天然氣管輸容量分配優(yōu)化決策研究

何能家,周 軍,張戴新,彭井宏,趙云翔,梁光川

(1.西南石油大學(xué) 研究生院,四川 成都 610500; 2.西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院,四川 成都 610500)

引 言

目前,天然氣產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)處于上游生產(chǎn)、中游運(yùn)輸、下游銷售的分離階段,逐漸趨于市場(chǎng)化。上游托運(yùn)商委托管網(wǎng)公司利用已有的管道運(yùn)輸?shù)较掠斡脩?。隨著天然氣管道互聯(lián)互通的建成,天然氣長(zhǎng)輸干線管網(wǎng)出現(xiàn)了多環(huán)狀結(jié)構(gòu)的輸氣路徑。運(yùn)輸商在保證每個(gè)客戶用氣的前提下,通過(guò)合理規(guī)劃管網(wǎng)運(yùn)行方案和天然氣的輸氣路徑方案,來(lái)提高自己的盈利水平具有重大意義。

有部分學(xué)者對(duì)路徑優(yōu)化方面進(jìn)行了研究,Drexl Michae等[1]以運(yùn)輸路徑最短和成本最小為目標(biāo)函數(shù)對(duì)LNG罐車路徑進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì);呂俊杰等[2]考慮了車輛的運(yùn)輸成本等因素,求解得到了最優(yōu)的農(nóng)產(chǎn)品運(yùn)輸路徑方案;姚卓順[3]分析了多個(gè)貨源點(diǎn)的位置和距離,基于節(jié)約里程法優(yōu)化了產(chǎn)品運(yùn)輸路徑;李昌兵等[4]優(yōu)化了物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下產(chǎn)品的運(yùn)輸路徑問(wèn)題;崔巖等[5]分析了不確定環(huán)境下供應(yīng)商的配送問(wèn)題,基于累積前景理論求解得到路徑優(yōu)化方案;Hamed[6]和Azade[7]考慮了天然氣的連續(xù)流動(dòng)性,研究了天然氣產(chǎn)業(yè)鏈一體化網(wǎng)絡(luò)中的最小運(yùn)行成本的流量分配問(wèn)題。

在管網(wǎng)優(yōu)化求解算法方面,吳長(zhǎng)春等[8]建立了天然氣管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)優(yōu)化運(yùn)行數(shù)學(xué)模型,采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法求解得到工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)方案;Mercado等[9]提出了啟發(fā)式算法求解環(huán)路輸氣系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化問(wèn)題;昂揚(yáng)[10]提出了采用模型簡(jiǎn)化和剪切分解法,降低優(yōu)化問(wèn)題復(fù)雜程度,以提高動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法的適用性;薛婷[11]針對(duì)管網(wǎng)流量分配優(yōu)化子問(wèn)題,采用非序列動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法求解;Demissie等[12]提出了一種優(yōu)化天然氣管網(wǎng)運(yùn)行的多目標(biāo)優(yōu)化模型,基于NSGA-II算法求解得到優(yōu)化方案。

目前,國(guó)外的管道運(yùn)輸路徑優(yōu)化研究主要集中在其他領(lǐng)域運(yùn)輸鏈研究,但在天然氣管道運(yùn)輸領(lǐng)域的研究相對(duì)較少。同時(shí)很少站在管網(wǎng)公司利潤(rùn)角度構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。對(duì)此,本文以管網(wǎng)公司輸氣利潤(rùn)最大為目標(biāo)函數(shù),分析不同管徑、不同管輸剩余能量、不同管輸費(fèi)的影響,對(duì)管輸路徑進(jìn)行合理規(guī)劃。

1 問(wèn)題描述

管網(wǎng)公司通過(guò)輸送上游托運(yùn)商的天然氣給下游分輸站來(lái)獲取利益,如圖1所示的天然氣管網(wǎng),有兩股上游來(lái)氣匯入管網(wǎng),托運(yùn)商計(jì)劃從壓氣站1上載天然氣輸送至下游分輸站1和分輸站2下載,管網(wǎng)公司根據(jù)從上載點(diǎn)到下載點(diǎn)需要經(jīng)過(guò)的管線和分輸站的剩余分輸能力,制定一套輸氣路徑方案:

