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輸氣管道系統(tǒng)的最優(yōu)設計技術

文章來源：本站收集上傳時間：2018-6-25 瀏覽量：3586

　　　輸與管道體系的最憂規(guī)劃技能陣石油大學（北京）中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院李波等。輸氣管道體系的最優(yōu)規(guī)劃技能。石油規(guī)劃規(guī)劃，2000，中運用的關鍵技能。經(jīng)過總結使用于這一領域的動態(tài)規(guī)劃法、：束縛導數(shù)法和廣義既約梯度法3種數(shù)學規(guī)劃算法，列出各種算，：'廉：：用規(guī)劃，為進行天然氣管道體系的工藝參數(shù)最優(yōu)化規(guī)劃：；愚膝：x調(diào)：輸氣管道工藝參數(shù)優(yōu)化規(guī)劃核算辦法一個天然氣管道體系，將一定量的天然氣從氣井運送到用戶，已知天然氣在井口處的初始狀況（壓力、溫度、組成）以及運送到用戶時的終了狀況、管道體系的布局、天然氣的產(chǎn)值和用戶的需求量，對此管道體系進行最優(yōu)規(guī)劃，規(guī)劃方針一般是求解各管段的管徑、壓氣站的數(shù)目、兩個壓氣站之間的管長以及每個壓氣站中壓縮機的吸入和排出壓力，以使總費用（包括管線出資和運轉費用）最小。束縛條件一般包括反映管段長度和流量平衡的等式束縛，以及反映對氣源壓力、供氣壓力和壓縮機壓比限制的不等式束縛。

　　　　20世紀60年代，國外便有人開端從事輸氣管道優(yōu)化規(guī)劃的理論和辦法研討，因為輸氣管道體系的最優(yōu)化規(guī)劃是一個十分復雜的有束縛的非線性最優(yōu)化問題，而且維數(shù)很大，因而其研討作業(yè)都是在假定一些變量為已知的情況下求解問題中的部分規(guī)劃變量，即對規(guī)劃問題的部分進行最優(yōu)化研討。在這些研討中，B.Rothfarb、Flanigan等人的作業(yè)取得明顯發(fā)展，其運用的數(shù)學規(guī)劃辦法分別為動態(tài)規(guī)劃法、束縛導數(shù)法和廣義既約梯度法。

　　　　動態(tài)規(guī)劃法是對一個管網(wǎng)中各節(jié)點的壓力進行優(yōu)化m，并經(jīng)過求得的最優(yōu)壓力從設備列表中挑選相應的管網(wǎng)元件管道和壓縮機，使管網(wǎng)的建造和運轉費用最低。該辦法壓氣站的數(shù)目和方位以及各管段的長度和管徑都需要預先給定，而且不適用于處理網(wǎng)絡元件（包括管道、壓氣站、儲氣庫等）較多的大型網(wǎng)絡體系。其原因是用動態(tài)規(guī)劃法求解時存在維數(shù)災禍：若一維狀況變量有m個取值，那么關于維問題，狀況xt就有個取值，關于每個狀況值都要核算、存儲最優(yōu)值函數(shù)/（：。對稍大（即便=3）的實踐問題的核算往往是不現(xiàn)實的，現(xiàn)在還沒有戰(zhàn)勝動態(tài)規(guī)劃中維數(shù)災禍的一般辦法。

　　　　的樹狀天然氣管網(wǎng)體系，假如管網(wǎng)的節(jié)點數(shù)為，那么便有-1條管段。若每個管段有7種管徑供挑選，就會有71種管徑組合。要處理的問題是要從這些管徑組合中挑選出一種最優(yōu)組合，以使管網(wǎng)的出資和運轉費用最低。明顯，逐個枚舉是不現(xiàn)實的。處理問題的關鍵在于找出能夠除掉那些不經(jīng)濟的管徑組合而無需枚舉的辦法。B.Rothfarb等開發(fā)了一種合并技能能夠除掉那些不經(jīng)濟的管徑組合而無需枚舉，使可能的管徑組合數(shù)與節(jié)點數(shù)之間大體上呈線性關系而不是按指數(shù)規(guī)律添加。這一技能為選用動態(tài)規(guī)劃法對天然氣管網(wǎng)進行最優(yōu)化提供了一個有用手段。認為例闡明此辦法的基本原理。

　　　　部分天然氣管網(wǎng)示意圖）的管長和流量都已斷定。由潘汗德公式：K，優(yōu)化時預先給定管網(wǎng)中壓氣站的數(shù)量與方位，將規(guī)劃變量分紅決議計劃變量和狀況變量兩類，其優(yōu)化數(shù)學模型簡寫為：有P個決議計劃變量便有戶個束縛導數(shù)，方針函數(shù)對第/個決議計劃變量4的束縛導數(shù)為：B束縛方程的雅可比矩陣的行列式值。

