天然气输气管道优化的最优化方法研究

张 铄，吴 明，牛 冉，张志勇

（1. 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001； 2. 辽河油田油建一公司，辽宁 盘锦 124010）

天然气输气管道优化的最优化方法研究

张 铄1，吴 明1，牛 冉1，张志勇2

（1. 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001； 2. 辽河油田油建一公司，辽宁 盘锦 124010）

简要的阐述了最优化方法及天然气输气管道优化运行，介绍了优化数学模型如何建立并列出了相关约束条件。通过总结不同学者对最优化方法在输气管道优化中的应用，对最优化方法未来的发展方向发表了看法。

最优化方法；输气管道；数学模型；工艺参数

运用数学方法对各种系统的优化途径和方案进行研究， 进而为决策人员提供相对科学的决策依据，这种方法就叫做最优化方法，也叫做运筹学方法。20世纪40年代以前，计算最优化问题的方法主要是微分法和变分法，但是它比较简单，无法处理复杂的离散问题。第二次世界大战爆发后，由于军事需要，产生了如线性规划、非线性规划、动态规划和整数规划等新方法。20世纪60年代以后，由于近代科技的飞速发展，最优化方法得到了广泛的应用。

天然气是一种高效、优质的清洁能源，它在管道内输送时，会发生管道摩擦损失、沿途控制元件损失、转弯损失、管道分体处内耗损失、温度变化损失和气体泄漏损失等。为了提高天然气的利用效率，降低输送成本，所以需要对天然气输气管道优化运行，优化运行就是使管道在能耗最小的情况下，安全可靠地完成天然气的输送和供应[1]。

1 影响输气管道优化的因素及基本数学模型的建立

1.1 理想化假设

由于实际问题比较复杂，不利于计算，我们通常对气体的流动状态、各压气站间气体的平均压缩系数、压缩机站之间是否有分气点、各压缩机站的出站压力、环境的温度、气体的压缩过程等进行理想化假设。

1.2 数学模型的建立

在输气管线设计时，为了使经济效益最大化，必须对输气管道的管径、壁厚、压气站数等工艺参数进行优化设计。围绕降低能耗和节约成本的问题，已有许多学者根据不同的观点、角度建立了输气管道的设计模型[2～13]。

数学模型建立时，通常采用输气管道在其寿命期内的总费用作为其目标函数，总费用通常包括管道建设费、压气站建设费和运行管理费。由于管道建设费和压气站建设费为一次性投资，而运行管理费通常以年为单位结算，所以引入“折算费用”的概念，将建设费用与运行管理费按相同的年利率折算到设备寿命末年时的费用[2]。

式中：

Zs—s年时的总费用；

Z1s—s年时的管道建设费；

Z2s—s年时的压气站建设费；

Z3s—s年时的运行管理费。

根据不同的设计需要，目标函数还可以是以售气费用减去购气费用和压缩机运行费用后的值[14],以全线压缩机功率最小[15]等，我们需要根据工程的实际情况，来选择最合理的数学模型。

1.3 约束条件

约束条件即影响输气管道优化的参数，它包括水力约束、管道强度约束、稳定性约束、管道规格约束、设计约束、流态约束、压缩机站功率约束、首战压缩比约束、末站长度约束、压缩机出口温度约束等[2，6，16]。根据最优化模型采取不同的约束条件，并利用基本的物理原理和已知条件对各个约束条件进行整理，得到约束条件中各参数的关系和变化规律，进而得到优化的设计参数。

2 最优化方法在天然气输气管道优化模型中求解的应用

陈进殿[17]等为了最大化天然气公司的收益，建立了天然气管道优化运行的模型，该优化模型中的非线性约束条件无法化为线性约束函数，所以选择了微粒群算法，该算法在求解非线性规划问题时搜索范围宽、适应能力强、求出的全局最优解比较可靠，而且对问题的限制较少。他通过对标准微粒群算法的讨论和微粒群算法的改进，对天然气管网优化数学模型进行了求解，并验证了采用微粒群算法得出的优化运行方案理论上可使天然气公司的收益增长约1%。

Sung[18]建立了混合网络模型，并对该模型采用了最小成本生成树法。对该模型优化设计时，应用参数研究法对各个独立参数之间的关系进行了研

究，如流量、管径及初始压力等。研究表明，初始压力与管径之间存在一种可优化的关系。

梁立宁[19]在对长宁输气管道系统优化时，根据技术经济学原理，引入终值费用作为管道的经济指标，并以此为目标函数建立了数学模型。对该模型施加了水力约束、压缩比约束、压缩机性能约束、流态约束、热力约束、站数约束后，发现除了工作压力比和压缩比取连续值外，其他都为离散变量，随即应用了直接搜索法MDOD，编制了相应的软件，对该非线性规划问题进行了求解。根据计算结果对压缩机站适当调整后，确定了在各种输量和温度下均能匹配的设计方案。姚麟昱[20]等利用起伏地形输气管道流量计算的公式，同样以终值费为目标函数建立了输气管道运行优化模型。考虑相关约束后，采用惩罚函数法进行求解，并编制了“考虑高程差的长距离输气管道优化运行”计算软件。

