摘要：采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法，利用SynerGEE Gas軟件建立川氣東送管道模型并進(jìn)行優(yōu)化分析，通過(guò)對(duì)比管道實(shí)際運(yùn)行方案和動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法優(yōu)化方案，發(fā)現(xiàn)管道實(shí)際運(yùn)行方案可優(yōu)化空間較大，平均可減少電力能耗費(fèi)用約3萬(wàn)元/d。同時(shí)驗(yàn)證了輸氣管道優(yōu)化問(wèn)題可以應(yīng)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法來(lái)解決?？偨Y(jié)出管道優(yōu)化運(yùn)行的基本規(guī)律，對(duì)管道未來(lái)運(yùn)行調(diào)度具有參考作用。

關(guān)鍵詞：輸氣管道；動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法；運(yùn)行優(yōu)化；能耗； SynerGEE Gas 軟件

0 引言

輸氣管道的動(dòng)力由壓縮機(jī)提供，而壓縮機(jī)耗能巨大。能耗費(fèi)用在很大程度上取決于管道的壓氣站運(yùn)行方案，因此降低管道運(yùn)行費(fèi)用的主要途徑就是合理選擇壓氣站運(yùn)行方案。減小輸氣能耗不僅可以節(jié)省大量的運(yùn)行成本，降低壓縮機(jī)的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，而且還可以減少CO2等的排放，有利于環(huán)境保護(hù)[1]。

1 工程概況

川氣東送管道于2009年建成投產(chǎn)，管道主干線長(zhǎng)1 631 km，管徑1 016 mm，設(shè)計(jì)壓力10 MPa，管道設(shè)計(jì)輸量1.20×1010m3/a。隨著2017年增壓一期工程建成投產(chǎn)，全線管道壓氣站數(shù)量將達(dá)到7座，壓縮機(jī)數(shù)量達(dá)到27臺(tái)，輸氣規(guī)模達(dá)到1.52×1010 m3/a。

圖1 管道氣源及壓氣站分布示意圖

管道沿線氣源及壓氣站分布見(jiàn)圖1。壓縮機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1 。

表1 全線壓縮機(jī)參數(shù)表

壓氣站驅(qū)動(dòng)方式功率等級(jí)/MW機(jī)組配置備注1#電驅(qū)7．22+1已建2#電驅(qū)7．22+1增壓工程3#電驅(qū)7．23+1已建4#電驅(qū)11．02+1增壓工程5#電驅(qū)7．23+1已建6#電驅(qū)11．02+1增壓工程7#電驅(qū)7．56+1增壓工程

2 動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法應(yīng)用

目前，輸氣管道常用的運(yùn)行最優(yōu)化方法有動(dòng)態(tài)規(guī)劃法(DP)、線形混合整數(shù)規(guī)劃法(MILP)、非線形混合整數(shù)規(guī)劃法(MINLP)、模擬退火法(SA)、專家系統(tǒng)等。其中動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法是解決油氣管道領(lǐng)域優(yōu)化問(wèn)題常用的運(yùn)籌學(xué)方法。

動(dòng)態(tài)規(guī)劃(dynamic programming)是解決多階段決策過(guò)程最優(yōu)化問(wèn)題的一種方法。常把動(dòng)態(tài)規(guī)劃問(wèn)題分解成若干個(gè)相互關(guān)聯(lián)的連續(xù)階段或若干個(gè)子系統(tǒng)處理，使整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)預(yù)期的最優(yōu)目標(biāo)[2]。輸氣管道優(yōu)化設(shè)計(jì)中的管道線路走向問(wèn)題和全線壓縮機(jī)組合問(wèn)題可以應(yīng)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法來(lái)解決。

動(dòng)態(tài)規(guī)劃的基本要素包括：階段劃分、狀態(tài)變量、決策變量、策略、狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程、階段效益函數(shù)和指標(biāo)函數(shù)。

(1)階段劃分。根據(jù)動(dòng)態(tài)規(guī)劃的理論，假設(shè)全線壓氣站的數(shù)量為n，則將上一站的出口至本站的出口視為一個(gè)階段，整條管線的全過(guò)程可以劃分n+1個(gè)階段。而首站和末站較特殊，第一階段只有站內(nèi)壓縮機(jī)計(jì)算，最后一段只有管道水力、熱力計(jì)算，其余中間各站既有站間水力熱力計(jì)算又有站內(nèi)壓縮機(jī)計(jì)算。

(2)狀態(tài)變量。本文選定狀態(tài)變量為各個(gè)壓氣站的出站壓力。

Xk=pdk-1,k=2～n+1

(1)

(3)決策變量。給定某一階段的狀態(tài)后，從該狀態(tài)到下一階段的某一狀態(tài)的一種選擇稱為決策，可以用一個(gè)或一組變量來(lái)描述決策，稱為決策變量。本文選定決策變量為各個(gè)站的壓比。

dk=εk,k=1～n

(2)

(4)策略。在從第k階段開(kāi)始的k子過(guò)程中，由每階段的決策組成的決策函數(shù)序列稱為k子過(guò)程策略，k=1時(shí)的決策函數(shù)序列稱為全過(guò)程策略。

(5)狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程。第k+1階段的狀態(tài)變量由第k階段的狀態(tài)變量和決策變量確定，把第k階段的狀態(tài)變量、決策變量和第k+1階段的狀態(tài)變量的對(duì)應(yīng)關(guān)系表示為狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程。針對(duì)管道而言，壓力的變化由站內(nèi)壓縮機(jī)做功和沿線能耗損失兩部分共同決定，一般來(lái)說(shuō)，兩者之間可以達(dá)到一種平衡。

