天然气集输系统优化配产

2008年第1期内蒙古石油化工51天然气集输系统优化配产刘世甲(华北油田分公司第三采油厂,河北河间062450)摘要:天然气集输系统优化配产是以地面天然气集输管网为研究对象,并在管网建设完成后,按照气田对集输管网的充分合理输气,配气站对天然气用户的充分合理配产,进而达到供给平衡和满足天然气消费为目的，从而使气田获得最大的经济效益和销售公司获得的最大经济利益为目标，并根据不同季节和时段的用气量不同,通过对天然气管网系统输配气过程中各种影响因素,包括压气站、管道内压力降分析以及管内流动性分析,其中通过压力降方程的推导，用Newton-Raphson方法对管网模拟集统方程的求解,并给出各节点压力和流入流出量的实例。本文还可以将模型推广到其它种类的管道类型,以及其他领域,如供水管网优化问题等。关键词:压气站;输气管道;压力降;Newton- Raphson;数学模型;集输配产;时间序列;罚函数1绪论2.2数学模型的建立随着由计划经济向市场经济过渡在各大油气销maxF= isat- ioQi- hiAQ售的推进进程,天然气越来越成为人们生活中的必[(e)*-1]须燃气能源,在气田内部，每一口井由于其输往气田s;一销售企 业向用户j销售天然气的售气价，集气总站所经过的管线长度和输气压力的不同,从元/万m'而造成了每口气井外输单位气量的成本消耗不同。-销售企业在气源i处的购气价,元/万m'气田的实际产气的多少,除了与各气井的产量有关系,而更多的是受到市场对天然气的需求量影响,而Qs一-在时间段t,销售公司向用户j销售天然天然气的需求量多少是取决于用户的用气量,用户气的流量,万m*/h的用气量不是恒定不变的,不但随着季节的不同而Qi一-在时间段t,销售公司从气源i的购气变化甚至每天的时间段的用气量也是不均衡的。量,万m*/h作为天然气生产企业的各气田,只有适应这种h,-.压气站z的单位运行费用;元/(kW●h)需求变化,制定合理的输配气运行方案和各气井的Q%mn一压气站z 的天然气吸入流量,万m*/h合理配产,才能实现其最大的经济效益。A一-代表压气站功率计算公式中所有的常系在气田内部如何合理的调度生产和配置各气井数之积的产量以适应季节性和时段性的需求量变化,进而a- ,k为气体的绝热指数通过各种自动化仪表,灵活的调度气田的生产,进而2.3约束条件实现自己的最大经济效益。2.3.1气井的产 量的约束:inSQi:SQ' li/max2优化数学模型的建立2.3.2气源供 气压力的约束:P'/mim SPiSP/mx,t2.1决策变量的确定=1,2,",T;Qi:-在时间段t,销售公司从气源i的购气2.3.3压气站处理能力的限制:AQwm[(e)*-1]量,万m2/h; .Qz一在时间段t, 销售公司向用户j销售天然SNm,t= 1,2,.T;2.3.4用户天然气需求量约束:Q2mim≤Qi≤Qimx气的流量,万m*/h;Q一- 在时间段t,管段mn内的天然气流量，2.3.5管路压降方程:Q- 5020d$tg°ze]as万m*/h;3模型的求解fu一在时间段t,压气站z的运行费用,元。3.1构造罚函数收稿日期:2007-09- 15作者简介:刈世甲(1970- -),男,1990 年毕业于华北石油学校石油矿场机械专业,助理工程师,在读河北工业大学石油工程专业。长期从事油田机械设计与维修工作。52内蒙古石油化工2008年第1期构造罚函数,将原非线性约束问题转化为无约允许误差e,即束问题:3 d2(1Sd2SD2)使得-Co2(X!)>eminP(X,M)=.三scQis+三立h:AQ .[(pou/或者存在某-一个等式约束函数基于步骤B求得的最优解的函数值的绝对值大于步骤A确定的允许p:%)*-1]-. 3S,Q% +Ms.2 [Ca(X)]* +MS误差e,即[Car(X)]'pa(Ca2(X))3 d1(1≤d1≤D1)使得|Ca(X*)|>e式中:M--罚因子;则需要取M= Mn+1>Mu,然后继续回到步骤D1- 模型中等式约束个数，模型中为B;否则,停止迭代，得到本文模型的最优解。2;4结论D2---模型中不等式约束个 数,模型中本文根据历年数据资料,用时间序列预测对气为9;井产量和用户的消费进行短期的预测,其中气井产3.2具体实现步骤量分稳产期与递减期来分别预测,稳产期也用时间序列建立数学模型;递减期则利用J.J.Arps建立的minP, (X,M)= 2.cQi + 2hlAQimn [(poul三种递减模型,即指数递减,双曲线递减和调和递减照来判别预测,然后用二元回归分析法来求解,最终建pl)'-1]-Ess,Q&s+M[Ca(X,)]"+M [Cn立了有压气站的输配气管网运行优化的数学模型，(X,)]pua(Cax(X,))(1)并使用罚函数法实现了对该非线性规划问题模型求我们按照如下的步骤求解上面的约束规划模解。型:[参考文献]A.取定一个罚因子M=M1>0,确定一个允许[1] 李仕伦.天然气工程.北京:石油工业出版社，误差e>01998.B.求解由约束极值问题转化成的无约束极值[2]胡运权,郭耀煌.运筹学. 北京:清华大学出版问题的最优解:社,1998.minP,(X.,Mu)=. zcQi+ (:iQ(i[:(u/i[3] 曾自强,张育芳.天然气集输工程.北京:石油工业出版社,2001.-1]- SQs+ Mu之[Ca(X,)]*+Mn 3[Cn[4] 江茂译,徐羽镗,王寿喜，曾自强.输配气管网的模拟分析.北京:石油工业出版社,1993.(X)]'ua(Ca(X,))(2)[5] 李长俊.天然气管道输送.北京:石油工业出版式中:k1表示罚因子的迭代序号。社,2000.用最优下降法找到(2)的最优解,计为X".C.检验是否满足停止迭代条件(检验是否已经[6]Battelle Columbas Division. Guidelines forHazardEvaluation procedure. NewYork :求得最优解)如果,存在某一个不等式约束函数基于步骤BAmerican Institute of ChemicalEngineers,1985 .求得的最优解的函数值的相反数大于步骤A确定的Optimized Distributing Production of Natural Gas Gathering and Transportation SyetemLIU Shi- jia(The Third Oil Production Factory of Huabei Petroleum Company, Hejian, Hebei, 062450)Abstract: The optimize ration and produce of natural gas' gathering and transportation syetem studynatural gas' gathering and transportation pipeline network on the ground ,when finished the construction ofthe pipe net , gas field rationally transport gas to gathering pipeline network and the station of rationing gasrationally ration gas, we want gas field and selling corporation get the most benefit when we satisfy thebalance of supply and consume of gas , but we must consider different season and period the time to resultin different consumption of gas and other effect factors , for example the station of pressing gas ,fall of pressin the pipeline and streaming analyze on the pipeline. When we constituted the mathematic model,we solveit with Newton - Raphson method ,lastly,we will give some instance. This text extend to other pipe typesand other fields ,such as water suply pipe optimize problems.Key words: Station of pressing gas; Ipeline of tranpotation gas ;Fall of press Newton - Raphson;Mathematic model; Time sequence ; Penalized function