復雜樹枝狀干線輸氣管網(wǎng)優(yōu)化設計

復雜樹枝狀干線輸氣管網(wǎng)優(yōu)化設計

在設計網(wǎng)絡時，不僅要考慮網(wǎng)絡技術的適應性，還要考慮其經(jīng)濟合理性。考慮到輸氣管網(wǎng)系統(tǒng)日趨大型化、復雜化,氣體流動規(guī)律的特殊性使得天然氣管網(wǎng)設計迫切需要引入最優(yōu)化技術以達到節(jié)約投資,提高技術管理水平和增加經(jīng)濟效益的目的。配置優(yōu)化1.jlij約束條件我們的目標是使整個管線網(wǎng)絡鋪設的可行線路總長達到最短。minF=n∑i=1n∑j=1αijLijminF=∑i=1n∑j=1nαijLij約束條件:1≤n∑i=1αij≤Ν-1(i=1?2??Ν)1≤n∑i=1αij≤Ν-1(j=1?2??Ν)n∑i=1n∑j=1αij=2(Ν-1)αij={0當i,j站不相連時1當i,j站不相連時1≤∑i=1nαij≤N?1(i=1?2??N)1≤∑i=1nαij≤N?1(j=1?2??N)∑i=1n∑j=1nαij=2(N?1)αij={0當i,j站不相連時1當i,j站不相連時2.網(wǎng)點及站間管線、管線的長度根據(jù)圖論可知,輸氣管網(wǎng)可抽象為無向網(wǎng)絡:沿途站點、站間管線、管線長度分別為網(wǎng)絡的節(jié)點、邊和權(quán)。輸氣管網(wǎng)布局優(yōu)化問題便轉(zhuǎn)化為求無向網(wǎng)絡的最小生成樹問題,采用Dijkstra算法。起伏特征點復雜樹枝狀干線輸氣管網(wǎng)線路上的地形起伏特征點,進分氣點等抽象為節(jié)點,起點為干線首站,終點為配氣站,管道抽象為線段,線段長度代表管道長度。1.模型的構(gòu)建取輸氣管網(wǎng)總折合費用函數(shù)作為目標函數(shù),引入“權(quán)”來表示管段的不同鋪設方式帶來的差異。(1)c3li約束條件minF1=Ν-1∑i=1(βC1b2Di2+b1Di+b0)Wili+Ν-1∑i=1b3liminF1=∑i=1N?1(βC1b2Di2+b1Di+b0)Wili+∑i=1N?1b3li約束條件:{Qli-1+mi∑j=1Qiwj=Qli(i=2?3???Ν-1)Q1=Ql1QΝ=QlΝ-1bΝ-1∑i=1{Q2liliD5i[1+a2(Si+Si+1]}-p21+p2Ν(1+asΝ)=0Di＞0(i=1?2???Ν-1)???????????????????????????????????Qli?1+∑j=1miQiwj=Qli(i=2?3???N?1)Q1=Ql1QN=QlN?1b∑i=1N?1{Q2liliD5i[1+a2(Si+Si+1]}?p21+p2N(1+asN)=0Di＞0(i=1?2???N?1)(2)[1+s1,si+1+siminF2=ξΜ∑j=1[β(a0+a1lgRj)+a2+(a3+a4)lgRj]minF2=ξ∑j=1M[β(a0+a1lgRj)+a2+(a3+a4)lgRj]約束條件:{p2i-p2i+1[1+a(si+1-si)]=bQ2liliD5i[1+a2(si+1+si)](i=1?2???Ν-1)(1)δi=max(pi,pi+1)Di2σsFφΚt(i=1?2???Ν-1)Rj=p′jpj(j=1?2???Μ)Di/δi＞110(i=1?2???Ν-1)Di/δi＜120(i=1?2???Ν-1)pi＞0(i=1?2???Ν)?????????????????????????????????????????p2i?p2i+1[1+a(si+1?si)]=bQ2liliD5i[1+a2(si+1+si)](i=1?2???N?1)(1)δi=max(pi,pi+1)Di2σsFφKt(i=1?2???N?1)Rj=p′jpj(j=1?2???M)Di/δi＞110(i=1?2???N?1)Di/δi＜120(i=1?2???N?1)pi＞0(i=1?2???N)2.模型解(1)連續(xù)變量的求解管徑優(yōu)化模型是帶等式和不等式約束的非線性規(guī)劃且設計變量(管徑)考慮為連續(xù)變量,求解此非線性規(guī)劃采用混合罰函數(shù)法,將其轉(zhuǎn)化為無約束的非線性規(guī)劃后用變尺度法求解。