城市天然氣管道的參數優化設計

劉 杰，陳保東，王秋莎，代堪亮，李征博，官學源, 莫海元

（遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001）

城市天然氣管道的參數優化設計

劉 杰，陳保東，王秋莎，代堪亮，李征博，官學源, 莫海元

（遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001）

通過管段的管徑、壁厚、節點流量、強度、穩定性等約束條件，優化設計了城市天然氣管網。同時根據技術經濟學原理，引入了復利系數等作為管道的經濟指標，建立了管網的數學模型，并且進行了參數優化。利用二次插值法和罰函數相結合，可將相關約束條件與目標函數構造為無約束函數求解，證明該設計方法具有可行性,對城市天然氣管道的優化設計具有一定的實踐指導意義。

城市天然氣管道；管網；優化設計；計算方法

天然氣作為一種新型燃料，具有潔凈、高效、優質、無污染的特點，迅速成長為是世界三大支柱能源之一。我國的各個城市天然氣的使用已經快速的發展起來。城市天然氣管網參數優化設計是以確定的管網結構為基礎，以合適的管徑、壁厚，在滿足管網節點流量和壓力的為前提，優化管網的投資和運行費用，使其最小。管網的參數優化用數學方法實現，就是依照參數變量，建立相應的目標函數[1]，給出相應的約束條件，并且選取最優化方法[2]進行求解，求得所需結果，達到預期的優化目標。

1 優化模型的建立

城市天然氣管網的投資可以簡化為管道的投資，可以分為投資費用和運行費用。其中投資費用有：(1)管道本身的造價和建設費用；(2)調壓室、天然氣儲配站、壓送站的造價。經營費用包括: 管網折舊費；管網維修和維護管理費用[3]。本文采用了“復利系數”[4]將一次性的投資費用轉換為了折算費用，這就消除了投資費用與經營費用在時間上的差異，將年折合費用作為管網的經濟評價指標，可以得到以下表達式：

式中：ic—折現率；

n—管線的使用年限，a。

1.1 管網的投資

管網的投資包括管道造價、管道運輸、管道敷設、管道防腐等費用。用公式表示：

式中：k1—管材價格，元/t；

Gi—管段i的單位質量，t/km；

li—管段i的長度，km；

n—管段總數；

k2—管道的運費，元/（t·km）；

k3—管道的敷設費用，元/（mm·km）；

Di—管段i的內徑，mm；

K—管道的防腐費用，元/（mm·km）。

管道內徑（D）和管重（G）之間的函數關系：

式中：Gi—管段i的質量，t/km；

iδ—管段i的壁厚，mm；

ρ —管材密度，t/m3，ρ =7.8 t/m3。

現在可對（2）式進行整理，得：

1.2 管網的經營費用

用 x2(D)表示管網的年經營費用：

式中：α 1—管網年經營費系數。

綜合 x1(D)和 x2(D)可得城市天然氣管網優化的目標函數：

2 約束條件

考慮城市天然氣管網的地形起伏高差一般低于200 m，因此克服高差的消耗壓降所占比重非常小，可假設為輸氣管水平[5]。

2.1 管道強度約束條件

管道的設計壓力要求必須不能大于管道允許的最大操作壓力，即：

式中：Pimax—管段i允許的最大操作壓力，kPa；

σs—管材屈服極限，kPa；

? —焊接系數；

h —設計系數；

Kt—管道溫度減弱系數。

2.2 管道穩定性約束條件

管道的穩定性要求滿足管道設計規范，避免橫截面失形，即：

式中：Ci—管段i管徑與壁厚之比的上限值。

2.3 管段氣體流動性約束條件

管道氣體流動要求必須滿足氣體流動的基本方程[6]，即：

式中：Pi—管道i初始端絕對壓力，kPa；

Pi+1—管道i末尾端絕對壓力，kPa；

Qi—管段i計算流量，（N）m/h；

Di—管段i內徑，mm；

ρ—天然氣密度，kg/m3；

T—燃氣溫度，K；

T0—標況下的絕對溫度，K；

Z—壓縮因子，燃氣壓力小于1.2 MPa時取1；

λ—管道i的沿程摩阻系數。

2.4 節點流量的約束條件

流入管網節點的流量必須等于流出流量，即：

式中：Qi—管段i流量，（N）m3/h；

Qi-1—管段i-1流量，（N）m3/h；

qiwj—節點i分支流量，(N)m3/h；

mj—節點j的分支數量。

2.5 約束條件處理

每一管段都可用（9）式表達，所有管段疊加，經處理可得：

3 參數優化模型

對上述的目標函數及約束條件處理后，將壁厚和管徑作為變量，并把壁厚用管徑表示，簡化掉管道強度約束，可得數學模型：

4 求解數學模型

城市天然氣管網參數模型優化屬于非線性規劃問題，利用組合罰函數[7]，可對其進行求解。目標函數可表示為：

產品得到用戶認可，滿足使用要求，確定產品配方。產品分析結果見表3。

表3 微晶地板防水蠟中試樣品分析結果Table 3 Analytic result of poilt-plant sample of microcrystal floor board waterproof wax

4 微晶地板防水蠟放大生產

4.1 放大生產

根據小試及中試試驗情況，進行了放大生產并進行市場銷售。

4.2 產品質量檢測

對放大生產后產品進行質量檢測，分析結果詳見表4。

5 產品效益測算

經效益測算，原料加工成微晶地板防水蠟后產生效益要比原料進催化裂化裝置高 608元/t，有利于原料的最優利用，產生更大的經濟效益(表5)。

6 結 論

微晶軟脂地板防水蠟的原料配比合理，生產工藝簡便易行，易于工業化生產。樣品進行使用試驗，中試樣品得到用戶認可后，生產151 t該產品投放市場，用戶反應產品滲透性好，防水性能優秀，使用產品后的復合地板防水性有了很大提高，且質量穩定。

綜上所述，微晶地板防水蠟產品市場前景好，經濟效益可觀，原料來源充足，生產工藝環保，完全可以推廣應用。

表4 放大生產微晶地板防水蠟產品性質分析Table 4 Property analysis of microcrystal floor board waterproof wax product after the amplification of production

表5 產品效益測算Table 5 Product benefits 元/t

［1］林世雄.石油煉制工程[M].石油工業出版社，2000.

［2］黃俊燕, 杜蘭英, 常聰芳.系列地板防水蠟的研制與開發2007年中國石油煉制技術大會論文匯編[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

劉杰（1986-），男，內蒙古自治區赤峰人，遼寧石油化工大學油氣儲運工程在讀碩士研究生，研究方向：城市天然氣管道輸送技術。E-mail：liujie150428@126.com。