?

管道科技研究中心天然氣管網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)

天然氣管網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化是最優(yōu)化技術(shù)在管輸生產(chǎn)中的具體實(shí)踐，其本質(zhì)是在管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和外部條件已知的情況下，根據(jù)氣源的供氣和用戶的用氣需求，考慮一定的限制條件，對(duì)管道系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，有效地進(jìn)行調(diào)度管理，使管網(wǎng)工作狀況滿足最優(yōu)準(zhǔn)則要求，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、安全、平穩(wěn)輸氣的目的。

國(guó)外已形成管道（網(wǎng)）運(yùn)行優(yōu)化的商業(yè)軟件，如DNV GL公司的SynerGEE-Gas、ESI公司的Pipeline Optimizer、Gregg公司的FlowDesk等；在國(guó)內(nèi)，管道運(yùn)營(yíng)單位和石油院校聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一些專用的管道優(yōu)化軟件，如WEGPOPT和SimuOpt2007等，這些具體管道優(yōu)化軟件對(duì)于提高管道運(yùn)行水平起到重大作用，但無(wú)法解決我國(guó)大規(guī)模復(fù)雜天然氣管網(wǎng)的運(yùn)行優(yōu)化難題。

由于天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化屬于典型混合整數(shù)非線性規(guī)劃問(wèn)題（Mixed Integer Nonlinear Programming，縮寫為MINLP），主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：①輸氣管網(wǎng)的運(yùn)行方案主要由以下四類變量決定，即：壓氣站的出站壓力、管網(wǎng)中的流量、站內(nèi)壓縮機(jī)的啟停以及截?cái)嚅y的開(kāi)閉。②約束條件主要有：管道承壓上限、管流基本方程、壓縮機(jī)可行域、壓氣站進(jìn)出站壓力上下限、用戶合同壓力和流量等。目前，尚未有一類合適的算法和求解器能夠有效求解大規(guī)模的MINLP問(wèn)題，MINLP問(wèn)題在求解上依然有許多瓶頸尚未突破。

管道科技研究中心于2013年開(kāi)始研究管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)，旨在計(jì)算中國(guó)石油骨干管網(wǎng)在特定工況下的最優(yōu)運(yùn)行方案。綜合考慮問(wèn)題的難度、生產(chǎn)的急迫性和國(guó)內(nèi)外研究情況等多方面因素，優(yōu)化項(xiàng)目組制定了管網(wǎng)定制優(yōu)化及管網(wǎng)通用優(yōu)化兩條技術(shù)路線，分別滿足短期優(yōu)化生產(chǎn)需求和長(zhǎng)期管網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展。

（1）管網(wǎng)定制優(yōu)化技術(shù)路線

由于中國(guó)石油骨干管網(wǎng)具有規(guī)模大以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，直接進(jìn)行優(yōu)化求解較為困難。中國(guó)石油管道科技研究中心自主開(kāi)發(fā)了管網(wǎng)定制優(yōu)化引擎，能夠?qū)歉晒芫W(wǎng)進(jìn)行區(qū)域系統(tǒng)優(yōu)化，現(xiàn)已進(jìn)入生產(chǎn)測(cè)試環(huán)節(jié)。區(qū)域系統(tǒng)優(yōu)化指的是按照地理位置、管網(wǎng)關(guān)聯(lián)程度等因素，將整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)分成幾個(gè)區(qū)域子系統(tǒng)，采用DP算法進(jìn)行優(yōu)化。下面以西部管廊作為目標(biāo)管網(wǎng)，進(jìn)行定制優(yōu)化技術(shù)的說(shuō)明。西部管廊管網(wǎng)系統(tǒng)包含西氣東輸一線西段、西氣東輸二線西段、西氣東輸三線西段和輪吐支線，包括27座壓氣站，總里程超過(guò)7000公里。

基于西部管廊連接方式以及紅柳站轉(zhuǎn)供流程，定制優(yōu)化引擎中對(duì)紅柳聯(lián)絡(luò)站做出簡(jiǎn)化處理，將紅柳聯(lián)絡(luò)站轉(zhuǎn)供量作為輸量臺(tái)階處理，即西一線和西二三線（聯(lián)合運(yùn)行）在紅柳站的連接斷開(kāi)，此時(shí)，西部管廊簡(jiǎn)化為流向確定的支狀管網(wǎng)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。依據(jù)關(guān)鍵分支點(diǎn)將管網(wǎng)拆分后，按照流向，分別應(yīng)用DP求解每條分支，最終回溯得到管網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化方案。

