城市燃气管网优化分析概述

[摘 要] 介绍了我国天然气管道的发展现状叙述了城市天然气管网优化的六种方法：图论法、动态规划法、基于Hopefield的神经网络法、MCST法、约束导数法、广义既约梯度法等在城市天然气管网规划中的应用。认为多目标化、模糊化和灰色优化是今后城市天然气管网规划发展的主要发展方向。

[关键词] 天然气管网 优化方法 建议 发展 应用

1.我国天然气管道发展现状

自20世纪60年代我国建设了第一条输气管道（巴渝线）以来，经过40余年的建设，输气管道事业有了很大的发展。至2001年底，全国陆上管道输送里程达到11403.3km。由于受天然气资源的限制，此前我国天然气管道大部分集中在四川省境内。四川管道输气里程占全国总里程的31.4%，在川内五大气区建设了区域性管网，形成了连接各气区和主要城市的环形干线，使得天然气输送与调节更加灵活。从70年代起，在东北、华北和山东、西北建设了较大规模的输气管道，从陕北至北京的陕京线，还有正在修建的忠武线、西气东输管线，这些管线的建成将极大地推动我国天然气管道网的发展。但从整体而言，我国天然气管道现存在的主要问题如下。

（1）管输利用率。我国现有天然气管道管径小，压力低，运距短，输量不足。大部分的管道利用率低于50%，而国外输气利用率一般为70%以上。

（2）旧管道自动化水平低。四川气田是我国气管道比较集中的地区，目前只是在新建的北干线的个别站上实行了站控，其他均为手工控制，不能实现全线统一控制。

（3）管道能耗大、用人多、老化严重。全国天然气管道单位输气耗气量是国外水平的2倍左右。有相当数量的60年代建的气管道仍在使用，管道老化现象严重。

（4）从80年代以来2世界天然气管道建设向地理、气候条件恶劣区域发展。如苏联、挪威、美国近年来的天然气管道建设。而我国特殊环境中（如深海、沼泽、山地等）管道施工技术方面落后。我国天然气管道分布零散，没有形成相互关联的网络，不能互相调配统一管理，管道利用率低。因此，只有规划设计最佳效益的全国输气管网，在新建大型管道时服从统一的规划，建设上水平、上档次，才能最有效地利用天然气资源，加速我国天然气工业的发展。

2.管网规划的方法

2.1图论法

文献中将复杂枝状燃气管网系统作为研究对象,在勘察设计定线后,采用分级优化的策略,将整个输气管网优化设计问题分解成布局优化、参数优化和方案优化3个子问题。布局优化的目标是使整个管线网络铺设的可行线路总长最短。

根据图论可知,输气管网系统可抽象为无向网络,气源、压气站、供配气节点为网络节点,两点间管线为网络的边。在暂不考虑某些因素,如气体的流向、流量分配的情况下,将这些节点用可能的管道联结起来,以两节点间的管段长度为权,保证所有管道长度之和最短。这样,输气管网布局优化问题便转化为求无向网络的最小生成树问题,可以采用破圈法、边割法,但是它们的共同特点是都不便用计算机进行编程处理。常用的方法有图论中的Dijkstra算法和Kruskal算法,这些方法只能在已知固定点间求总长最短的几何布局。1972年,纽约大学张希国教授提出的Steiner算法有效地解决了具有较大规模的网络最短树问题。通过引入外点(称为Steiner点) ,使求得的最短树总长要不大于用以上几种方法求得的最短树的总长。只考虑固定点而不考虑引入额外点所形成的几何布局(即最短树),只是Steiner最短树的一个特例。实际的设计结果表明:在所有求最短总长管网布局的算法中,SI算法效果最好。

用以上几种算法求得的管网布局仅是将管道投资看作其长度的线性函数,没有考虑管网的投资费用和运行费用等,实质上求得的是初始可行解,只能作为管网的初始布局。实际上,管道的投资不只是管道长度的线性函数,管道投资函数的恰当表示对问题的正确解决相当关键。因此,管网系统布局优化的主要困难在于其最优布局与管道的具体参数(如流量管径和壁厚)两者相互关联,使问题变得很复杂。若将这2个方面分割,分别进行优化设计,则不能达到真正的最优。在优化时,应将这2个子问题看作从管网系统中分解出来的2个相互关联的子问题,不断对二者进行协调。

