译稿正文(长输气管道干线优化方案)

介绍第1页（共29页）天然气管网干线优化设计方案袁英俊，刘庆荣，周卫国，BillBatty，高伟军，任建新，渡辺としきa，中国上海同济大学机电工程学院b，中国上海电力大学电力与能源工程学院c，日本九州大学人与环境研究院[摘要]随着西气东输工程的启动，中国的天然气管道建设迎来了新的时期。天然气输气管道建设向着大管径，高压力和长距离设计方向迈进。如此同时，天然气管网的生命周期成本也相应增加。干线系统作为整个管网中一个重要的部分，通常占整个管网系统总投资的80%。其建设费用一般取决于管道的运行参数。因此，依据管网特性，对其进行优化设计变得必不可少。本文综合考虑各种影响天然气输气系统建设总投资的因素（这些因素包括管道直径，厚度，压力，长度，压缩率等等），建立起一个最优化设计的数学模型。从模型的两个连续变量和两个离散变量的特性出发，提出一个新的排名优化方法。根据这个模型，编制出高压力管网下一个简单的可视化优化程序。而且，在实际项目上对该模型的演化和实践后，通过对经营总投资中参数的分析，证实了本文中的仿真模型能够有效的解决高压干线系统的优化问题。1介绍据评估，中国的天然气主要分散在中部，西部和沿海地带，大概可开采储量3121004.38m。中部地区的可开采储量在3121052.11m左右，占总储量的30%以上，西部地区占28%。然而，随着中国东部地区经济快速发展，其能源消费量急剧上升，并引发了短期能源短缺现象。为了实现能源供应和需求的平衡，从西部地区向东部地区输送天然气变得刻不容缓。所以，中国政府已于2000年开始了西气东输工程项目的建设并在2005完成这一工程。其主干管道起于新疆轮南止于上海，穿越九省，全线绵延4000Km。从轮南到靖边的单管直径为1016mm，长度是从靖边到上海813mm直径管道的两倍。设计压力是10MPa，年供气量从31210120m每年增长到2005年的31210200m每年。在主干管网项目总投资超过了1000亿美元，这是中国继三峡大坝后最大的工程。天然气管网干线的优化设计方案第2页（共14页）随着西气东输建设开始，中国的天然气管道建设进入向着大管径、高压力、和长距离发展的新时代。天然气管网建设的投资也随之水涨船高。动则投资数十亿甚至上百亿的干网系统占系统总投资的80%。通常而言，天然气管网的投资的多少跟它运行参数有关，如管径大小和管壁厚度、介质压力、管线长度、介质压缩率等等。对于实际工程，选择不同的管径和压力将导致各方面成本的不同。由此可知，天然气管网设计不仅是选择先进的工艺也是选择合理的运行参数，利用数学模型设计来达到投资的最优化成为管网设计不可或缺的一部分。而且已经有很多人在这面进行了工作。Zhuetsl。开发了一种线性模型用来模拟和预测氧气管网。Manojlovid应用了逐次逼近方法来获得确定最佳天然气管网液压的方案，这个方案通过程进行重复迭代运算来获得最优值。里奥斯，梅尔卡多用实现两个阶段的启发式迭代多项式解决最低的天然气输送系统的燃料成本方案。首先，固定气体流量变量是，通过改变压力变量获得最佳值。接下来，固定压力变量，并尝试找到一套流变量，利用底层的网络结构提高目标函数。Wu等提出了基于两个模型的梯度搜索技术，改变压缩机和燃料成本函数，并获得一个较低的边界计划。卡斯蒂略用遗传算法来找到最经济的解决方案。他通过在管道气体流量等温及非等温模型数值解三种不同配合的守恒方程的基础上，对压力，焓，密度，熵和高度瞬变流流速等因变量和描述数值模式模拟流体含有多组分烃类混合物在压力管道网络的动力学下分析来实现。在一般情况下，这些研究使用的基于梯度的程序，动态方案或遗传算法解决优化问题。尽管可以保证找到全局最优解，但它仅限于简单的拓扑结构。基于梯度的程序和遗传算法是很难找到一个全局最优，它取决于特定的初始值。