圖1 天然氣管輸路徑示意圖Fig.1 Natural gas pipeline path diagram

(1)上載點(diǎn)1——下載點(diǎn)1,輸氣路徑A(壓氣站1-管道1-分輸站1)。

(2)上載點(diǎn)1——下載點(diǎn)2,輸氣路徑B(壓氣站1-管道1-分輸站1-管道2-壓氣站3-管道5-分輸站5);輸氣路徑C(壓氣站1-管道1-分輸站1-管道3-壓氣站4-管道7-分輸站5)。

從上載點(diǎn)1到下載點(diǎn)1只有1條輸氣路徑,因此管道中流量增加可以通過(guò)壓力優(yōu)化方法來(lái)調(diào)整管網(wǎng)系統(tǒng)。從上載點(diǎn)1到下載點(diǎn)2有2條輸氣路徑,假設(shè)管道的相關(guān)參數(shù)、運(yùn)價(jià)率、剩余日輸送量不同,則產(chǎn)生的輸氣費(fèi)用不同。因此合理分配各條路徑的輸氣量,并對(duì)流量分配后的天然氣管網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化,減少輸氣路徑上的壓縮機(jī)能耗,使得管網(wǎng)公司的收益最大。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 數(shù)學(xué)模型

以管網(wǎng)公司利潤(rùn)最大為目標(biāo),建立天然氣管輸容量分配優(yōu)化模型如下:

maxF=F1-F2;

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

η=a2+b2n+c2n2+d2n3;

(6)

(7)

(8)

(9)

pmin≤ps;

(10)

pd≤pmax;

(11)

(12)

pk≤pmaxk=1,2,…,Npipe;

(13)

(14)

2.2 符號(hào)說(shuō)明

F:管網(wǎng)公司代輸托運(yùn)商天然氣的利潤(rùn),萬(wàn)元/d;

F1:代輸托運(yùn)商天然氣的管輸收益,萬(wàn)元/d;

F2:輸氣路徑中的壓氣站能耗成本,萬(wàn)元/d;

Oi:第i條路徑的管道運(yùn)價(jià)率,元/(km3km);

Qi:第i條路徑的分配流量,Nm3/d;

Li:第i條路徑的管道長(zhǎng)度,km;

Nj:壓縮機(jī)功率,kW;

Cj:壓縮機(jī)功率有關(guān)的費(fèi)用系數(shù),元/kWh;

δj:壓縮機(jī)開機(jī)數(shù)量;

tj:壓縮機(jī)工作時(shí)間,h;

N:壓縮機(jī)功率,kW;

M:壓縮機(jī)質(zhì)量流量,kg/s;

Hm:壓縮機(jī)多變壓頭,J/kg;

η:壓縮機(jī)效率,%;

a1、b1、c1、d1:壓縮機(jī)能頭曲線擬合系數(shù);

n:壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速,r/min;

Qcs:壓縮機(jī)入口實(shí)際體積流量,m3/min;

a2、b2、c2、d2:壓縮機(jī)功率曲線擬合系數(shù);

a3、b3、c3、d3:壓縮機(jī)喘振曲線擬合系數(shù);

a4、b4、c4、d4:壓縮機(jī)滯止曲線擬合系數(shù);

Ts:壓縮機(jī)進(jìn)口溫度,K;

Td:壓縮機(jī)出口溫度,K;

m:壓縮機(jī)多變指數(shù);

Tmax:最高出站溫度,K;

ps、pd:壓縮機(jī)進(jìn)、出口壓力,MPa;

pmin:壓縮機(jī)最低進(jìn)口壓力,MPa;

pmax:管道最高進(jìn)口壓力,MPa;

pstart:管道的進(jìn)口處壓強(qiáng),MPa;

pend:管道的出口處壓力,MPa;

M:管道的質(zhì)量流量,kg/s;

Tcp:管道的平均溫度,K;

L:管道的長(zhǎng)度,m;

D:管道的內(nèi)徑,m;

h:管道的進(jìn)出口高程差,m;

g:重力加速度,9.8 m/s2;

R:氣體常數(shù),8.314 J/(mol·K);

λ:摩擦系數(shù);

Qf,cs:分輸站向壓氣站輸送的流量,Nm3/d;

Qcs′,cs:另一個(gè)壓氣站向該壓氣站輸送的流量,Nm3/d;

Qup,cs:上載點(diǎn)向壓氣站的輸氣,Nm3/d;

Qcs,f:壓氣站向下游分輸站輸送的流量,Nm3/d;

Qcs′,cs:壓氣站向另一個(gè)壓氣站輸送的流量,Nm3/d;

