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管道科技研究中心天然氣管網(wǎng)運行優(yōu)化技術(shù)

天然氣管網(wǎng)運行優(yōu)化是最優(yōu)化技術(shù)在管輸生產(chǎn)中的具體實踐，其本質(zhì)是在管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和外部條件已知的情況下，根據(jù)氣源的供氣和用戶的用氣需求，考慮一定的限制條件，對管道系統(tǒng)的運行參數(shù)進行優(yōu)化，有效地進行調(diào)度管理，使管網(wǎng)工作狀況滿足最優(yōu)準(zhǔn)則要求，達到經(jīng)濟、安全、平穩(wěn)輸氣的目的。

國外已形成管道（網(wǎng)）運行優(yōu)化的商業(yè)軟件，如DNV GL公司的SynerGEE-Gas、ESI公司的Pipeline Optimizer、Gregg公司的FlowDesk等；在國內(nèi)，管道運營單位和石油院校聯(lián)合開發(fā)了一些專用的管道優(yōu)化軟件，如WEGPOPT和SimuOpt2007等，這些具體管道優(yōu)化軟件對于提高管道運行水平起到重大作用，但無法解決我國大規(guī)模復(fù)雜天然氣管網(wǎng)的運行優(yōu)化難題。

由于天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)運行優(yōu)化屬于典型混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題（Mixed Integer Nonlinear Programming，縮寫為MINLP），主要體現(xiàn)在以下兩個方面：①輸氣管網(wǎng)的運行方案主要由以下四類變量決定，即：壓氣站的出站壓力、管網(wǎng)中的流量、站內(nèi)壓縮機的啟停以及截斷閥的開閉。②約束條件主要有：管道承壓上限、管流基本方程、壓縮機可行域、壓氣站進出站壓力上下限、用戶合同壓力和流量等。目前，尚未有一類合適的算法和求解器能夠有效求解大規(guī)模的MINLP問題，MINLP問題在求解上依然有許多瓶頸尚未突破。

管道科技研究中心于2013年開始研究管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)，旨在計算中國石油骨干管網(wǎng)在特定工況下的最優(yōu)運行方案。綜合考慮問題的難度、生產(chǎn)的急迫性和國內(nèi)外研究情況等多方面因素，優(yōu)化項目組制定了管網(wǎng)定制優(yōu)化及管網(wǎng)通用優(yōu)化兩條技術(shù)路線，分別滿足短期優(yōu)化生產(chǎn)需求和長期管網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展。

（1）管網(wǎng)定制優(yōu)化技術(shù)路線

由于中國石油骨干管網(wǎng)具有規(guī)模大以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點，直接進行優(yōu)化求解較為困難。中國石油管道科技研究中心自主開發(fā)了管網(wǎng)定制優(yōu)化引擎，能夠?qū)歉晒芫W(wǎng)進行區(qū)域系統(tǒng)優(yōu)化，現(xiàn)已進入生產(chǎn)測試環(huán)節(jié)。區(qū)域系統(tǒng)優(yōu)化指的是按照地理位置、管網(wǎng)關(guān)聯(lián)程度等因素，將整個管網(wǎng)系統(tǒng)分成幾個區(qū)域子系統(tǒng)，采用DP算法進行優(yōu)化。下面以西部管廊作為目標(biāo)管網(wǎng)，進行定制優(yōu)化技術(shù)的說明。西部管廊管網(wǎng)系統(tǒng)包含西氣東輸一線西段、西氣東輸二線西段、西氣東輸三線西段和輪吐支線，包括27座壓氣站，總里程超過7000公里。

基于西部管廊連接方式以及紅柳站轉(zhuǎn)供流程，定制優(yōu)化引擎中對紅柳聯(lián)絡(luò)站做出簡化處理，將紅柳聯(lián)絡(luò)站轉(zhuǎn)供量作為輸量臺階處理，即西一線和西二三線（聯(lián)合運行）在紅柳站的連接斷開，此時，西部管廊簡化為流向確定的支狀管網(wǎng)，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。依據(jù)關(guān)鍵分支點將管網(wǎng)拆分后，按照流向，分別應(yīng)用DP求解每條分支，最終回溯得到管網(wǎng)運行優(yōu)化方案。

