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 113001）

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 113001）

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。

城市天然气管道；管网；优化设计；计算方法

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[1]，给出相应的约束条件，并且选取最优化方法[2]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)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[3]。本文采用了“复利系数”[4]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：

式中：ic—折现率；

n—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：

式中：k1—管材价格，元/t；

Gi—管段i的单位质量，t/km；

li—管段i的长度，km；

n—管段总数；

k2—管道的运费，元/（t·km）；

k3—管道的敷设费用，元/（mm·km）；

Di—管段i的内径，mm；

K—管道的防腐费用，元/（mm·km）。

管道内径（D）和管重（G）之间的函数关系：

式中：Gi—管段i的质量，t/km；

iδ—管段i的壁厚，mm；

ρ —管材密度，t/m3，ρ =7.8 t/m3。

现在可对（2）式进行整理，得：

1.2 管网的经营费用

用 x2(D)表示管网的年经营费用：

式中：α 1—管网年经营费系数。

综合 x1(D)和 x2(D)可得城市天然气管网优化的目标函数：

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200 m，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[5]。

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：

式中：Pimax—管段i允许的最大操作压力，kPa；

σs—管材屈服极限，kPa；

ϕ —焊接系数；

h —设计系数；

Kt—管道温度减弱系数。

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，避免横截面失形，即：

式中：Ci—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[6]，即：

式中：Pi—管道i初始端绝对压力，kPa；

Pi+1—管道i末尾端绝对压力，kPa；

Qi—管段i计算流量，（N）m/h；

Di—管段i内径，mm；

ρ—天然气密度，kg/m3；

T—燃气温度，K；

T0—标况下的绝对温度，K；

Z—压缩因子，燃气压力小于1.2 MPa时取1；

λ—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：

式中：Qi—管段i流量，（N）m3/h；

Qi-1—管段i-1流量，（N）m3/h；

qiwj—节点i分支流量，(N)m3/h；

mj—节点j的分支数量。

2.5 约束条件处理

每一管段都可用（9）式表达，所有管段叠加，经处理可得：

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：

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[7]，可对其进行求解。目标函数可表示为：

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Table 3 Analytic result of poilt-plant sample of microcrystal floor board waterproof wax

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 608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151 t该产品投放市场，用户反应产品渗透性好，防水性能优秀，使用产品后的复合地板防水性有了很大提高，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Table 4 Property analysis of microcrystal floor board waterproof wax product after the amplification of production

表5 产品效益测算Table 5 Product benefits 元/t

［1］林世雄.石油炼制工程[M].石油工业出版社，2000.

［2］黄俊燕, 杜兰英, 常聪芳.系列地板防水蜡的研制与开发2007年中国石油炼制技术大会论文汇编[C].2007.

Parameter Optimization Design of Urban Natural Gas Pipelines

LIU Jie, CHEN Bao-dong, WANG Qiu-sha, DAI Kan-liang, LI Zheng-bo, GUAN Xue-yuan, MO Hai-yuan
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

Through analysis of pipe diameter, wall thickness, node flow, strength, stability and other constraints, optimization design of city gas pipeline network was carried out. According to the principle of technical economics, through introducing a compounding factor as economic indicator of the pipeline, mathematical model of the pipe network was established and parameter optimization was carried out. By quadratic interpolation method and penalty function, related constraints and objective function constructed unconstrained function to solve. It’s proved that the design is feasible, and has practical guiding significance for the optimum design of urban gas pipelines.

City natural gas pipeline；Pipeline network；Optimal design；Calculation method

TE 624

A

1671-0460（2012）09-0900-02

2012-03-19

刘杰（1986-），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-mail：liujie150428@126.com。