　　　　4與5的比值反映了每一個決議計劃變量的改動對方針函數(shù)所造成的影響。）用Newton-Raphson辦法求解束縛方程。

　　　　用矩陣方式可表明為：（2）運用最速下降法求解方針函數(shù)的最小值。

　　　　下降方向斷定為：。

　　　　7值按經(jīng)歷來斷定，但應恪守兩個原則：一是對每個決議計劃變量都應斷定；7的最大值/7max.例如，假如以管徑作為決議計劃變量，7一般取在~25.4mm之間，假如以壓縮機耗費的功率作為決議計劃變量，77一般取在0~400kW之間；二是7/不該使決議計劃變量的值小于零。選用拉格朗日三次插值和黃金分割法來斷定77值。

　　　　束縛導數(shù)法是一種經(jīng)典的數(shù)學規(guī)劃辦法，在進行輸氣管道的工藝參數(shù)優(yōu)化規(guī)劃時，關于無束縛或簡單將束縛條件消去的非線性規(guī)劃問題，運用該法簡單取得最優(yōu)解。可是該辦法也只能對規(guī)劃問題的部分進行最優(yōu)化。

　　　　Edgar等人首先將廣義既約梯度法使用于天然氣運送網(wǎng)絡的最優(yōu)規(guī)劃。此項技能能一起斷定壓氣站的數(shù)目、兩個壓氣站之間的管段長和管徑以及壓氣站中壓縮機的操作工況（進氣壓力、排氣壓力）等規(guī)劃變量的最優(yōu)值，使管網(wǎng)出資和運轉費用最低。

　　　　體的功率耗費的函數(shù)，艮P：A與功率有關的回歸系數(shù)；N壓縮機運送氣體的功率耗費。

　　　　針對兩種不同情況運用了兩種求解技能，一種是當壓氣站的初始出資為零，即4=0時，直接運用廣義既約梯度法求解；另一種是壓氣站存在固定初始出資，即4時，要用廣義既約梯度法與分支定界法相結合來處理問題。關于那些更復雜的管網(wǎng)體系，如包括各式各樣的分支和環(huán)等，該法相同適用，只不過核算的時刻添加。

　　　　因為建造費用是一次性出資，運轉費用是常年性出資，資金具有時刻價值，明顯，單位建造費用與單位運轉費用是不等值的，為使兩者價值適當，將建造費用與運轉費用按相同的年利率折算到設備壽數(shù)末年時的費用。優(yōu)化的方針函數(shù)為總管網(wǎng)出資的總年折算費用：/3~管網(wǎng)的年運轉費用。

　　　　因為管網(wǎng)的運轉費用以壓氣站的動力費用為主，而且比較穩(wěn)定，因而管網(wǎng)的運轉費用也可用壓縮機運送氣體所耗費的功率來近似表明。

　　　　把規(guī)劃變量X分為基變量（非獨立變量）和非基變量Xy（獨立變量），其關系由束縛條件斷定。將基變量用非基變量表明并從方針函數(shù)中消去基變量，得到以非基變量為自變量的簡化的方針函數(shù)，即=，進而使用此函數(shù)的負梯度結構下降可行方向。

　　　　方針函數(shù)關于非基變量的梯度d//dx稱為既約梯度，此算法的中心問題是運用既約梯度結構查找方向。

　　　　用廣義既約梯度法將這種含有非線性、線性束縛條件的規(guī)劃問題轉化為無束縛的非線性規(guī)劃問題，然后用共扼梯度法斷定查找的下降方向。因為共軛梯度法有二次停止性（即關于二次函數(shù)，算法在有限步停止），然后進步了求解的有用性和可靠性。不等式束縛在求解X和4的迭代過程中經(jīng)過協(xié)調(diào)步長；I的取值來滿足，其迭代公式為：廣義既約梯度法在處理有束縛的非線性天然氣管網(wǎng)規(guī)劃問題方面具有較高功率。此算法使對一切規(guī)劃變量一起進行最優(yōu)化成為可能。但應留意，優(yōu)化得到的最優(yōu)管道直徑只能以接連的方式給出，要得到離散的最優(yōu)管道直徑值，還需要輔以其它優(yōu)化辦法，如分支定界法、次梯度優(yōu)化法等。

　　　　天然氣管道體系工藝參數(shù)最優(yōu)化規(guī)劃問題是一個十分復雜的非線性規(guī)劃問題，要進步優(yōu)化規(guī)劃的功率和規(guī)劃，有必要使用各種數(shù)學規(guī)劃辦法，尤其是一些新的功率高的非線性規(guī)劃辦法，而且需要與輸氣管道工藝規(guī)劃的工程實踐結合進行。

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