一种子空间投影的天然气管网调度算法_董莎莎.pdf
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1、 ()年 第 卷 第 期 收稿日期:基金项目:中国石油西南油气田分公司技术开发项目()作者简介:董莎莎,女,工程师,主要从事集输工艺研究,-:;通信作者 廖勇,男,博士,副研究员,主要从事无线通信、人工智能研究,-:。本文引用格式:董莎莎,邓志刚,何志强,等 一种子空间投影的天然气管网调度算法 重庆理工大学学报(自然科学),():,-(),():()一种子空间投影的天然气管网调度算法董莎莎,邓志刚,何志强,唐夲,廖勇(中国石油西南油气田分公司重庆气矿,重庆 ;重庆大学 微电子与通信工程学院,重庆 )摘要:以重庆天然气管网系统的最大产量为目标函数,同时考虑了管道强度、增压站、脱水站、净化厂运行参
2、数及硫化氢()含量等约束条件,建立了重庆天然气管网运行优化的数学模型。同时提出了一种子空间投影的天然气调度算法,对该天然气调度模型进行求解,该算法使用迭代方法在子空间中寻找一个近似解,大幅减少计算复杂度,从而快速对天然气管网进行调度。结合重庆天然气管网调度的实例进行计算验证,所提算法能满足重庆天然气管网的运行条件,保证产能最大化,更具有效性和实用性,能保障重庆天然气管网安全生产和自适应高效运行。关键词:天然气;原料气;管网;调度优化;子空间投影中图分类号:文献标识码:文章编号:()引言我国是人口大国,需要的能源数量十分庞大。现在需要的气矿资源都属于不可再生资源,天然气被人们普遍使用到日常生活当
3、中,作为燃料、供热、发电以及清洁能源 。天然气从井口采气开始,需要经过矿场集输、增压站、脱水站等一系列场站,最后进入净化厂进行脱硫,再进入长距离输气干线,通过各级城市配气管网运送到各家各户,或进入大型工业用户,构成了一个统一密闭的供气系统 。气矿原料气管网覆盖地理空间跨度大,管网运行具有生产时效性强、工况复杂多变等特点,此外,生产系统整体新度系数低,且随着石炭系低含硫产能递减,气矿集输系统整体负荷降低,但礁滩气藏高含硫产能占比逐渐升高,导致集输系统不均衡系数增高,导致管网运行调度难度日趋增大 。如何将其有效地与天然气生产调度相结合,构建满足安全生产、效益运行的天然气管网系统自适应高效运行模式,
4、是迫切需要解决的问题 。为了有效将天然气生产与管网调度结合起来,已有不少学者对该问题进行了研究。杨毅等 以天然气管网系统的最大收益为目标函数和天然气管网系统的最大流量为目标函数,同时考虑管道强度、节点流量平衡等约束条件,建立了天然气管网运行优化的 种数学模型,结合实例采用混合遗传算法对其进行了求解,结果表明,所建立的管网稳态优化模型是可行,同时所提算法能有效对其进行求解。为了能够高效获得高性能的天然气管网优化运行调度结果,陈进殿等 以天然气公司的收益最大化为目标,建立了天然气管网优化运行的数学模型,微粒群算法改进模型求解,并对算法的收缩因子与自适应性加以修正。结合管网稳态分析的节点压力法,编制
5、计算程序对模型进行求解,解决了传统的直接搜索法,如网格法和复合形法,收敛速度较慢,工作量较大的问题。在基于动态规划的算法研究的基础上,使用非序列动态规划法(-,)进行优化求解。等 在综合考虑气田资源、下游用气条件、压气站运行参数和管道工况,建立了以管网服务商利益最大化为目标函数的天然气管网优化调度方案数学模型,提出了一种新的嵌入混沌搜索的混合粒子群算法来解决管网调度问题。等 在同时考虑需求和气体成分的不确定性下,建立了动态管网模型,研究解决了确定最佳操作以最小化压缩成本的问题。虽然已有部分研究人员对天然气管网调度做了一些研究,也取得了一些成果,但在实际生产和调度中,管网拓扑错综复杂、运行参数众