Qcs,r:壓氣站向用戶輸送的輸氣,Nm3/d。

3 求解方法

3.1 管網(wǎng)流量分配方法

從上載點(diǎn)運(yùn)輸天然氣到下載點(diǎn)存在多條輸氣路徑時(shí),需要在分支節(jié)點(diǎn)對(duì)上載的天然氣分配,管網(wǎng)流量分配是一個(gè)非線性優(yōu)化問(wèn)題。每條管道的天然氣輸量影響管道的壓降以及管輸費(fèi)用,因此需要對(duì)每條路徑進(jìn)行流量分配決策。

在給定壓力,首先采用隨機(jī)的方法將代輸?shù)奶烊粴獬醮畏峙涞矫織l路徑中,通過(guò)基本環(huán)路流量法,對(duì)每條路徑中的代輸流量進(jìn)行優(yōu)化。構(gòu)造一個(gè)長(zhǎng)度為N的遺傳因子G=[d1,d2,…,dN]T,對(duì)于每個(gè)G可以計(jì)算得到相應(yīng)的管輸費(fèi)用和能耗的差值,并將其作為個(gè)體的適應(yīng)度函數(shù)值,利用遺傳算法的選擇、交叉、變異過(guò)程,便可實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)流量進(jìn)行不同方向和步長(zhǎng)的修正,從而實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的整體優(yōu)化?；诨经h(huán)組合的流量?jī)?yōu)化方法應(yīng)用步驟如下:

1)在已有的管網(wǎng)流量基礎(chǔ)上,將代輸?shù)奶烊粴怆S機(jī)分配到管網(wǎng)中產(chǎn)生初始分配方案Q0,通過(guò)遺傳算法優(yōu)化管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)壓力p0;

2)找出管網(wǎng)中的基本環(huán)結(jié)構(gòu),規(guī)定沿環(huán)順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎较?構(gòu)造回路矩陣A;矩陣A的行數(shù)代表管網(wǎng)中的管道數(shù)目,列數(shù)代表基本環(huán)個(gè)數(shù)。第i行第j列元素表示編號(hào)i管道與編號(hào)j基本環(huán)之間的關(guān)系,其中0表示管道不在基本環(huán)上,1表示設(shè)定管道內(nèi)氣體流向沿所在基本環(huán)的正方向,-1表示設(shè)定管道內(nèi)氣體流向沿所在基本環(huán)的負(fù)方向;

3)構(gòu)造遺傳因子G=[d1,d2,d3]T,其中d1～d3分別對(duì)應(yīng)流量在基本環(huán)方向上的變化量,對(duì)于每個(gè)G都可以得到修正后的流量,即

Q=Q0+d1·a+d2·b+d3·c。

(15)

4)計(jì)算得到流量分配方案對(duì)應(yīng)的管網(wǎng)能耗和管輸費(fèi)用,并將其作為個(gè)體的適應(yīng)度函數(shù),即Fit=F,利用遺傳算法的選擇、交叉、變異過(guò)程,對(duì)流量進(jìn)行修正,從而達(dá)到該壓力下管網(wǎng)的流量?jī)?yōu)化。

3.2 管網(wǎng)壓力優(yōu)化方法

遺傳算法可用于解決復(fù)雜的多約束非線性優(yōu)化問(wèn)題,遺傳算法求解最優(yōu)化問(wèn)題的方法是:對(duì)給定問(wèn)題先給出決策變量編碼方法、定義適應(yīng)度函數(shù)、建立初始種群、個(gè)體評(píng)價(jià)、選擇、交叉、變異、產(chǎn)生新一代群體,繼續(xù)進(jìn)化直到得到最優(yōu)結(jié)果。在給定管網(wǎng)流量下,輸氣管道運(yùn)行優(yōu)化問(wèn)題屬于多約束條件非線性問(wèn)題的優(yōu)化,因此采用遺傳算法求解輸氣管道運(yùn)行優(yōu)化問(wèn)題,決策變量為壓氣站的出站壓力,具體步驟如下:

1)利用遺傳算法的crtrp函數(shù)生成各個(gè)壓氣站的壓比初始種群;

2)通過(guò)各個(gè)壓氣站的出站壓力和管道參數(shù)計(jì)算得到各個(gè)壓縮機(jī)的進(jìn)站壓力和進(jìn)出站溫度,利用進(jìn)站壓力和壓比求得出站壓力;

3)利用進(jìn)站壓力和出站壓力這兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行壓氣站站內(nèi)優(yōu)化,計(jì)算得到各個(gè)壓氣站的最低能耗,累加得到在該出站壓力方案下的能耗,作為個(gè)體適應(yīng)度函數(shù)值;