圖2 西部管廊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖3 通用性管網(wǎng)優(yōu)化方法技術(shù)路線

（2）管網(wǎng)通用優(yōu)化技術(shù)路線

考慮到中石油天然氣與管道業(yè)務(wù)的持續(xù)發(fā)展，中國(guó)石油管道科技研究中心正組織力量開(kāi)發(fā)管網(wǎng)通用優(yōu)化引擎，用來(lái)計(jì)算任意結(jié)構(gòu)大規(guī)模管網(wǎng)的最優(yōu)運(yùn)行方案，目前正在進(jìn)行算例測(cè)試的工作。管網(wǎng)通用優(yōu)化引擎采用的是動(dòng)態(tài)規(guī)劃法與線性化技術(shù)結(jié)合的方法，整體路線如圖3所示：首先，將整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行重構(gòu)，拆分為若干管鏈及聯(lián)接他們的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，每條管鏈中不含有任何分支和環(huán)狀結(jié)構(gòu)。如圖4所示，原管網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)重構(gòu)后形成了7個(gè)虛擬壓縮機(jī)站以及8個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

圖4 管網(wǎng)重構(gòu)示意圖

其次，MINLP模型線性化近似。經(jīng)過(guò)管網(wǎng)重構(gòu)和線性化之后，非線性、非凸的管道和壓縮機(jī)的約束都在這個(gè)過(guò)程中被處理掉了，原MINLP問(wèn)題就被轉(zhuǎn)化成了一個(gè)混合整數(shù)線性規(guī)劃問(wèn)題（Mixed Integer Linear Programming，縮寫為MILP）。由于并不需要對(duì)每個(gè)壓縮機(jī)和管段都進(jìn)行線性化，只需要對(duì)重構(gòu)后的虛擬壓縮機(jī)進(jìn)行線性化。因此大幅度提高了算法的計(jì)算效率，并且減少了因線性化帶來(lái)的計(jì)算誤差。新的MILP模型的規(guī)模也比原MINLP的規(guī)模大大減小、求解難度大幅降低，可以采用MILP求解器（如Cplex、Gurobi等）進(jìn)行計(jì)算。對(duì)MILP求解可以得到各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)壓力和最優(yōu)進(jìn)、出節(jié)點(diǎn)流量。最后一步需要通過(guò)各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)值回溯出管鏈內(nèi)每個(gè)壓氣站的最優(yōu)出站壓力和開(kāi)機(jī)方案，這個(gè)過(guò)程仍需要調(diào)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法。

目前，中國(guó)石油管道科技研究中心研發(fā)的管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行優(yōu)化引擎已經(jīng)集成到北京油氣調(diào)控中心綜合優(yōu)化平臺(tái)，成為穩(wěn)態(tài)月度方案制定的重要輔助工具。穩(wěn)態(tài)月度方案主要包括每條管道的輸量分配表和工藝參數(shù)表。應(yīng)用西部管廊定制優(yōu)化引擎，可以制定西氣東輸一線、西氣東輸二線三線（聯(lián)合運(yùn)行）的輸量分配表，同時(shí)，該定制方法具備推廣到陜京系統(tǒng)和長(zhǎng)三角局部管網(wǎng)的條件，未來(lái)可以滿足中國(guó)石油骨干天然氣管網(wǎng)的輸量分配表制定。輸量分配表確定后，對(duì)于任意管道應(yīng)用管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行優(yōu)化引擎可以得到最優(yōu)的工藝參數(shù)表。優(yōu)化后，目標(biāo)管道典型輸量下穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方案具有2%左右的優(yōu)化空間。同時(shí)，由于掌握了穩(wěn)態(tài)運(yùn)行優(yōu)化的核心技術(shù)，能夠滿足生產(chǎn)的特定需求，如站內(nèi)優(yōu)化、越站和指定開(kāi)機(jī)等。

李博 柳建軍 管道科技研究中心工藝所