曹月蕊(吉林油田勘察設(shè)計院，吉林 松原 138000)

氣田集輸管網(wǎng)優(yōu)化運行方案的設(shè)計

曹月蕊(吉林油田勘察設(shè)計院，吉林 松原 138000)

本文通過綜合考慮壓縮機站、氣田集輸管網(wǎng)的實際運行情況，充分考慮全部約束條件，以實現(xiàn)管網(wǎng)中所有壓縮機站能源消耗總量的最小化為目標，建立了氣田集輸管網(wǎng)優(yōu)化運行方案的數(shù)學(xué)模型，通過應(yīng)用科學(xué)的混沌遺傳算法進行模型計算，最終得到最終的優(yōu)化運行方案。同時經(jīng)過實踐發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化運行方案數(shù)學(xué)模型、混沌遺傳算法均具有良好的實用性、有效性。

氣田集輸管網(wǎng)；優(yōu)化運行方案；天然氣運輸

為了解決天然氣資源區(qū)域分布不均、城市天然氣資源供求矛盾等問題，我國逐漸加強了對天然氣集輸管網(wǎng)的建設(shè)。氣田集輸管網(wǎng)是我國天然氣集輸管網(wǎng)體系中的重要組成部分，其主要包括天然氣處理廠、壓縮機站、集氣站以及氣井四個不同的單元，單元之間主要通過管道連接。為提高氣田地面工程的經(jīng)濟效益，必須加強對氣田集輸管網(wǎng)的優(yōu)化運行設(shè)計，同時也有利于減少天然氣在運輸過程中的壓力損耗，實現(xiàn)能源節(jié)約、環(huán)境保護。下文中，筆者主要探討了氣田集輸管網(wǎng)的優(yōu)化運行方案，以供參考。

1 建立優(yōu)化運行方案數(shù)學(xué)模型

氣田集輸管網(wǎng)的運行過程中，通常情況下會受到多種因素的影響，例如，壓縮機站配置情況與壓縮機運行參數(shù)、氣源的分布情況、用戶的用氣量與用氣壓力需求以及管網(wǎng)輸送能力等。優(yōu)化運行方案的主要內(nèi)容包括，實現(xiàn)集輸管網(wǎng)運行參數(shù)的優(yōu)化、實現(xiàn)壓縮機運行參數(shù)的優(yōu)化、確保壓縮機站開機臺數(shù)合理，其目的在于，降低壓縮機站的能源消耗與運行成本[1]。根據(jù)現(xiàn)階段氣田集輸管網(wǎng)的實際運行情況，以實現(xiàn)管網(wǎng)中所有壓縮機站能源消耗總量的最小化為目標，在符合如下3個假設(shè)條件的前提下：壓縮機型號相同、壓縮機之間并聯(lián)連接、開機臺數(shù)始終≥1臺，建立優(yōu)化運行方案數(shù)學(xué)模型，函數(shù)式如下：

式中：i為氣田集輸管網(wǎng)中壓縮機站的進氣節(jié)點編號；j為排氣節(jié)點編號；ε為進氣、排氣節(jié)點編號(i、j)構(gòu)成的集合；Qij為壓縮機站中的總流量(m3/s)；Zi為壓縮機處于進氣狀態(tài)中的時候，天然氣所具有的壓縮系數(shù)；Ti為壓縮機的進口溫度(K)；pi為進氣壓力(MPa)；pj為排氣壓力(MPa)；ω=(k-1)/k，k為是絕熱系數(shù)；ηij為壓縮機的效率。

設(shè)計優(yōu)化運行方案的過程中，必須確保其切實符合氣田的資源分布狀況、能夠切實滿足用戶的用戶壓力、用氣量需求，與此同時，也要確保壓縮機站的實際運行參數(shù)始終保持在合理范圍之內(nèi)。除此之外，相關(guān)研究學(xué)者在進行氣田集輸管網(wǎng)優(yōu)化運行方案設(shè)計的過程中，提出了相應(yīng)的約束條件，主要有節(jié)點流量平衡、管道強度限制等方面的數(shù)學(xué)描述。

