摘要：目前管道天然气集中监管和网络操作运行的逐渐深化，天然气管网稳态操作优化技术将在提升管网络运行效率和节能减排中发挥重要作用。在此基础上，研究当前的天然气管网稳态操作国内外优化技术发展形势，分析了国内外优化软件产品的特点和适用范围，阐述了主流非线性天然气管道运行优化模型的稳态解。针对天然气管网工程应用效果的稳态优化技术的制约因素，提出了一些发展前景建议，这对开发天然气管道运行优化技术具有一定的指导意义。
关键词：天然气管网；稳态运行；优化技术；现状与展望
1前言
天然气作为一种最清洁、高效的矿物能源，已成为21世纪能源结构优化的重要发展目标。管道运输是天然气长距离输送的主要形式，在国民经济的发展中起着越来越重要的作用。随着我国东西南北天然气管网的发展，保持天然气管道网络安全、高效、经济，迫在眉睫。天然气管网稳态操作优化技术是综合考虑天然气管网拓扑结构和工艺约束，优化管道系统的操作参数是有效的调度管理，所以网络工作环境要达到或接近最优的标准要求，得出最优传输方案。经过几十年的研究，天然气管道的稳态运行优化技术已基本成熟。目前国外研究热点主要集中在进一步提高优化模型的效率和非稳态运行优化技术。虽然我国对天然气管网稳态运行优化的研究相对较晚，但在建立和有效解决天然气管网优化模型方面取得了一些成果。近年来，国内天然气管网研究取得了重大进展，以中国石油为代表，致力于组织生产和科研部门网络稳态运行多目标优化研究应用网络，改进稳态运行优化技术。
2技术现状与研究进展
天然气管网的稳态运行有两种优化方法。一是使用具有针对性的专门的优化软件进行管网优化，二是使用仿真软件对管网进行优化。这两种方法是完全不同的，优化后的软件可以根据已知的管网结构和约束条件，通过优化算法获得燃气管网的运行参数。在预置多操作参数的基础上，对仿真软件进行了优化，并通过仿真选择了优化结果。由于仿真软件分析方案的局限性，很难得到真正的最优解，因此优化效果较差。为此，本文以天然气管网的现状和研究进展为基础，主要介绍了稳态优化技术的优化模型，研究对象包括管道网络等单一管道，优化目标可以是单个的目标，也可以是多个目标。
2.1输气管道单目标稳态运行优化
在20世纪60年代，欧洲和美国等国家已经启动了天然气管道运营优化技术的研究，我国也开始对有关问题进行了研究，并开始了西气东输气管道的建设。整个管道的单目标优化方法由于优化问题的目标函数和约束条件的非线性和非凸性不敏感，计算效率高，结果具有最优性，是应用于天然气管道运行优化最成熟和最成功的一个算法。
2.2输气管网单目标稳态运行优化
在这里管网系统指的是在压缩机的网络结构中存在的分支或回路管网系统，否则可以通过网络技术将其简化为虚拟节点，分支和环状管网可以转换为单一的管道优化。与天然气管网的稳态运行相比，单目标难点在于不确定度和流量分布的多样性的稳态运行优化的链接线，以及计算量大大增加。管网系统的优化可分为站级优化、管道级优化和管网级优化三个层次。站级优化是指在给定的、出外状态的情况下，以最小能耗为目标的站内最优启动方案。管道级优化是指在单个管道任务吞吐量和用户需求情况下，对当前单管的最优运行方案进行计算。网络级优化需要解决网络中的流量分配问题。考虑到实际应用效果，稳态优化网络单目标必须在计算效率和精度上进行权衡，目前的主流方法是基于动态规划、梯度搜索、线性和非线性混合整数解。