4)通過(guò)選擇、交叉、變異、產(chǎn)生新一代群體,繼續(xù)進(jìn)化直到得到最優(yōu)結(jié)果。

使用數(shù)學(xué)規(guī)劃建模系統(tǒng)MATLAB,版本號(hào)2018b,電腦配置CPU:intel(R)Corei7 8thGen;RAM:16 GB;win10系統(tǒng),調(diào)用linprog和GA算法進(jìn)行求解,求解流程如圖2所示。

4 案例分析:簡(jiǎn)單管網(wǎng)

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證提出的輸氣路徑數(shù)學(xué)模型,首先采用簡(jiǎn)單的天然氣環(huán)狀管網(wǎng)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證,如圖3所示。管網(wǎng)由7個(gè)壓縮機(jī)站、5個(gè)分輸站、12條管道組成。托運(yùn)商擬上載點(diǎn)壓氣站1,擬下載點(diǎn)分輸站5。因此管網(wǎng)中存在2條輸氣路徑:(1)輸氣路徑A:壓氣站1—壓氣站2—分輸站1—壓氣站3—分輸站2—分輸站4—壓氣站5;(2)輸氣路徑B:壓氣站1—壓氣站5—分輸站3—壓氣站6—分輸站4—壓氣站7—分輸站5。

圖3 天然氣管網(wǎng)圖Fig.3 Natural gas pipeline network diagram

4.1.1 管道管徑

為了研究管徑對(duì)管輸容量分配的影響, 設(shè)計(jì)了2種方案的管徑進(jìn)行對(duì)比分析。方案1為兩條輸氣路徑的管徑均采用1 016 mm×18 mm,方案2為路徑A的管徑采用1 016 mm×18 mm,路徑B的管徑采用864 mm×16 mm。

4.1.2 壓縮機(jī)參數(shù)

管線中每個(gè)壓縮機(jī)站配有2臺(tái)壓縮機(jī)和1臺(tái)備用壓縮機(jī),壓縮機(jī)的性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 壓縮機(jī)性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of compressor

4.1.3 分輸站剩余能力

管網(wǎng)中有5個(gè)分輸站,每個(gè)分輸站的分輸能力以及代輸托運(yùn)商天然氣前的實(shí)際分輸量見(jiàn)表2。托運(yùn)商在壓氣站1上載500×104Nm3/d天然氣到分輸站5下載,各站場(chǎng)均滿足要求。

表2 分輸站的設(shè)計(jì)最大分輸量和實(shí)際分輸量Tab.2 Design maximum transmission capacity and actual transmission capacity of transmission stations

4.1.4 管網(wǎng)輸氣量和剩余能力

管網(wǎng)的剩余能力滿足托運(yùn)商的上載和下載計(jì)劃的要求,為了定量分析管道剩余輸送能力對(duì)輸氣路徑的影響,設(shè)計(jì)了2個(gè)不同的方案進(jìn)行對(duì)比分析,管徑方案1和方案2的管道輸送量和剩余輸送能力分別見(jiàn)表3、表4。

表3 管徑方案1的管線輸送量和剩余能力Tab.3 Pipeline transmission capacity and residual capacity of pipe diameter scheme 1

表4 管徑方案2的管線輸送量和剩余能力Tab.4 Pipeline transmission capacity and residual capacity of pipe diameter scheme 2

4.2 優(yōu)化結(jié)果分析

4.2.1 管徑對(duì)輸氣路徑影響分析

為了研究2條具有相同剩余輸送能力但管徑大小不同的管道對(duì)管輸路徑的影響,輸氣路徑A和B的管徑(規(guī)格:外徑×壁厚)設(shè)計(jì)為1 016 mm×18 mm和864 mm×16 mm,2條路徑管道剩余輸送能力為960×104Nm3/d,輸氣路徑進(jìn)行優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表5、表6。

表5 管道管徑不相同條件下的路徑優(yōu)化結(jié)果Tab.5 Path optimization results under different pipeline diameters

表6 壓氣站能耗對(duì)比Tab.6 Energy consumption comparison of gas stations

容量分配優(yōu)化后,管徑為1 016 mm×18 mm的輸氣路徑A流量增加了494.6×104Nm3/d,管徑為864 mm×16 mm的輸氣路徑B流量增加了5.4×104Nm3/d,優(yōu)化輸氣路徑A和B分輸托運(yùn)商流量比為91:1。管輸費(fèi)計(jì)算得到代輸天然氣的收益為113.76萬(wàn)元/d,優(yōu)化后總能耗為49.66 MW,前后總能耗之差為6.06 MW,計(jì)算得到能耗成本為12.07萬(wàn)元/d,管網(wǎng)公司總利潤(rùn)為101.69萬(wàn)元/d。