圖2 西部管廊拓撲結(jié)構(gòu)簡圖

圖3 通用性管網(wǎng)優(yōu)化方法技術(shù)路線

（2）管網(wǎng)通用優(yōu)化技術(shù)路線

考慮到中石油天然氣與管道業(yè)務(wù)的持續(xù)發(fā)展，中國石油管道科技研究中心正組織力量開發(fā)管網(wǎng)通用優(yōu)化引擎，用來計算任意結(jié)構(gòu)大規(guī)模管網(wǎng)的最優(yōu)運行方案，目前正在進行算例測試的工作。管網(wǎng)通用優(yōu)化引擎采用的是動態(tài)規(guī)劃法與線性化技術(shù)結(jié)合的方法，整體路線如圖3所示：首先，將整個管網(wǎng)系統(tǒng)進行重構(gòu)，拆分為若干管鏈及聯(lián)接他們的關(guān)鍵節(jié)點，每條管鏈中不含有任何分支和環(huán)狀結(jié)構(gòu)。如圖4所示，原管網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)過重構(gòu)后形成了7個虛擬壓縮機站以及8個關(guān)鍵節(jié)點。

圖4 管網(wǎng)重構(gòu)示意圖

其次，MINLP模型線性化近似。經(jīng)過管網(wǎng)重構(gòu)和線性化之后，非線性、非凸的管道和壓縮機的約束都在這個過程中被處理掉了，原MINLP問題就被轉(zhuǎn)化成了一個混合整數(shù)線性規(guī)劃問題（Mixed Integer Linear Programming，縮寫為MILP）。由于并不需要對每個壓縮機和管段都進行線性化，只需要對重構(gòu)后的虛擬壓縮機進行線性化。因此大幅度提高了算法的計算效率，并且減少了因線性化帶來的計算誤差。新的MILP模型的規(guī)模也比原MINLP的規(guī)模大大減小、求解難度大幅降低，可以采用MILP求解器（如Cplex、Gurobi等）進行計算。對MILP求解可以得到各個關(guān)鍵節(jié)點的最優(yōu)壓力和最優(yōu)進、出節(jié)點流量。最后一步需要通過各個關(guān)鍵節(jié)點的最優(yōu)值回溯出管鏈內(nèi)每個壓氣站的最優(yōu)出站壓力和開機方案，這個過程仍需要調(diào)用動態(tài)規(guī)劃法。

目前，中國石油管道科技研究中心研發(fā)的管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運行優(yōu)化引擎已經(jīng)集成到北京油氣調(diào)控中心綜合優(yōu)化平臺，成為穩(wěn)態(tài)月度方案制定的重要輔助工具。穩(wěn)態(tài)月度方案主要包括每條管道的輸量分配表和工藝參數(shù)表。應(yīng)用西部管廊定制優(yōu)化引擎，可以制定西氣東輸一線、西氣東輸二線三線（聯(lián)合運行）的輸量分配表，同時，該定制方法具備推廣到陜京系統(tǒng)和長三角局部管網(wǎng)的條件，未來可以滿足中國石油骨干天然氣管網(wǎng)的輸量分配表制定。輸量分配表確定后，對于任意管道應(yīng)用管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運行優(yōu)化引擎可以得到最優(yōu)的工藝參數(shù)表。優(yōu)化后，目標(biāo)管道典型輸量下穩(wěn)態(tài)運行方案具有2%左右的優(yōu)化空間。同時，由于掌握了穩(wěn)態(tài)運行優(yōu)化的核心技術(shù)，能夠滿足生產(chǎn)的特定需求，如站內(nèi)優(yōu)化、越站和指定開機等。

李博 柳建軍 管道科技研究中心工藝所