1 1 3 0 0 1 ，C h i n a ； 2 ． F u s h u n P e t r o c h e mi c a l Co r p o r a t i o n E t h y l e n e Ch e mi c a l Fa c t o r y ， L i a o n i n g F u s h u n 1 1 3 0 0 4，Ch i n a Ab s t r a c t I n t h e c o n s t r u c t i o n o f n a t u r a l g a s p i p e n e t wo r k ， d u e t o c o n s i d e r a t i o n o f t wo i mp o an t f a c t o r s o f t e c h n o l o g y a n d e c o n o my ,s o we n e e d t o ma k e t h e b e s t c h o i c e a mo n g t h e s e f e a s i b l e s c h e me s ．In t h i s p a p e r ,t h e p r i n c i p l e o f p a r a me t e r s o p t i m i z a t i o n o f n a t ura l g a s p i p e l i n e n e t wo r k wa s i n t r o d u c e d ． T h e o b j e c t i v e f u n c t i o n f o r min i miz i n g t h e i n v e s t me n t a n d run n i n g c o s t wa s e s t a b l i s h e d ， t h e n i t wa s s o l v e d u n d e r t h e p r e mi s e t o me e t t h e p i p e l i n e s t r e n g t h ， s t a b i l i t y ,g a s flo w a n d n o d e fl o w c o n d i t i o n s ． Th e c o mp l e x a l g o r i t h m ， p e n a l t y fun c t i o n me t h o d a n d g e n e t i c a l g o r i t h m we r e i n t r o d u c e d ，a n d t h e s e a l g o r i t h ms we r e c o mb i n e d t o s i mp l i f y t h e c a l c u l a t i o n o f t h e o p t i mi z a t i o n ma t h e ma t i c a l m o d e 1 ． Ke y wo r d s P i p e l i n e n e t wo r k ； Pa r a m e t e r ； Op t i ma l ； Ca l c u l a t i o n 天然气作为高效清洁的能源 ，是 目前最为理想 的城市气源 ，未来在国家能源建设 中势必扮演着越 来越重要 的角色。随着天然气资源被广泛的开发和 利用，输气管网系统的规模也日 趋庞大和复杂，如 何合理经济的实现输气管网的建设 ，就成为了当下 最具活力的课题之一。天然气管网参数优化的目的 是使管网的投资运行费用最小 ，是以管网的结构为 基础，以合适的壁厚以及管径，并且是在满足管网 的节点流量和压力 的前提下进行优化 。通常需要用 数学方法来实现对管网的参数优化，简单的说就是 根据参数变量 ，建立 相应的 目标 函数” ，给 出对应 的约束条件 ，并选取最优化方法 对其进行求解 ， 求得所需结果 ，从而达到预期的优化 目标 。 1 天然气管网参数优化的 目标函数 天然气管道的建设 ，必须建立在天然气管 网安 全运行的基础上，有了技术上的支持，天然气管网 才能保证安全运行。 但是， 技术上的可行方案很多， 单从这一点无法确定方案的好坏。在天然气管网的 建设中其投资金额很大 ，而且天然气管网在运行中 其运行维护费用往往也是一笔不小 的开资 ，所以， 管网的投资和运行费用是衡量天然气管网优劣的重 要因素。因此，在确定天然气管网建设方案时，要 从众多可行方案中选择投资运行费用最小的方案， 而天然气管网的参数优化就是在满足技术要求的前 提下确定投资以及运行费用最小的优化方法 。 在天然气管网参数优化的计算过程中，以总费 用最小为优化目标，构建与之相对应的目 标函数， 将整体管 网成本作为指标 ，整体管 网成本由一次性 投产建设时的投资费用和之后使用过程中维持运营 的费用组成。