氣田集輸管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行方案的設(shè)計(jì)

曹月蕊(吉林油田勘察設(shè)計(jì)院，吉林 松原 138000)

氣田集輸管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行方案的設(shè)計(jì)

曹月蕊(吉林油田勘察設(shè)計(jì)院，吉林 松原 138000)

本文通過(guò)綜合考慮壓縮機(jī)站、氣田集輸管網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況，充分考慮全部約束條件，以實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)中所有壓縮機(jī)站能源消耗總量的最小化為目標(biāo)，建立了氣田集輸管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行方案的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)應(yīng)用科學(xué)的混沌遺傳算法進(jìn)行模型計(jì)算，最終得到最終的優(yōu)化運(yùn)行方案。同時(shí)經(jīng)過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化運(yùn)行方案數(shù)學(xué)模型、混沌遺傳算法均具有良好的實(shí)用性、有效性。

氣田集輸管網(wǎng)；優(yōu)化運(yùn)行方案；天然氣運(yùn)輸

為了解決天然氣資源區(qū)域分布不均、城市天然氣資源供求矛盾等問題，我國(guó)逐漸加強(qiáng)了對(duì)天然氣集輸管網(wǎng)的建設(shè)。氣田集輸管網(wǎng)是我國(guó)天然氣集輸管網(wǎng)體系中的重要組成部分，其主要包括天然氣處理廠、壓縮機(jī)站、集氣站以及氣井四個(gè)不同的單元，單元之間主要通過(guò)管道連接。為提高氣田地面工程的經(jīng)濟(jì)效益，必須加強(qiáng)對(duì)氣田集輸管網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)也有利于減少天然氣在運(yùn)輸過(guò)程中的壓力損耗，實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約、環(huán)境保護(hù)。下文中，筆者主要探討了氣田集輸管網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行方案，以供參考。

1 建立優(yōu)化運(yùn)行方案數(shù)學(xué)模型

氣田集輸管網(wǎng)的運(yùn)行過(guò)程中，通常情況下會(huì)受到多種因素的影響，例如，壓縮機(jī)站配置情況與壓縮機(jī)運(yùn)行參數(shù)、氣源的分布情況、用戶的用氣量與用氣壓力需求以及管網(wǎng)輸送能力等。優(yōu)化運(yùn)行方案的主要內(nèi)容包括，實(shí)現(xiàn)集輸管網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化、實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化、確保壓縮機(jī)站開機(jī)臺(tái)數(shù)合理，其目的在于，降低壓縮機(jī)站的能源消耗與運(yùn)行成本[1]。根據(jù)現(xiàn)階段氣田集輸管網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況，以實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)中所有壓縮機(jī)站能源消耗總量的最小化為目標(biāo)，在符合如下3個(gè)假設(shè)條件的前提下：壓縮機(jī)型號(hào)相同、壓縮機(jī)之間并聯(lián)連接、開機(jī)臺(tái)數(shù)始終≥1臺(tái)，建立優(yōu)化運(yùn)行方案數(shù)學(xué)模型，函數(shù)式如下：

式中：i為氣田集輸管網(wǎng)中壓縮機(jī)站的進(jìn)氣節(jié)點(diǎn)編號(hào)；j為排氣節(jié)點(diǎn)編號(hào)；ε為進(jìn)氣、排氣節(jié)點(diǎn)編號(hào)(i、j)構(gòu)成的集合；Qij為壓縮機(jī)站中的總流量(m3/s)；Zi為壓縮機(jī)處于進(jìn)氣狀態(tài)中的時(shí)候，天然氣所具有的壓縮系數(shù)；Ti為壓縮機(jī)的進(jìn)口溫度(K)；pi為進(jìn)氣壓力(MPa)；pj為排氣壓力(MPa)；ω=(k-1)/k，k為是絕熱系數(shù)；ηij為壓縮機(jī)的效率。

設(shè)計(jì)優(yōu)化運(yùn)行方案的過(guò)程中，必須確保其切實(shí)符合氣田的資源分布狀況、能夠切實(shí)滿足用戶的用戶壓力、用氣量需求，與此同時(shí)，也要確保壓縮機(jī)站的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)始終保持在合理范圍之內(nèi)。除此之外，相關(guān)研究學(xué)者在進(jìn)行氣田集輸管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行方案設(shè)計(jì)的過(guò)程中，提出了相應(yīng)的約束條件，主要有節(jié)點(diǎn)流量平衡、管道強(qiáng)度限制等方面的數(shù)學(xué)描述。