采用PipelineStudio軟件對(duì)優(yōu)化后管網(wǎng)的水力變化及壓氣站功率進(jìn)行水力模擬,如圖4所示。發(fā)現(xiàn)表6和表7優(yōu)化得到的節(jié)點(diǎn)壓力參數(shù)、 壓氣站功率和水力模擬得到的參數(shù)接近, 說(shuō)明優(yōu)化結(jié)果較為準(zhǔn)確。路徑A與B的剩余能力相同時(shí),路徑A的管徑大于路徑B,結(jié)果得到路徑A分配的天然氣量大于路徑B的。由此可知,兩條并行的輸氣路徑在管輸運(yùn)價(jià)率和管道剩余能力相等的情況下,管徑越大的路徑分輸流量越多,管網(wǎng)公司的收益越大。

表7 剩余能力不同的路徑優(yōu)化結(jié)果Tab.7 Path optimization results under different residual capacities

圖4 輸氣路徑優(yōu)化后管網(wǎng)水力模擬Fig.4 Hydraulic simulation of pipeline network after gas transmission path optimization

4.2.2 管道剩余能力對(duì)輸氣路徑的影響分析

在兩條管徑和長(zhǎng)度相同但剩余能力不同的管道內(nèi),增輸相同氣量的天然氣產(chǎn)生的水力損失不同。因此,設(shè)計(jì)了管徑相同但剩余輸送能力不同的2條管道,優(yōu)化代輸?shù)奶烊粴庠?條輸氣路徑中的流量分配,優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表7、表8。

表8 單臺(tái)壓縮機(jī)能耗對(duì)比Tab.8 Energy consumption comparison of single compressor before and after optimization

容量分配優(yōu)化后,剩余能力為960×104Nm3/d的輸氣路徑B流量增加了472.7×104Nm3/d,剩余能力為320×104Nm3/d的輸氣路徑A流量增加了27.3×104Nm3/d,優(yōu)化后輸氣路徑A和B流量比為97:90。計(jì)算的代輸天然氣費(fèi)用為111.96萬(wàn)元/d,優(yōu)化后總能耗為62.89 MW,前后總能耗之差為7.14 MW,計(jì)算得到能耗成本為14.22萬(wàn)元/d,管網(wǎng)公司總利潤(rùn)為97.74萬(wàn)元/d。由此可以看出,托運(yùn)商的天然氣分配到A路徑的流量要遠(yuǎn)小于分配到B路徑的流量。同樣,將優(yōu)化后的管網(wǎng)水力變化進(jìn)行模擬,結(jié)果表明優(yōu)化計(jì)算較為準(zhǔn)確。

4.2.3 管道運(yùn)價(jià)率影響分析

為了研究管道運(yùn)價(jià)率對(duì)輸氣路徑的影響,設(shè)計(jì)了2條參數(shù)不一樣的路徑,輸氣路徑A管輸運(yùn)價(jià)率為0.389 0元/(km3km),輸氣路徑B管輸運(yùn)價(jià)率為0.436 3元/(km3km),優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表9、表10。

表9 管道運(yùn)價(jià)率不同的路徑優(yōu)化結(jié)果Tab.9 Path optimization results under different pipeline freight rates

表10 單臺(tái)壓縮機(jī)能耗對(duì)比Tab.10 Energy consumption comparison of single compressor before and after optimization

優(yōu)化后的輸氣路徑B流量增加了420×104Nm3/d,初始管道的流量為2 090×104Nm3/d,管輸費(fèi)用為125.4萬(wàn)元。壓縮機(jī)能耗優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表10。管網(wǎng)能耗增加了5.54 MW,能耗費(fèi)用增加了11.03萬(wàn)元,利潤(rùn)為114.37萬(wàn)元。結(jié)果表明路徑B分輸量遠(yuǎn)大于路徑A的,管輸運(yùn)價(jià)率對(duì)輸氣路徑優(yōu)化結(jié)果的影響要大于管徑和剩余能力。將優(yōu)化后的管網(wǎng)水力變化進(jìn)行模擬,結(jié)果表明優(yōu)化計(jì)算較為準(zhǔn)確。

5 案例分析:復(fù)雜管網(wǎng)