此外，在所有这些研究，全面的生命周期成本模型为高压力天然气管道系统，管道网络和压缩机站的审议，尚未完全开发。在本文中，考虑各种因素（直径，厚度，压力，长度，压缩比等）对燃气管网系统的生命周期成本有何影响，建立全面的数学模型优化设计。鉴于连续和离散变量模型的特点，新排名优化方法，本文提出的模型，其适用于高压管道的基础上优化方案已经开始编制。该方案已应用到实际的项目和经营中，并对总投资需求的参数进行了分析。优化模型第3页（共29页）2优化模型2.1系统主线结构图1是一个高压天然气系统的主干结构示意图，包括管道，升压站，净化设备，存储设备和供气终端。所有站中管道和压缩属于两个不可或缺的组成部分。管道输送气体，而压缩机提供动力，以维护天然气流。此外，根据一项调查显示管道压缩机在站建设中的投资份额，分别为50％和25％的总初始投资成本，并包括几乎所有的整体运行和维护成本。反映压缩机的属性的一个主要因素是压缩机所需的电源。它可以被定义如下GPPRTZkkNkkNoutNInNinNin1111（1）是气体压缩效率；它使用下面的表达式计算：11kkhhN（2）图1系统主线结构1气井；2集气站；3井场泵站；4净化厂；5管道起点压缩机站；6阀；7管道压缩机站；8终端压缩站；9储气设备；10配送站；11用户天然气管网干线的优化设计方案第4页（共14页）2.2优化目标参数目标参数的优化程度是评估一个项目优缺的标准。对于同一项目，可以根据不同的优化标准获得不同的最佳效果。高压燃气管网干线系统建设，涉及许多方面，如国家政策，经济，技术和环境。这些因素可以成为一个优化过程中的标指标。对于一个正在建设中的管道，可靠性是是保证工程技术最重要的标准，从而技术因素是任何项目进行评估时使用的一个重要指标。然而，技术上有很多可行选项是。例如，以同一年度交货的天然气运输，我们可以选择一个较小的口径管道和更多的压缩机站，或选择大口径管道和较低的压力和减少压缩机站。因此，最佳方案不能只由工程技术决定。项目评估，财务投资需求被认为是另外一些重要因素。可能存在许多潜在的方案，所有这些可行的技术，它们也可能有非常不同的金融投资需求。总之，生命周期成本被选定为高压输气管网的评价标准，成为主干线系统的优化选项。任何设备的生命周期成本（LCC）包括购买，安装，操作和维护成本。由于银行的利率，它可以随着时间的推移，价格和成本波动，项目的运行成本将随时间而改变。为了反映这一变化，系数被定义为通货膨胀调整并表示真正的投资盈利能力YraterateYrateiii)1(1)1(（3）生活周期成本包括高压天然气管道投资（LF）和压缩机站的投资（NF），即njNjmiLiNLFFFFF11（4）管道投资（LF）包括初始投资（LiniF）和运行投资（LrunF）；压缩机站投资（NF）包括初始投资（NiniF）和运行维护成本投资（intNmaF）和能源消耗成本（NrunF）。因此，下面的表达式可以定义：LrunLiniLFFF（5）)(intNrunNmaNiniNFFFF（6）约束条件第5页（共29页）)()(intNrunNmaNiniLrunLiniFFFFFF（7）每个符号的详细描述在附录1。从这些表达式可以得出结论，管线费用（LiF）取决于管径，厚度和长度，即iiiLiLDfF,,1（8）压缩机站的投资（NjF）决定压缩机的功率N和压缩比，即iiNjNfF,2（9）相应地，生命周期成本可以被定义为以下表达式njiimiiiiNfLDfF1211,,,（10）3约束条件3.1液压约束在高压天然气管网，压缩机提供压力差保持气体流动。据此两个压缩机之间的管道必须满足下列能量方程5205202022DLQCDLQTZCPPLLLoutLin（11）这里2022000016,4RTTZPCTRPCLla3.2强度约束在工作压力下的天然气管道第二管道内壁的垂直应力必须小于允许压力，这是说管道工作压力必须小于最大允许压力。