2 模型求解方法

針對上述所建立的氣田集輸管網(wǎng)優(yōu)化運行方案數(shù)學(xué)模型進行分析，可以發(fā)現(xiàn)其是一個較為復(fù)雜的多維非線性問題[2]。進行數(shù)學(xué)模型求解的過程中，國內(nèi)外大部分研究學(xué)者普遍運用非線性混合規(guī)劃法，但在氣田集輸管網(wǎng)規(guī)模越來越大的今天，也逐漸提高了對計算機存儲量的要求，進而導(dǎo)致初始可行解很難得到有效的確定，基于這樣的原因，進行計算的時候，極易出現(xiàn)死循環(huán)的問題。面對這樣的現(xiàn)象，相關(guān)研究學(xué)者有機結(jié)合了混沌優(yōu)化方法的便利性、遺傳算法的搜索機制，成立了混沌遺傳算法，在混沌遺傳算法下，模型求解的步驟如下：

①明確管網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、管網(wǎng)節(jié)點與壓縮機的運行邊界條件、天然氣的物性參數(shù)，在綜合考慮以上因素的前提下，制定水力計算的方法；②確定算法的結(jié)束循環(huán)代數(shù)以及種群數(shù)目，同時充分考慮算法中要用到的初始交叉概率以及變異概率，按照混沌序列，從而產(chǎn)生一組初始優(yōu)化運行方案，并評估其優(yōu)劣，從中擇優(yōu)選出幾個較為理想的初始優(yōu)化運行方案，組建初始遺產(chǎn)算法種群[3]；③構(gòu)建罰函數(shù)，計算當前方案的適應(yīng)度、好壞，選出目標函數(shù)值最優(yōu)、可以滿足所有約束條件的方案，并將其作為當前最優(yōu)解；④對當前的優(yōu)化運行方案進行選擇操作，并與最佳保留策略進行結(jié)合，將其作為當前方案；⑤對交叉概率以及變異概率進行自適應(yīng)調(diào)整、動態(tài)調(diào)整，并將調(diào)整后的交叉概率以及變異概率當作主要根據(jù)，對(④)中的方案進行混沌優(yōu)化交叉、變異操作；⑥綜合評估上述步驟中的運行方案，判斷其是否能夠達到預(yù)期的最大循環(huán)代數(shù)，并檢查最優(yōu)解經(jīng)過多次迭代的情況下運行方案有沒有變化，若沒有發(fā)生變化，則可進入下一步驟，若發(fā)生變化，則重新轉(zhuǎn)向(③)；⑦將當前最優(yōu)解作為優(yōu)化運行方案數(shù)學(xué)模型的解，得到最終的氣田集輸管網(wǎng)優(yōu)化運行方案。實踐發(fā)現(xiàn)，上述優(yōu)化運行方案模型、算法具有實用性、有效性。

3 結(jié)語

氣田集輸管網(wǎng)在進行運行的過程中，提供能量的通常是壓縮機站，從而預(yù)防天然氣在管道中流動時發(fā)生壓力損耗，進而避免不必要的資源浪費。氣田集輸管網(wǎng)的空間范圍較大，氣田各區(qū)塊的產(chǎn)量、壓力處于不斷變化的狀態(tài)下，同時，用戶的用氣量、用氣壓力存在很大的不確定性，所以，必須適當調(diào)整各壓縮機站的開機臺數(shù)以及運行參數(shù)，以便于在確保氣田集輸管網(wǎng)可以良好地完成輸氣任務(wù)的同時，實現(xiàn)壓縮機站能源消耗量的降低。

[1]孫立新.淺析氣田集輸管網(wǎng)的優(yōu)化運行方案[J].化工管理,2016，(17)：24.

[2]李學(xué)軍.長輸管道天然氣集輸管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計[J].油氣田地面工程,2015，(04)：24-26.

[3]王洪元,卜瑩,潘操.基于遺傳蟻群算法的氣田集輸管網(wǎng)優(yōu)化方法[J].計算機與應(yīng)用化學(xué),2012，(12)：1495-1498.

曹月蕊(1983- )，女，漢，助理工程師，本科，主要從事油氣集輸設(shè)計工作 。