(2)壓氣站優(yōu)化模型的求解1求pi2,3,n將計算出的最小管徑和管段流量代入式(1),求出pi(i=2,3,…,N);找出pi為負的節(jié)點,設其為m點,那么上壓氣站的位置可為j=1,2,…,m-1。2配氣站至壓氣站pj①在滿足排量和管材強度要求的條件下,初選壓氣機的性能指標值pd(出站壓力),R0(壓比);②在管路上p′j=pd/R0處設置壓氣站,p′j=pd;③將pj?p′j代入式(1),求出pi(i=j+1,j+2,…,N);④若pi中存在負值,重復步驟②、③,直到pi>0(i=1,2,…N);若pN≥pE(配氣站所要求的供氣壓力),則上述過程求得壓氣站參數(shù)和節(jié)點壓力等;若pN<pE時:a.R0?R0+ΔR;b.重新執(zhí)行步驟②、③、④;c.若pN<pE,則反復執(zhí)行步驟a、b,直到pN≥pE。單因素優(yōu)化1.確定nm+1矩陣并構(gòu)造灰色關聯(lián)模型選取待選方案的管徑、壁厚、折合費用、壓氣站消耗功率等技術經(jīng)濟指標為參考因素?？紤]有N個參考因素的M個待選方案,構(gòu)造出N(M+1)矩陣X,即方案優(yōu)選的灰色關聯(lián)模型。X(0)=(x(0)10x(0)11x(0)12?x(0)1Μx(0)20x(0)21x(0)22?x(0)2Μ?x(0)Ν0x(0)Ν1x(0)Ν2?x(0)ΝΜ)Ν×(Μ+1)2.計算比較計數(shù)與參考計數(shù)的關聯(lián)度1)數(shù)據(jù)處理:對矩陣各數(shù)據(jù)序列進行無量綱處理(如初值化、均值化等)。2)求各比較數(shù)列與參考數(shù)列的絕對差值。3)找出最小絕對差值和最大絕對差值。4)計算比較數(shù)列對參考數(shù)列的關聯(lián)系數(shù)。5)計算比較數(shù)列對參考數(shù)列的關聯(lián)度。6)排出關聯(lián)序(即方案優(yōu)劣排序)。儲氣量及儲氣量約束以海南省環(huán)島輸氣管網(wǎng)(東方八所—南羅—松鳴—?？诟删€、南羅—昌江支線、松鳴—洋浦支線)15×108m3/a運行方案(輸量10×108m3/a,起點壓力3.65MPa,終點壓力2MPa,干線儲氣量要求1×104m3)為例,本文計算結(jié)果與美國科學軟件公司(SSI)“TGNET”軟件計算結(jié)果基本一致(見表1、表2、表3、表4)。優(yōu)化設計問題復雜天然氣管網(wǎng)優(yōu)化設計是一個十分復雜的系統(tǒng)規(guī)劃,本文將該問題分解成布局優(yōu)化、參數(shù)優(yōu)化、方案優(yōu)選等三個子問題來研究。對每個子問題建立了數(shù)學模型,并給出了求解方法。對海南省環(huán)島天然氣管道工程二期工程管線進行研究的結(jié)果表明該方法具有一定的實用價值,可為管線的規(guī)劃設計、可行性研究以及經(jīng)濟評價提供依據(jù)。設計成本分析N為管網(wǎng)中站節(jié)點的總數(shù);Lij為管站間的管段長度,km;αij——決策變量;N-1為輸氣管網(wǎng)中管道總數(shù);M為輸氣管網(wǎng)中壓氣站總數(shù);b0為單位管長管道與管重和管徑無關的費用,元/km;b1為單位管長管道單位直徑的防腐緣費用和安裝鋪設費用,元/(cm·km);b2為單位管重的管材價格及單位距離運費,元/(kg·km);b3為單位管長管道的年經(jīng)營費用,元/(km·a);a0、a1為一座壓氣站與功率無關和與功率成正比的基建投資費用,元;a2、a3為一座壓氣站與功率無關和與功率成正比的年經(jīng)營管理費用,元/a;a4為壓氣站自耗氣費用,元/a;Di,li,δi為i管道的管徑、管長、壁厚;Rj,pj為第j個壓氣站壓比、第j個節(jié)點壓力;Si為第i個節(jié)點高程,m;p為管線的設計工作壓力,MPa;a,b為工程常數(shù);C1=1.225p[σ](1-pD2[δ]);[σ]=σs·〉·Kt·Fs;Kt為管道的溫度減弱系數(shù);Fs為設計系數(shù);σs為鋼材屈服極限,MPa;φ為焊縫系數(shù);Wi為權(quán)系數(shù);β為技術經(jīng)濟系數(shù),β=(A/p,ic,n)+1.5(1-α