将最大允许压力使用下列公式计算天然气管网干线的优化设计方案第6页（共14页）DPPd2max（12）3.3流态约束高压天然气管道的气体流太是在粗糙区，其中摩擦系数使用下面的表达式计算25.06811.0eRD（13）其中雷诺数eR计算如下DQDvQvDFQvwDRae44（14）此外，气体中粗糙区的雷诺应该比临界雷诺数大，即0eeRR（15）其中，第二临界雷诺计算使用以下的表达：5.10211DRe（16）3.4稳定约束为了保持管道稳定，管径管壁厚度比通常超过110，即110D（17）约束条件第7页（共29页）3.5压缩比约束为了确保压缩机在额定功率运行，压缩机压缩比范围必须符合下列要求maxmin（18）3.6管系约束管道的直径和厚度存在特别是在不同的国家系列。这些系列如下),(,...21ggiDDD),(,...21ggi（19）3.7站间距约束两个压缩机站之间的距离是管道网络设计的一个重要因素，因为它直接决定生命周期成本。太短会增加压缩机站的数量，从而导致压缩机站的初始投资和维护成本暴涨。太长，会要求提高压缩机的增压能力，从而导致能耗成本上升。根据实际的工程经验，最合理的两个压缩机站之间的距离是从120至160公里。也就是说160120iL（20）3.8压缩机站约束根据公式（20），压缩站的数量必须满足以下的能量方程，并为整数：120/160/LNL（21）3.9数学模型优化通过上述分析，高压燃气管网主干线系统的优化模型可以描述njiimiiiiNfLDfmainF1211,,,..tS天然气管网干线的优化设计方案第8页（共14页）52022iiiLoutLinDLQCPP160120iLiisdDPP2max0eeRR110iiDmaxmin),(,...21ggiDDD),(,...21ggi120/160/LnL4方案从优化模型，就可以看出端倪，优化目标函数不仅包括连续变量，如长度，压力和温度，但也如直径，压缩机站的数量，厚度等离散变量。对于这些混合离散变量函数，提出混合离散优化的方法。然而，这种方法依赖于初始值，它是很难收敛到一个正常优化值。排名优化方法是根据模型的特点逐步减少变量值的范围。例如，首先输入整个系列的管道直径和厚度，然后计算第一直径系列的雷诺数。如果不能满足雷诺数流动状态，这个管径系列将被取消。以这种方式，将评估每一直径系列。随着管径系列减少，合适的管道直径将取得。同样的方法评估所有的离散参数。最后，得到最佳的结果。方案第9页（共29页）图2高压管路设计流程基于上述理论，遵守适用的高压管道的优化方案。如流程图2所示的程序，优化过程描述如下第1步：输入整个管径系列。对直径进行评估，以确定是否满足表达（15）流动状态如果0eeRR，这个管径系列将取消，否则进入下一流程。每个直径系列将会以这种方式评估。因此，将得到一个新的减少后的管径系列。第2步：输入整个管道厚度系列，结合在第1步得到的一系列的新管道直径。进行强度和稳定性评估，分别根据表达式（12）（17），如果maxPPd且110D，将保留该厚度，否则，取消该厚度系列。使用这种方法，获得一个新的减少厚度系列和相应直径系列的管道。第3步：考虑在第2步取得的直径系列。压缩机站的整数系列和相应的管道压缩机站数量都由式（21）获得。根据表达（11）对压缩比进行评估，并确定他们是否满足直径压缩比义务。如果maxmin，该压缩比将被保留，将可以获得相应的直径天然气管网干线的优化设计方案第10页（共14页）和管道长。生命周期成本可以据此每个直径及其相应的厚度组合计算和比较，可以实现最低的成本和相应的参数优化。第4步：每个系列的直径达到2步在第3步中所述，将评估并获得最低的成本和相应的优化参数。最后，比较这些成本