2.2动态规划法

动态规划法对一个管网中各节点的压力进行优化,并通过求得的最优压力从设备列表中选择相应的管网元件(管道和压缩机),使管网的建设和运行费用最低。动态规划法难以同时处理多决策变量的优化问题。该方法中,压气站的数目和位置以及各管段的长度和管径都需要预先给定,并且不适用于处理网络元件(包括管道、压气站、储气库等)较多的大型网络系统。其原因是用动态规划法求解时存在维数灾难:若一维状态变量有m个取值,那么对于n维问题,状态xk就有mn个取值,对于每个状态值都要计算、存储最优值函数fk(xk)。对n稍大(即n=3)的实际问题的计算往往是不现实的,目前还没有克服动态规划中维数灾难的一般方法。

2.3基于Hopfield的神经网络法

20世纪80年代,Hopfield (1982)和Tank (l985)用人工神经网络(ANN)方法求解TSP问题(travelingsalesman problem)获得了成功。该方法是通过对神经网络引入适当的能量函数,使之与问题的目标函数一致来确定神经元之间的联结权,随着网络状态的变化,其能量不断减少,最后达到平衡时,收敛到一个局部最优解。神经网络是一种仿效生物处理模式以获得智能信息处理功能的理论。神经网络的基本特征是大规模并行处理、容错性、自适应性和自组织性。

文献针对输气管网布线优化模型,将目标函数和约束条件合并,建立基于Hopfield神经网络输气管网布局优化能量函数。采用Hopfield神经网络优化方法求解输气管网布局优化问题可有效解决动态规划法存在的维数障碍问题。采用两城市间管线长度作为权值,考虑到实际工程中具体情况,如特殊地形、穿跨越等,各管段投资并不一定线性近似于路线长度,采用最短路径指标规划输气管网存在一定局限性。可采用各点间投资费用作为管网布线参数代替两点间长度,用于最优路线选择计算。

2.4 MCST法

Cheeseman和Graham等试图用工业程序优化管径,主要集中在解决稳定流中单相气体的压力分布,这种方法并不适合解决有约束条件的优化问题。Flanigan对此进行了改进,提出约束的最速下降法,其缺点是受到整个管网结构设计的限制。为了更好地解决管网优化设计问题,将MCST算法(最少成本分支算法)与约束导数法(constrained-derivatives,简称CD法)相结合,在MCST算法确定管网布局的基础上利用CD法优化管网参数。MCST算法首先用来选择2点间成本最低、跨度最小的分支,然后从2个节点的树杈结构中选择包含3个节点的跨度最下的分支。重复该过程,直到连接所有点时停止。

2.5综合优化法

文献[7]论述了燃气管网优化的基本内涵,基于准边值管网建立了压力储备效益函数,将管网供气增加能力转换为效益价值,形成综合的目标函数,并提出将管段配气功能对管径的要求纳入而形成综合约束。提出综合优化原理,建立了一种综合优化模型。

文献得到2类具有准边界值的管网。一类是枝状管网,另一类是合理配管环网。这2类管网配置方案造价处于两端,显然有不同的压力工况,各零点的压力会在不同的水平上。因而零点压力高于允许最低压力的压力储备值会有不同,对应于2种压力储备边界值。利用这种造价与压力储备边界值的对应关系构造另一种管网优化目标。基于准边值管网构造压力储备函数以建立综合目标函数,加以综合约束进行燃气管网优化,即综合优化原理。

2.6约束导数法

对于那些具有等式约束或能将不等式约束条件化为等式约束的输气管道工艺参数优化设计问题,国外学者主要使用约束导数法来解决。Flanigan使用约束导数法分别对天然气管网系统中管道的直径和压缩机的功率进行了优化,优化时预先给定管网中压气站的数量与位置,文献将设计变量分成决策变量和状态变量2类。约束导数法是一种经典的数学规划方法,但也只能对设计问题的局部进行最优化。