通过 “ 复利 系数”把投产时的费用转 换为折算费用，这样一来，就解决了投产费用与经 营费用在时间上的同步性，根据管网的经济评价指 标 ，得到表达式 Z A x l D x 2 D 1 式中 D一首次投资成本，万元 D一运营成本，万元 ； 一 资金的恢复系数。 收稿 日期2 0 1 4 0 l 一 0 8 作者简介扑晓旭 1 9 8 8 一 ，女 ，辽宁抚顺人，在读硕士研究生，研究方向天然气管网优化。E - m a i l x i a o l 5 8 4 1 3 3 4 2 7 3 1 2 6 ．C 0 1 1 。 通讯作者吴明 1 9 6 1 一 ，男，教授，博士，博士生导师，目前从事油气储运工程方向的研究工作。E - m a i l w u m i n g 0 4 1 3 l 6 3 ． c o m 。 第 4 3卷第 8期 朴晓旭，等天然气管网参数优化概述 1 6 2 1 式中i c --折现率； n 一管线的使用年限。 考虑到管道造价、 管道敷设、 管道防腐等费用， 上式中管网的投产投资费用可以表示为 X l D ∑ b 2 3 i l 2 ．2 管道的稳定性 要求管道的稳定性满足管道的设计规范要求， 目的是为了防止横截面严重失形 ，即 C i f 1 ， 2 ，3 ，⋯， 7 Oi 式中c 一 第 i 管段 ，管径与壁厚之 比的上限值。 2 ． 3 管道的气体流动 管道内的气体流动必须满足气体流动的基本方 程 ，即 6 r _管 ；道 重 量 与 管 段i 单 位 管 长 的 相 关 费 用， 万 元 ； 一 l 1 ．2 7 x 1 0 。 p - Z f 8 G } 位 质量， ； 式中 P 广 -管道 f初始端绝对压力 ，k P a ； ， r 管段 长度 ，k m。 ～ ’ ， 矗 萑 对 ， ； 管网的年经营费用 Q r _ 管 段f 计 算 流 量 ， N m 3 fh ； z D D 4 式中。 r 一 管网年经营费系数。 标况下的绝对温度 ，K； 综 合 D 和 D 可 得 整 体 管 网 成 本 优 化 萼 誓 小 于 时 取 ； 的 目标 函数 管道i 的 沿程 摩阻系 数。 n 5 2 。 4 ．节点 ‘ 要求流入管脯 的 2 天然气管网参数优化的影响因素 对天然气管网参数优化时，在确立整体管网成 本的 目标 函数后 ，还要充分考虑管网运行 的安全因 素。要想满足管 网的安全运行 ，天然气管网的运行 就必须满足设计要求，即在已知管网布局、管道压 力要求 、输气管道流量 以及在天然气管网输配燃气 过程中使任何时间段都保证分配给用户足量的燃 气， 再运用数学手段来对管网的参数进行优化分析。 这样使其优化结果满足强度条件、稳定性条件、气 体流动性条件 以及节点流量条件等技术要求嘲 。这 些都是影响参数优化的因素，通常将其称为天然气 管网参数优化的约束条件，下面具体介绍一下天然 气管网参数优化的约束条件。 2 ． 1 管道的强度 要求管道在设计的最高压力下运行 ，依然能满 足强度要求，即 ≤ i 1 ,2 ，3 ， ⋯， ，z 6 2 4t F 式 中Jp 广 第 i 管道所承受最大压力，MP a ； 广 管道壁厚 ，m m； 如一管道屈服极限最小值， MP a ； 卜 管道的温度折减系数； 一 管道的焊缝系数； r 设计系数。 流量与流出流量相等， 即 埘J ， 、 一 ∑ 1 ,2 ， 3 ， ⋯ ， L 9 ’ j l 式中 一管段 i流量 ，Nm ／ b ； Q“ 一管段 f 1流量，N m3 ／ h ； g 节点 i分支流量 ，N m ／ h ； 惭一节点 i 的分支数量。 3 天然气管网参数优化的求解方法 天然气管 网的参数优化设计 ，通常运用数学方 法来实现对管网的参数优化。管网系统参数优化数 学模型是以强度、稳定性、气体流动性以及管道的 节点流量为约束条件的目标函数关系式，线性关系 式 、非线性关 系式均包含其中，所以 ，此类模型的 求解过程是 比较复杂的。管网参数 的优化模型求解 算法一般常见的有复合形法、罚函数法以及遗传算 法 。下面简要介绍这几种常用的求解方法 。 1 复合形法。该方法是以最坏的一个顶点为 基础，向其余各顶点 几何中心 进行反射 ，之后 再依据反射的目标函数值进行收缩或延伸，形成新 的复合形 。将这一过程不断进行， 即得到最优解。 柏毅根据该方法将反射、延伸或收缩几种步骤统一 用离散一维搜索来代替，这样就避免将离散变量作 为连续变量处理引起的所得到的解不是离散最优解 的问题。 化 工 2 0 1 4年 8月 2 罚函数法。 该方法 的根本 目的就是将有约 束优化问题转化成无约束优化问题 ，从而简化运算 。首先将一个由约束函数组成的惩罚项加在目标 函数上 ，构成一个新的函数 ，在这个新函数 中包含 一 个可以变化 的罚因子 ，对于罚因子序列的每一个 值，对应都会得到一个新的惩罚函数，对其进行寻 优就可以求出其近似的最优解。 3 遗传算法。 该方法是借鉴了生物界优胜劣 汰遗传机制 、适者生存 的进化规律而演化来的随机 化搜索方法- - 。