输气管道最优化研究.pdf

北京石油化工学院学报
第20卷第1期
Vol 20 No. 1
ournal of Beijing Institute of
2012年3月
Mar.2012
Petro-chemical Technology
输气管道最优化研究
田野王岳郭士欢
辽宁石油化工大学石油天然气工程学院,辽宁抚顺113001)
摘
要简要的阐述了天然气使用的前景及特点,着重以管道部门收益最大化为目标函数
进行研究和分析,综合考虑上游生产条件、下游用气条件以及管道系统的工况条件,建立了管道系统优
化运行数学模型,并使用单纯形法对模型进行求解和分析。最后对河北某燃气公司的现场数据进行计
算和分析,验证了模型和算法的正确性和可行性,对燃气管道系统优化领域具有一定的参考价值
关键词收益最大化;研究;分析;数学模型;单纯形法
中图法分类号TE937
美国早在20世纪60年代初就开始进行干开采出来的天然气,然后通过分离、计量、净化、
线输气管道优化运行研究。经过几十年的发配气、増压等一整套单元工艺装置的配合与合
展,美国、英国、俄罗斯等天然气工业发达的国理安排,输送到用户或长输管道首站。其组成
家已经形成了一套比较完整的输气管道优化运包括井场、集气管网、集气站、天然气处理场、总
行的理论和方法,并且已将其应用到输气管线站或增压站等。笔者主要从经济方面入手,研
的生产实践中。1967年,科罗拉多州际天然究如何根据上游生产部门的购气价格、下游用
气公司根据美国燃气协会(AGA)的研究成果户的售气价格、管道系统的运营价格以及他们
开发了输气管网优化运行软件。根据预测,在的特点,制定出科学的调度运行方案。
该公司的输气管网上使用该软件后节约的自耗1.1目标函数
气量最多可达到管网总输气量的2%左右2。
以下游用户的售气费用减去上游购气费用
1982年,M. Piekarski对波兰的输气管网进行和管网压缩机的费用的最大值为目标函数:
运行方案优化,预计其能耗将降低13%左右,
maxf-), EQ,->u,BN,
大约相当于该管网总输气量的0.16%。194式中:Q,表示第i节点进(分)气量,取分气为
年,美国西部的PGT( Pacific Gas正,进气为负,如果没有进(分)气量时取0;er
Transmission Co.)与加拿大的ANG( Alberta表示第节点购气和销气的费用系数;N表示
Natural Gas Co.Ltd)公司采用GSE( Gilmour第个压缩机站的功率;B表示与第i个压缩
Systems Engineering)公司设计的优化软件对机站功率有关的费用系数;N。表示管道系统节
其所拥有的管网进行优化,结果表明低输量下点数;N2表示管道系统中压机站的总数。前期
能节省8%的能耗,即每年节省130万美元;高的投入费用,如勘探开发费用、管道投资费用、
输量下可节省12%,即每年节省270万美管道运营费用等因素都由各节点的购气和销气
出此可见管网优化运行对节约能耗和提费用系数表示。压缩机站的用气量、维修、损
高经济效益是必不可少的。
耗、维护等因素都由B表示
管网系统的数学模型建立
.2约束条件
制定输气方案时要对管网工艺多方面因素
天然气技术管道系统主要负责收集从井口进行考虑,天然气作为储藏在地下的资源,与地
面管网连接,需要考虑上游供气压力和下游用
收稿日期:2011-09-29
气压力的限制,同时还要满足管道压力小于管
第1期
日野等.输气管道最优化研究
道的极限压力。由于天然气生产过程的相对稳1.2.6压缩机方程
定性和用户用气的不均衡性,因此针对不同的
天然气经过压缩机增压,满足下列方程:
情况,需要在管道末段部分考虑地上储气设施、
e=/[Qn,(
地下储气库等进行调峰,充分利用管道的输气
能力。这样在天然气用量的不同时期对压缩机
n=f2.
的功率也有不同要求,由于输气管线一般较长,
天然气在沿管道流动过程中压力不断降低,则
=f3 Q
需要在管道中间设置増压站,以确保天然气终
点的输送。所以对压缩机的功率有一定的约束
Q=Q
等。下面列出一些不等式进一步分析
n/Z。R。T
1.2.1进(分)气量约東
ZRTT
Qmin < Q: Q:max(i=1, 2, N) (2
式中:Q,表示第节点进(分)气量;第i节点允
许的最小进(分)气量表示为Qm;第立节点允式中:Q。为对比流量:Q为压缩机进口气体流
量;no为压缩机额定转速;为压缩机的实际转
许的最大进(分)气量表示为Q。m。
速;(n/7o)m为压缩机对比相对转速;1为压缩
1.2.2进(分)气压约束
机进口状态下气体密度;(N/a1)m为压缩机对
Pmin≤P;≤P2max(i=1,2,…N)(3)
比相对功率;Z。为对比条件下,气体进口状态
式中:P:则表示第i节点压力应不低于第2节
下压缩系数;T。为对比条件下气体进口温度;
点的最小压力Pmm,不高于第i节点的允许最R。为对比条件下气体常数;Z1为气体进口压
大压力Pim
缩系数;T1为实际气体进口温度;R为实际气
1.2.3压缩机站功率约束
体常数。
Nmm≤N:≤Nmax(i=1,2,…N)(4)1.2.7非管元件方程
式中N;则表示第立个压缩机站的功率,其它符
除压缩机计算方程外,还包括阀门、储气
号意义同上
罐、站场等一些复杂的非管元件,下面给出了基
1.2.4输气管道强度约束
本的非管元件一般模型
设管道总数为N,则管道k中的压力Pk
F(P:n, Pou, M)=O
(8
必须小于管线的最大允许操作压力Pmx,即
式中:F表示非管元件的一般模型;非管元件人
PA≤ PA(k=1,2,…Np)(5)口的压力用Pn表示;非管元件出口的压力用
式(5)表示管道k中实际最大压力Pメ不能大于Pm表示;流经非管元件的流量用M表示。
管道k中允许的最大压力Pmx。N2表示管道1.2.8管网节点气体流量平衡方程
的总数。
对管网内的任意节点来说都要遵守质量守
2.5管道压力降方程
恒定律,即流入的气体等于流出的气体,两者代
天然气在管道中运行,应该满足流量与两数和为零,即
端压力之间关系:
(9
xLPa(1ーd1△h)ーP」D
为了方便问题求解,将变量、目标函数、约
M=4 V ARZTI[1ー(a△b/2)(6)東条件写成线性规划的一般形式。设优化变量
式中:P。表示管道计算段起点压力;P2表示管用ェ表示,则
道计算段终点压力;M表示管道内天然气流
X
量;T表示天然气平均温度;L表示管道计算段Q,2Q2…かQxnM1M。MxN1N2…Nw
的长度;D管道内径;△h表示管道计算段始末
(10)
两端高程差;z表示天然气压缩系数;C1表示优化问题一般形式可写成:
计算系数;R表示天然气气体常数;λ表示管道
minf(c)
(11)
水力摩阻系数。
h;(x)=0(i=1,2,…,M)(12)