5.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證提出的輸氣路徑數(shù)學(xué)模型,采用復(fù)雜的天然氣環(huán)狀管網(wǎng)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證,如圖5所示,共有14條路徑、22個(gè)壓氣站。每條路徑的起、終點(diǎn)及運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表11,各條輸氣路徑終點(diǎn)分輸站的分輸能力見(jiàn)表12。

表11 管道運(yùn)行參數(shù)表Tab.11 Pipeline operation parameters

表12 分輸站的分輸能力Tab.12 Distribution capacity of distribution stations

圖5 天然氣環(huán)狀管網(wǎng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of annular natural gas pipeline network

5.2 優(yōu)化結(jié)果分析

使用數(shù)學(xué)規(guī)劃建模系統(tǒng)MATLAB,版本號(hào)2018b,電腦配置CPU:intel(R)Corei7 8thGen;RAM:16 GB;win10系統(tǒng),調(diào)用linprog和GA工具箱進(jìn)行求解。采用遺傳算法迭代到68次時(shí),計(jì)算時(shí)間為26.31 s。

5.2.1 輸氣路徑優(yōu)化結(jié)果

在輸氣路徑流量初始分配的基礎(chǔ)上,對(duì)管網(wǎng)的流量和壓力進(jìn)行優(yōu)化,各段管道初始代輸天然氣流量和優(yōu)化結(jié)果如圖6所示。管網(wǎng)各壓氣站的進(jìn)出站壓力及管網(wǎng)能耗優(yōu)化后結(jié)果見(jiàn)表13。

表13 優(yōu)化前后管道運(yùn)行參數(shù)Tab.13 Pipeline operation parameters before and after optimization

圖6 優(yōu)化前后氣量分配Fig.6 Gas distribution chart before and after optimization

輸氣路徑優(yōu)化后可以看出,應(yīng)該將氣量分配到與該管線輸氣能力接近時(shí)能增大輸氣效益。同時(shí),對(duì)各條管線上的進(jìn)出站壓力、溫度,以及壓縮機(jī)功率進(jìn)行優(yōu)化,將優(yōu)化后的結(jié)果利用PipelineStudio軟件進(jìn)行仿真模擬,結(jié)果表明采用初始流量分配方法求得流量分配方案與優(yōu)化得到的方案接近,該方法可以有效縮短輸氣路徑優(yōu)化過(guò)程中搜索最優(yōu)解的時(shí)間。

5.2.2 利潤(rùn)分析

優(yōu)化后得到的輸氣路徑所獲得的管輸收益如圖7所示。對(duì)應(yīng)優(yōu)化后的壓氣站參數(shù),計(jì)算得到各條輸氣路徑的能耗成本如圖8所示。

圖7 各條輸氣路徑管輸收益Fig.7 Revenue of each gas transmission path

圖8 各條輸氣路徑能耗成本Fig.8 Energy consumption cost of each gas transmission path

實(shí)際輸送過(guò)程中,管網(wǎng)公司代輸天然氣后的管輸收益為1 183.3萬(wàn)元/d,能耗成本為497.7萬(wàn)元/d,實(shí)際利潤(rùn)為685.6萬(wàn)元/d。輸氣路徑優(yōu)化后,管網(wǎng)公司代輸托運(yùn)商的天然氣的管輸收益增加了61.5萬(wàn)元/d,收益提高了5.2%,能耗成本增加了24.6萬(wàn)元/d,輸氣路徑優(yōu)化后總利潤(rùn)增加了36.9萬(wàn)元/d,整體利潤(rùn)提升了5.38%。

6 結(jié) 論

管網(wǎng)中各管道和分輸站的剩余輸送能力滿足托運(yùn)商要求的情況,建立了管輸容量分配優(yōu)化模型,通過(guò)優(yōu)化各路徑的流量分配和節(jié)點(diǎn)壓力,得到最優(yōu)輸氣路徑方案。同時(shí),兩條并行輸氣路徑中,管徑越大、剩余能力越大的路徑天然氣分輸量越大,輸氣收益越大。本文利用MATLAB軟件,采用遺傳算法優(yōu)化了每條路線的流量分配以及沿線的站場(chǎng)能耗,結(jié)果表明各條輸氣路徑中的流量和各管道的壓氣站能耗具有優(yōu)化空間,能夠增大管網(wǎng)公司收益。同時(shí)將模型應(yīng)用到小型、大型天然氣管網(wǎng)均適用,表明該優(yōu)化模型具有一定的推廣性。