Xk=Tk(Xk+1,dk),k=1～n

(3)

(6)階段效益函數(shù)。文中的階段效益函數(shù)是針對(duì)第k階段的能耗而言的，能耗是上一站出站壓力和該站壓比的函數(shù)。

Vk=Ck(dk,Xk+1),k=1～n

(4)

(7)指標(biāo)函數(shù)。文中的指標(biāo)函數(shù)為全線能耗值，最優(yōu)指標(biāo)函數(shù)是第k子過(guò)程中的指標(biāo)函數(shù)的最小值。

(5)

(6)

(8)最優(yōu)指標(biāo)函數(shù)遞推方程見(jiàn)式(7)。

fk(Xk+1)={fk-1(Xk)+Ck(Xk+1,dk)},k=1～n

(7)

(9)初始條件見(jiàn)式(8)、式(9)。

X1=pd0

(8)

式中pd0為氣源的供氣壓力。

f0(X1)=0

(9)

圖2 動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法遞推模型

3 工程應(yīng)用分析

選取SynerGEE Gas軟件建立川氣東送管道動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型對(duì)管道進(jìn)行運(yùn)行方案優(yōu)化。

SynerGEE Gas軟件氣體穩(wěn)態(tài)優(yōu)化模塊可以采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法來(lái)進(jìn)行天然氣長(zhǎng)輸管道運(yùn)行優(yōu)化。優(yōu)化模塊常用的功能是燃料消耗最小化和燃料費(fèi)用最小化。利用SynerGEE Gas軟件建立的管道模型見(jiàn)圖3。

圖3 利用SynerGEE Gas軟件建立管道模型窗口

本管道壓氣站壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力上、下限的求解由末端向前逐站利用流量-壓降公式遞推得到。首先由終點(diǎn)用戶要求的壓力下限5.0 MPa及末端流量計(jì)算出最后一座壓氣站的出站壓力下限，然后利用該值除以該站輸量下的最高壓比得到該站進(jìn)口壓力下限，進(jìn)而求得上一站的出站壓力下限，依此推至首站。壓力上限則由該管段的設(shè)計(jì)壓力確定。

以管道2016年1～6月實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以全線壓氣站功率最低為優(yōu)化目標(biāo)，利用SynerGEE Gas軟件對(duì)實(shí)際運(yùn)行方案進(jìn)行優(yōu)化，部分對(duì)比情況見(jiàn)表2。通過(guò)對(duì)比分析可以看出，管道實(shí)際運(yùn)行方案可優(yōu)化空間較大，若按照動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法推薦的運(yùn)行方案運(yùn)行，平均減少電力能耗費(fèi)用約3萬(wàn)元/d。模型中均輸入了壓縮機(jī)的機(jī)芯參數(shù)。

表2 管道仿真運(yùn)行優(yōu)化方案與實(shí)際方案對(duì)比

輸量/(104m3·d-1)實(shí)際運(yùn)行功率/MW采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法優(yōu)化功率/MW優(yōu)化率/%減少能耗費(fèi)用/(萬(wàn)元·d-1)2970．342．9942．062．161．792949．741．5540．422．722．172496．327．9326．285．913．172140．222．5719．7812．365．362244．823．5422．185．782．611772．016．4215．555．301．67

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)為避免能量浪費(fèi)，管道最后一個(gè)壓氣站壓縮機(jī)出口壓力只需滿足管網(wǎng)最不利點(diǎn)最低壓力要求即可[3-4]。

(2)管道在較高的平均壓力下運(yùn)行，流速小，摩阻低，壓力損失小，因此管道應(yīng)盡可能維持在較高的平均壓力下運(yùn)行。

(3)管道在低輸量下運(yùn)行，可優(yōu)化空間較大；管道在輸量達(dá)到設(shè)計(jì)輸量后，可優(yōu)化空間較小。

(4)建議在輸氣管道前期設(shè)計(jì)階段就進(jìn)行輸氣管道優(yōu)化運(yùn)行研究，有利于實(shí)現(xiàn)高效輸氣。

參考文獻(xiàn)：

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[2] CARTER R G. Pipeline optimization：Dynamic programming after 30 years[C]. 30th PSIG Annual Meeting, Denver,1998.

[3] 吳長(zhǎng)春，楊廷勝.“西氣東輸”管道工藝運(yùn)行方案優(yōu)化[J].天然氣工業(yè),2004,24(11)：127-130.

[4] 李玉星，姚光鎮(zhèn). 輸氣管道設(shè)計(jì)與管理[M] .東營(yíng): 中國(guó)石油大學(xué)出版社, 2009.

Optimization Application Research of Pipeline Operation via Dynamic Programming Algorithm

LI Xin-ze

(Sinopec Petroleum Engineering Corporation， Dongying 257000, China)

Abstract:The software SynerGEE was used to build Sichuan to East Gas Pipeline Project pipeline module by dynamic programming algorithm and was optimal analyzed. Through comparing actual running scheme of pipeline and dynamic programming algorithm optimal scheme. It is found that the actual running scheme of the pipeline has huge optimization potential and saved electricity energy comsumption about 30 000 yuan per day. The result shows that the solution of optimization of gas pipeline could be solved via dynamic programming algorithm. Basic rules on optimizing operation are proposed, which provide the reference for the operation dispatching of pipeline in the future.