2 模型求解方法

針對(duì)上述所建立的氣田集輸管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行方案數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)其是一個(gè)較為復(fù)雜的多維非線性問題[2]。進(jìn)行數(shù)學(xué)模型求解的過(guò)程中，國(guó)內(nèi)外大部分研究學(xué)者普遍運(yùn)用非線性混合規(guī)劃法，但在氣田集輸管網(wǎng)規(guī)模越來(lái)越大的今天，也逐漸提高了對(duì)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)量的要求，進(jìn)而導(dǎo)致初始可行解很難得到有效的確定，基于這樣的原因，進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，極易出現(xiàn)死循環(huán)的問題。面對(duì)這樣的現(xiàn)象，相關(guān)研究學(xué)者有機(jī)結(jié)合了混沌優(yōu)化方法的便利性、遺傳算法的搜索機(jī)制，成立了混沌遺傳算法，在混沌遺傳算法下，模型求解的步驟如下：

①明確管網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)與壓縮機(jī)的運(yùn)行邊界條件、天然氣的物性參數(shù)，在綜合考慮以上因素的前提下，制定水力計(jì)算的方法；②確定算法的結(jié)束循環(huán)代數(shù)以及種群數(shù)目，同時(shí)充分考慮算法中要用到的初始交叉概率以及變異概率，按照混沌序列，從而產(chǎn)生一組初始優(yōu)化運(yùn)行方案，并評(píng)估其優(yōu)劣，從中擇優(yōu)選出幾個(gè)較為理想的初始優(yōu)化運(yùn)行方案，組建初始遺產(chǎn)算法種群[3]；③構(gòu)建罰函數(shù)，計(jì)算當(dāng)前方案的適應(yīng)度、好壞，選出目標(biāo)函數(shù)值最優(yōu)、可以滿足所有約束條件的方案，并將其作為當(dāng)前最優(yōu)解；④對(duì)當(dāng)前的優(yōu)化運(yùn)行方案進(jìn)行選擇操作，并與最佳保留策略進(jìn)行結(jié)合，將其作為當(dāng)前方案；⑤對(duì)交叉概率以及變異概率進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整、動(dòng)態(tài)調(diào)整，并將調(diào)整后的交叉概率以及變異概率當(dāng)作主要根據(jù)，對(duì)(④)中的方案進(jìn)行混沌優(yōu)化交叉、變異操作；⑥綜合評(píng)估上述步驟中的運(yùn)行方案，判斷其是否能夠達(dá)到預(yù)期的最大循環(huán)代數(shù)，并檢查最優(yōu)解經(jīng)過(guò)多次迭代的情況下運(yùn)行方案有沒有變化，若沒有發(fā)生變化，則可進(jìn)入下一步驟，若發(fā)生變化，則重新轉(zhuǎn)向(③)；⑦將當(dāng)前最優(yōu)解作為優(yōu)化運(yùn)行方案數(shù)學(xué)模型的解，得到最終的氣田集輸管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行方案。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，上述優(yōu)化運(yùn)行方案模型、算法具有實(shí)用性、有效性。

3 結(jié)語(yǔ)

氣田集輸管網(wǎng)在進(jìn)行運(yùn)行的過(guò)程中，提供能量的通常是壓縮機(jī)站，從而預(yù)防天然氣在管道中流動(dòng)時(shí)發(fā)生壓力損耗，進(jìn)而避免不必要的資源浪費(fèi)。氣田集輸管網(wǎng)的空間范圍較大，氣田各區(qū)塊的產(chǎn)量、壓力處于不斷變化的狀態(tài)下，同時(shí)，用戶的用氣量、用氣壓力存在很大的不確定性，所以，必須適當(dāng)調(diào)整各壓縮機(jī)站的開機(jī)臺(tái)數(shù)以及運(yùn)行參數(shù)，以便于在確保氣田集輸管網(wǎng)可以良好地完成輸氣任務(wù)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)站能源消耗量的降低。

[1]孫立新.淺析氣田集輸管網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行方案[J].化工管理,2016，(17)：24.

[2]李學(xué)軍.長(zhǎng)輸管道天然氣集輸管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].油氣田地面工程,2015，(04)：24-26.

[3]王洪元,卜瑩,潘操.基于遺傳蟻群算法的氣田集輸管網(wǎng)優(yōu)化方法[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué),2012，(12)：1495-1498.

曹月蕊(1983- )，女，漢，助理工程師，本科，主要從事油氣集輸設(shè)計(jì)工作 。