王艳峰[21]等在传统输气管道优化模型的基础上减少了管道设计压力、壁厚及站间距三个设计变量和约束条件的数量，并分析了缩减约束条件的原理，根据新的设计参数建立了新模型。该优化问题采用一种改进的针对输气管道优化设计的混合离散优化算法，并具备MDCP算法[22]的所有功能。根据新的模型，运用标准C++及MFC编制了软件，可同时优化有高差、有分气点的管道。

田野[23]等根据上游生产部门的购气价格、下游用户的售气价格、管道系统的运营价格以及他们的特点，从经济方面入手，以下游用户的售气费用减去上游购气费用和管网压缩机的费用的最大值作为目标函数，考虑了上游供气压力、下游用气压力、管道极限压力、地上储气设施、地下储气库、设置增压站等条件建立了数学模型。该问题利用单纯形法求解，列出了计算流程，并根据实例分析得出模型和算法切实可行并具有一定的商业参考价值。

3 总结和展望

每种优化方法都各有优缺点及适用范围，需要根据不同的情况选择不同的最优化方法。运用软件对输气管道进行优化时，应了解软件的工作原理及优化模型，不可盲目使用。

求解优化模型的方法还包括神经网络法、模拟退火算法、混合遗传算法、改进混沌法等智能优化方法，它们能够克服非线性规划问题中的局部收敛，减少迭代次数，提高计算效率等问题。将多种方法有机结合，优势互补，提高获得全局最优解的能力是未来发展的主要方向。

［1］初飞雪，吴长春.输气管道优化运行的研究现状[J] .油气储运，2004，23(11):3-6．

［2］董正远．长距离输气管道设计优化经济模型[J] .油气储运，1996，15(1):16-19．

［3］李波，朱华峰,等．干线输气管道的优化设计[J].油气储运,2000, 19(8)：18-22．

［4］张其敏．有分支天然气管道的优化设计[J].油气储运,2000,19(3)：13-15.

［5］李长俊，等．长距离输气管道工程混合离散变量优化设计研究[J].管道技术与设备,2001, 8(3):1-4+8．

［6］刘明超,黄腾飞.型水平输气管线优化设计新方法[J].天然气与石油,2002,20(1):1-4．

［7］康正凌,袁宗明.树枝状天然气管网优化设计[J].天然气工业，2001,21(3)：76-78．

［8］Christian Kelling etc. A Pratical Approach to Transient Optimization for Gas Network[C]. 32nd Annual Meeting, PSIG,2000．

［9］Henry H Rachford et al. lnvistigating Reel-world Applications of Transient Optimization[C]. 32nd Annual Meeting, PSIG,2000．［10］Shaun Wright ,Mahesh Somani ,Chris Dii. Compressor Station Optimization[C].30th Annual Meeting,PSIG,1998．

［11］Shifeng Tian , M.A. Adewumi .Development of Analytical Design Equation for Gas Pipelines[J].SPE Production & Facilities, 1994,9(2):100-106．

［12］朱琦.关于长距离输气干管经济管径的研究[J].油气储运，1985，4(5):1-7.

［13］杨廷觉.输气管道的简单经济模型[J].油田地面工程，1986,5(6):1-7.

［14］李长俊,等.输气管道优化运行技术[J]，天然气工业，2005，25(10):106-109．

［15］曾立波，朱小丹.基于遗传算法的天然气管道运行参数的优化模型[C].中国国际管道会议，2013-09：12-15．

［16］王国付，吴明,等.干线输气管道设计[J].油气储运，2006，25(5):23-25.

［17］陈进殿，汪玉春，汤俊杰.用微粒群算法实现天然气管网运行最优化[J].油气储运，2009，28(1):7-11．

［18］Sung W et al.Optimization of Pipeline Networks with A Hybrid M CST-CD Networking Model[J].SPE Production&Facilities,August,19 98,13(3):213-219．

［19］梁立宁.长宁输气管道系统运行的最优化[J].重庆石油高等专科学校学报，2000,2(3):20-22．

［20］姚麟昱，孟庆华，张刘樯.起伏地形天然气长输管道运行优化研究[J].石油天然气学报，2008，30(1):357-359.

［21］王艳峰，沈祖培.输气管道优化设计新模型[J].油气储运，2004，23(4):9-12．

［22］ 陈立周,等.工程离散变量优化设计方法[M].北京:机械工业出版社，1989．

［23］田野，王岳，郭士欢.输气管道最优化研究[J].北京石油化工学院学报，2012，20(1):22-25．

Research on Optimization Methods for Optimal Operation of Natural Gas Pipelines

ZHANG Shuo1，WU Ming1，NIU Ran1，ZHANG Zhi-yong2
（1. College of Petroleum and Natural Gas Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China；2. Liaohe Oil Field No.1 Construction & Engineering Company, Liaoning Panjin 124010, China）

The optimization method for optimal operation of natural gas pipelines was introduced, how to create the mathematical model and make a list of relevant confining conditions was described. By summarizing optimization methods for operation of the gas pipeline developed by different scholars, the development direction of these optimization methods in future was discussed.

Optimization methods; Gas pipeline; Mathematical model; Technological parameter

TE 832

： A

： 1671-0460（2015）02-0408-02

2014-07-30

张铄（1991-），男，辽宁盘锦人，辽宁石油化工大学油气储运工程在读硕士，研究方向：管线优化运行。E-mail：86233803@QQ.com。