6、多、约束条件苛刻,同时现有的调度很大程度还是依赖有经验的工程师进行人工调度,及时性和效率都有待提高。针对这些实际问题,本文以重庆气矿原料气管网的覆盖特点为基础,在综合考虑气井的产量,增加站、脱水站、净化厂等场站的运行参数和管道工况,建立了以气井产量最大化为目标函数的天然气管网优化调度数学模型,提出了一种基于子空间投影的天然气调度算法来解决重庆天然气管网调度问题,实例计算分析证明了所建立模型及其求解算法的有效性和适用性。本文所建立模型及其求解算法,能有效对重庆天然气管网运行进行调度,为其运行提供最优的调度方案,充分发挥天然气的使用价值和管道的输送能力。天然气管网调度模型 管网模型天然气原料气的实
7、际生产运行过程比较复杂,可以简化为若干个气井连接到增压站、脱水站,最终所有天然气经过各个管道进入净化厂。如图 所示。图 重庆天然气原料气管网运行模型示意图以重庆天然气管网模型为例,图中有气田、脱水站、净化厂、集气站、增压站和管道,管道连线分种颜色,其中红色代表指向净化厂,紫色代表该管道在很多情况下会双向流动,黑色代表集气站之间的连接,其他连线为蓝色。实际上连接到脱水站是气井,不同的气井所属的气田可能不同,图中以气田代表数量众多的气井。一般情况下,气井的气会进入到增压站,然后进入脱水站(如图 中黑色方框所示,为了使画面简洁,图中仅画了一个增压站进行说明),再通过管道汇入集气站,还有少部分气井的气
8、会直接进入到集气站。关键参数有气井产量、气井硫化氢()浓度、脱水站最大处理气量、脱水站最大处理 浓度、增压站最大处理气量、净化厂最大处理气量、净化厂最大处理 浓度。以这些关键参数和对应的约束条件,建立天然气原料气管网调度的整数线性规划数学模型 。调度模型)目标函数实际生产运行的时候,由于很多环节都存在约束条件,所以并不是所有气井都能被打开。在考虑关键约束条件的情况下,本研究的目标是保证天然气产量最大化,式()为目标函数:()按照顺序设置优化变量:,表示共有 个气井需要调度;代表第 个气井的开关状态,取值为 或 ;表示第 个气井的产量。)约束条件根据脱水站约束,一个脱水站连接若干个气井,这些气井
9、需要符合最大处理量、硫浓度 个关键约束;设第 个脱水站从第 个气井开始,包含 个气井,则最大处理量约束为:()其中,为第 个脱水站的最大处理量。硫浓度约束为:()其中,为第 个气井的硫浓度;为第 个脱水站最大硫浓度限值;实际上,上式不是一个线性约束,因此需要转换为:()()()()对于增压站约束,设第 个增压站从第 个气井开始,包含 个气井,增压站要求 个气井的处理量必须有最大值和最小值,如果低于最小值,所有气井需要关闭,则约束为:()其中,表示第 个增压站的最小处理量;表示第 个增压站的最大处理量。对于净化厂约束,设第 净化厂从第 个增压站开始,包含 个增压站,净化厂要求 个净化厂的处理量必
10、须有最大值和最小值,则约束为:()其中,表示第 个净化厂的最小处理量;表示第 个净化厂的最大处理量。同时考虑脱水站、增压站、净化厂的约束,以最大化单井总产量为目标,所以目标问题及约束为:,|()天然气管网调度模型的求解为了方便求解,原始目标问题可以进一步简化为矩阵形式:董莎莎,等:一种子空间投影的天然气管网调度算法,|()其中,表示第 个净化厂中第 个气井的生产量;表示第 个净化厂中第 个气井的开关状态;表示第 个净化厂的总生产量;表示第 个净化厂中所有气井的开关状态;表示 维 向量,表示大于 的正数。目前,大多数求解大型线性方程组的方法都采用了迭代方法,这些迭代方法通过各种方式在子空间中寻找
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