2.7广义既约梯度法

Edgar等首先将广义既约梯度法应用于天然气输送网络的最优设计。此项技术能同时确定压气站的数目、2个压气站之间的管段长和管径以及压气站中压缩机的操作工况(进气压力、排气压力)等设计变量的最优值,使管网投资和运行费用最低。广义既约梯度法在解决有约束的非线性天然气管网规划问题方面具有较高效率。此算法使对所有设计变量同时进行最优化成为可能。但应注意,优化得到的最优管道直径只能以连续的形式给出,要得到离散的最优管道直径值,还需要辅以其他优化方法,如分支定界法、次梯度优化法等。除了上面介绍的方法外,刘恩斌等人将遗传算法也引入了天然气管网规划中。

3.发展趋势及建议

3.1多目标规划

多目标规划比较复杂,其关键是解的概念问题。在多目标优化问题中,各目标函数是矛盾的。在管网多目标优化中,假设考虑降低管网投资与降低管网的动力能耗2个目标函数,如果选用小管径,会降低管线投资,但同时会增加液体输送阻力,从而使管网的动力能耗增高。反之,增加了管线投资。由此可知,由于目标函数的冲突性,导致不能唯一地评价设计方案的优劣。目前,解决多目标规划的方法通常是评价函数法、分层序列法和增量系数法等。

对管网进行多目标优化可提供从多个方案进行选择的机会;通过求解替换模型问题,可以把一个非优的初始方案“有效化”;为最终决策提供依据。

3.2模糊优化

考虑事物的模糊性,用隶属函数作为桥梁将其数量化,从而利用传统的数学方法进行分析处理,模糊数学理论,其应用范围涉及自然科学、社会科学、工程技术等诸多领域。

随着工程中研究对象的复杂化,必然要遇到大量的模糊因素,而现代信息化、人工智能化的发展,也要对模糊信息进行识别和处理。由于工程优化与现代各科学领域间相互交叉,新的设计理论和方法、技术不断涌现,工程模糊优化应用将更广泛。

3.3灰色优化

1982年,邓聚龙教授创立了灰色系统理论。灰色系统是指信息不完全的系统。社会、经济系统一般都是以“灰元”、“灰数”、“灰关系”为特征的灰色系统。灰色系统理论以其横断面大、渗透性强的特点,正在农业、科教、生物、地质、史学、军事、行政等方面得到广泛的应用。当前,已有学者对其理论在输气管道的优化设计,以及管道结构的可靠性等方面进行了探讨。

综上所述,燃气管网系统是大系统,由于其复杂性、多元性,其优化的工作量大。在今后的规划工作中必须遵循具有先进性、整体性和持续性原则。大力发展新的规划软件,同时引进国外已经成熟的软件,从而提高管网点的综合利用率,提高规划设计和生产管理水平。

3.4建议

鉴于油气管网规划决策属于半结构化、程序化、风险型和竞争型、多目标复杂决策类型，为了提高管网规划工作的效率和成果质量，建议选择先进成熟的智能决策支持系统开发平台，并基于该平台开发建立包括布局优化、管道走向优化和管网参数优化3个相互影响和制约层次的“油气管网规划决策支持系统（PPDSS）”，并可考虑先期开展天然气市场需求预测模型、天然气产运销模型、线路优选模型、管网参数优化模型等相关优化模型的研究，为油气管网规划决策支持系统的建设积累经验和数据打下良好的基础。

参考文献:

[1]刘恩斌,彭善碧,李长俊等.基于遗传算法的天然气集输管网参数优化设计[J].管道技术与设备,2004(4)：1-3.

[2]李波,余红伟.管网布局规划技术综述[J].石油规划设计,2001,12(1)：16-18.

[3]李长俊.天然气管道输送[M].北京：石油工业出版社,2000

[4]李余斌,黄坤等.城市天然气管网规划现状[J].油气储运,2006,25(10)：10-16

[5]苏欣,袁宗明,张琳等.城市天然气管网规划现状[J].西南石油大学,2006（4）：5-7

[6]杨祖佩,高爱茹.我国天然气管道的现状和发展[J],中国石油管道分公司管道科技研究中心,2002.

[7] 严铭卿.燃气管网综合优化原理.煤气与热力，2003，12(12)：741-745

[8]刘贺群,于洋.我国天然气管网发展现状和趋势[J],中国石油天然气股份有限公司规划总院,2005,13（12）：11-12

作者简介：

刘彬（1984-05），男,汉族，重庆九龙坡区人，2007年毕业于西南石油大学油气储运工程专业，工作单位：西南油气田分公司蜀南气矿江安采气作业区，主要从事天然气开发及集输气管理工作。