由于大型、复杂的问题和一般的网络优化引擎必须在优化问题等方面计算效率和结果，关键在于优化问题的特点，选择适当的简化方法和优化算法。采用线性化等预处理技术可以有效地简化原始问题，在保证计算速度的基础上，成熟的商用求解器可以获得全局/局部最优解。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆对于常见的自定义网络优化引擎，在已知的前提下，在管道流中，NDP算法可以保证得到全局最优解，但需要进一步改进流优化，采用两级分层优化流的方法将大大提高计算成本，计算速度慢。
3技术展望
3.1基础仿真模型的持续完善
该方法表明，仿真与优化之间存在密切的关系，对于优化的软件，仿真模型是基础，优化算法是核心，最终的优化结果也需要通过仿真软件来验证可行性和最优性。基本仿真模型的精度直接决定了优化方案的可行性和优化空间的大小。在基本的仿真模型中，压缩机和燃气轮机电厂仿真的改进，压缩机变量模型可以有效解决，提高压缩机特性曲线回归精度，并建立燃气轮机仿真模型，可以满足生产应用程序基于经验公式获得实际数据回归，等等。
3.2输气管网稳态多目标运行优化
在实际生产中，管道运营企业的不同职能部门和不同运行阶段的不同优化优先级，形成了天然气管网的稳定多目标运行优化技术。国外对多目标优化的研究主要基于单一天然气管道。建立了单燃气管道的多目标优化模型，利用最小能耗和最大管道输出量，采用遗传算法求解该问题。目标函数的能量消耗包括压缩机组的能耗和空气冷却器的能耗。通过实际的管道SCADA系统对该方法进行测试，结果表明，通过调整启动程序的压缩机和空气冷却风扇转速，可使管道能耗降低5% ~ 6%。在多目标决策优化理论的基础上，对天然气管网进行了优化研究。确定了大型天然气管道网络操作方案多目标决策优化系统架构，指出了综合评价指标体系的基本原则和具体步骤，提出了标准操作方案评估仿真模型，已经清楚的兼容性程度方法用于审查评价方法，为国家天然气管道运行优化的全面发展奠定了坚实的基础。考虑到中国的特殊国情，管道运营企业除了经济任务外，还有更多的民生和社会责任。因此，我国天然气管网稳态多目标优化的研究动机在中国。
3.3输气管道非稳态运行优化
天然气管道非稳态运行优化指的是当天然气管道系统边界条件被干扰或干扰状态，一直在天然气管道系统种进行不稳定操作，这个时候，可以使用相应的稳态优化方法，不稳定问题在一段时间内压力气站出站压力启动解决方案，以及空气供给流量随时间变化的连续的控制措施，在天然气管道系统满足一系列约束条件的前提下确定优化目标，完成从一个初始状态过渡到输气任务的结束状态。在国内，关于不稳定优化技术的研究很少。基于国外文献研究，结合实际生产情况，非稳态优化可用于解决三个方面的问题主要是：（1）管通过任务吞吐量在稳态条件下如何快速有效地在稳态条件下另一个任务的吞吐量；由于用户气体的不均匀性，不稳定状态的优化可以帮助确定管道的日常运行计划，并完成运输任务。在故障条件下，可采用非定常优化方法确定管道系统如何进行最有效的应急操作。
4结束语
经过50多年对天然气管网稳态运行优化的理论研究，该理论已变得越来越成熟，商业优化软件已在国际上形成。但总体而言，优化软件在实际生产中的应用非常少。对稳态运行优化技术应用进行限制的主要原因是仿真模型的不准确导致了误差的不断积累和优化结果的可靠性，数学模型的优化与生产需求脱节，以及软件用户和开发人员的优化缺乏沟通，稳态运行优化的应用范围是有限的。因此，要实现天然气管网稳态运行优化技术的综合应用仍有许多工作要做。
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论文作者:王文义,陈巧敏,朱双强
论文发表刊物:《基层建设》2018年第6期
论文发表时间:2018/5/25
标签：稳态论文; 管网论文; 天然气论文; 管道论文; 目标论文; 技术论文; 模型论文; 《基层建设》2018年第6期论文;