在确定了数学模型之后首先进行编 码 ，以及初始种群的建立 ，按照一系列遗传操作以 及一定的与目标函数相关的适配值函数对各个体进 行筛选， 保留适应度高的个体， 组成新的群体，然后把 这些个体经过交换和变异进行再组合，产生新个体。 这样反复进行，直到群体中各个体的适应度提高到 满足一定的极值条件。 此时， 待优化参数的最优解就 是群体中适应度最高的个体。 4 结 论 在对天然气管网参数进行优化时，根据投资运 行费用最小建立 目 标函数，由于需要满足安全运行 的要求 ，该优化需要在满足管道强度 、稳定性 、气 体流动性以及节点流量的约束条件下进行运算。其 中常用的运算方法有复合形法 、罚函数法 、遗传算 法等 ，一些时候 ，还需要同时运用多种运算方法综 合求解 ， 充分利用各自优势， 提高管网优化计算方 法的通用性。天然气管网参数优化问题是一个需要 综合评估和全面思考的研究方向，往往需要搭建不 同的数学模型结构，构建方法和策略也各不相同。 了解和掌握这些方法，对进一步推动天然气管网参 数优化技术具有积极的意义。 参考文献 [ 1 ] 姚光镇． 输气管道设计与管理l M1 ． 北京 石油大学出版社， 1 9 9 1 ． [ 2] 严铭卿，焦文玲，展长虹，廉乐明， 谭羽飞． 我 国城市燃气的发展 模式『 J j．油气储运 ，2 0 0 1 ，2 0 7 1 0 1 2 ． 3] 贺三 ， 邹永莉 ，王欣． 天然气管道的运行优化『 J 】 ． 油气储运 ，2 0 0 9 ， 2 8 6 1 - 7 ． [ 4] 葛翠翠． 天然气集输管网优化[ D ] ． 大庆大庆石油学院， 2 0 0 7 ． [ 5 ] 刘杰， 陈保东 王秋莎， 代堪亮， 李征博， 官学源， 莫海元．城市天然气管 道的参数优化设计 ． 当代化工 ，2 0 1 2 ， 4 1 9 9 0 0 9 1 2 ． [ 6]李卫华． 天然气管 网系统优化设计研究 ] ． 南充 西南石油大学， 2 0 0 3 ． [ 7]王建强，王京，杨卫国． 燃气输气管道管径优化设计方法概述I J l l邯 郸职业技术学院学报，2 0 0 8 ， 2 1 44 6 4 8 ． [ 8 ]柏毅． 川西地区天然气管网优化及仿真技术研究[ D ] ．南充 西南石 油大学， 2 0 0 4 ． [ 9] 杜晓春．关于城市天然气管网系统优化设计的研究方法【 D1．南充 西 南石油大学， 2 0 0 5 ． [ 1 O]李征， 天然气集输管 网优化设计方法研究叭 内蒙古石油化1 ， 2 0 0 9 ． 6 1 9 2 1 ． 产学研合作破水性涂料行业瓶颈 水性涂料在欧洲的使用率已经达到 8 0 ％一 9 0 ％，而在我国的使用率却大大低于欧洲 ，上升空问很大。业内预计，2 0 1 6年 亚太地区水性涂料市场的销售收入将增长至 1 6 7亿美元， 进入高速发展期 ， 其中中国将成为亚太地区水性涂料发展的主力军。 以水性漆为代表的水性涂料的出现被业界誉为 “ 第三次涂料革命” 。然而 ，由于与传统溶剂型涂料 俗称 “ 油性涂料” 在性能上存在一定的差异，成本也较高，水性涂料在我国的应用率并不高。如何通过产学研合作，提升水性涂料的性能，促 进其在国内的应用 ，已经成为该行业亟待解决的问题。 近日。 河北晨阳工贸集团有限公司与中国科学院过程工程研究所签署战略合作协议，双方将以 “ 纳米复合水性涂料”为 合作切入点 ， 组建 “ 纳米功能材料联合实验室” ，促使水性涂料向高 、 精 、 尖的方向迈进。 事实上 ，除晨阳集团外 ，目前包括嘉宝莉化工集团股份有限公司、三棵树涂料有限公司、 迪邦涂料实业有限公司在内的 一 大批水性涂料生产企业都在与高校 、 科研院所展开积极的产学研合作，以提升企业技术水平。这表明， 通过加强产学研合 作来提升技术创新能力已经成为水性涂料企业发展的一种新趋势。 应用推广遇阻碍 在业界，以水性漆为代表的水性涂料的出现被称为 “ 第三次涂料革命” ，这是因为与油性涂料相比，水性涂料更加环保。 油性涂料中的多种溶剂是从石油中提取的， 这种提取物中含有大量的挥发性有机化合物 v o c ， 会污染空气、 危害人体健康； 而水性涂料则是用水做溶剂，可有效降低 V O C的排放，减少环境污染。然而，由于与油性涂料在性能上存在一定的差异， 成本也较高，环保的水性涂料在我国的应用率并不高。 据业内人士介绍，目前水性涂料在硬度 、丰满度 、 耐久度等方面与油性涂料相比还处于劣势，这种性能上的劣势成为影 响其应用推广的一个重要因素。卓创资讯分析师边建伟认为， 水性涂料在建筑涂料市场发展较快，经过十几年的发展，目前 水性涂料在建筑涂料中的占比达 3 8 ％。但在木器涂料行业中， 水性涂料占比只有 1 0 ％，发展相对缓慢 。“ 由于水性涂料与传 统涂料在应用工艺及技术上存在差异，加之相对成本较高及施工便利性较差，多数企业对水性涂料应用较为消极” 。 万博产业研究院分析师朱翔表示“ 由于油性涂料相对比较成熟，操作性比较好，因此很多家具厂不愿更换操作条件相 对苛刻、成本相对较高、大部分物理I生 能不如油性涂料的7 K ．I生 涂料。