天然气集输管网优化设计方法研究

2009年第6期内蒙古石油化工天然气集输管网优化设计方法研究李征(辽河油田公司特种油开发公司,辽宁盘锦124000摘要:气田地面梟输管网工程是气田地面工程的主体工程,也是一个投资巨大、内容复杂的亲统。气田地面集輪菅网的优化,即明确气井与集气站的最佳归属关来、最优网络布局以及最优營径组合。在调研国内外大量文献的基础上,根据管道经济性和结构可靠性原则,建立集输管网优化数学模型,采用分级优化的方法及遗传算法,对梟输管网优化数学模型进行求解,最终解决气田地面集输管网無统的整体优化问题关键词:集输管网;优化设计;遗传算法;程序1天然气集输管网优化模型的建立一个节点。当所有站点都包括在内时,程序便结束运目前国内广泛采用的是多级集输流程,所采用行,否则继续循环的集输系统管网主要有放射状(或称星形)树枝状3参数的优化—最优管径组合的确定和环状,以及这三种方式的组合形式。考虑到实际使当初始最优网络布局确定之后,就需要确定使用的情况和研充方便,本设计研究的气田集输管网管网投资和操作维护费用最小的最优管径组合,即是一种星形管网与枝状管网相结合的形式,即各气管网的参数优化设计。本设计针对输气管网结构参井与所属集气站以星形连接,集气站之间以集气干数设计问题提出了优化设计模型,并讨论了含连续线连接,集气干线将各集气站与集气总站呈枝状连变量和离散变量优化设计的求解方法。接起来3.1数学模型2数学模型的求解3.1.1目标函数集输管网的最优布局是在集气站的优化站位确采用管网系统建设时的一次性投资和在使用年定以后,对各个集气站与总站的连接方式进行优化限内所支付的总经营费用之和为目标。其中一次性研究在暂不考虑某些因素影响的条件下,要使得整投资包括管网建设费用(这里不包括压缩机建设的个网络铺设的可行管线总长为最短对于这类问题,相关费用),同时考虑投资的时间性,引入“折算费可采用图论的方法进行系统分析和确定)。用”的概念,因此,目标函数可表示为本设计采用 Prime算法23确定集输管网最优s(D,8)=2(a+a1D+aG)L1+(1+i0)y-1(1) Prime算法如下L(1)假设网络图的固定节点为:A={A1,A2,A3式中:S表示输气管网的年折合费用,万元/aAn},再假定两集合B1和B2,则 Prime算法的具体步a表示管道勘察、设计投资费用等,万元/km;a1表骤如下:示管道施工投资系数,与防腐绝缘层、挖沟回填等有Stepl:B1+{A1}B2+{A2,A3,…Aa}。关,万元/(mm·km);a2表示购买及运输管道投step2:在B1中的诸节点与B2中的诸节点有边系数,万元/t;D表示管道外径,mmG表示单位管相连的所有边中,找出最短距离的边。假设B1中A1道长度的重量,它与管道管径D、壁厚等有关,t/与B2中A两点连线最短,则连接A1与A1作为解的kmL表示管道长度,km;y表示管道使用年限,an部分枝,并且:B1+B1U{A}B2B2-{A表示管道数;io表示内部收益率,一般为0.12~0.Step3:若B2是空集,结束搜索,否则,回到15a-;co表示单位管长管道的年经营费用系数元/km·a)。(2) Prime算法的程序设计说明:3.12约束条件确定集输管网最优布局与最小生成树问题相①节点流量平衡方程似,只要给出集气站的位置,算出集气站之间的距离,就可以求出最小生成树,从而也就确定了最小布∑aQ+q=0局。各个集气站之间的距离用数组来表示,采用三个式中,,=12,…表示节点编号;N表示节点指针来分别记录距离值、最小生成树的本节点和下总数中国煤化工节点之间元件CNMHG收稿日期:2009-01-10作者简介:李征(1982一),助理工租师,大学学士1200年毕业于西南石油大学并获学士学位,主要从事油气田地面建设管星工作20内蒙古石油化工2009年第6期的通过量设计管段管径编码含义f0,节点i和j无关外径/m十进制编号二进制编号a;=11,节点i和相关,从节点输入1,节点i和j相关,从节点输出②气体在管道中的稳定流动方程13320】0Q=0.038×10P-s)=D√△TL1-2式中:Q表示天然气在标准状况下的体积流量,245m3/s;PQ表示管道上节点压力,MPa;PZ表示管道下节点压力,MPa;D表示管道内径,mm;S表示管段两端高程差;λ表示水力摩阻系数;△表示天然气设计管段壁厚编码含义的相对密度;Z表示天然气的压缩系数;T表示天然壁厚/mn十进制编号二进制编号气的平均温度,K;L表示管段长度,km;a=2g/ZRT。4.0③节点气量约東(4)5.0式中,qm、q分别表示节点i气量的下、上限。5.53456100④节点压力约束Pin≤p1≤pmx(5)7.l101l1式中,分别表示节点压力的下、上限。⑥管段承压约東编码完成后,管网的设计方案即可用按管段编(6)式中,P=m表示管段j承受压力的上限号顺序排列的一串0,1字符来表示。遗传算法模块可见,上述模型是一个多维约束、非线性混合中处理的对象是二进制字符串,最后得到的最优方离散优化问题。由于设计模型中既有连续变量又有案要解码还原成标准的管径和壁厚离散变量,增大了求解难度。本设计采用遗传算法Step2:初始种群的产生来进行求解。遗传算法中二进制字符串的长度取决于管网的管段数,假如管网的管段数为9,则所需的二进制字3.2数学模型的求解采用遗传算法求解需要将约束条件转化到日符串数为9×6=54通过54次调用随机函数产生二进制数的算子,获得所需长度的字符串,就产生了初标函数中去对于不等式约束条作,一般采用惩罚函始的管径选择方案即初始个体每个个体代表不同数法因此,目标函数可转化为(其中P1为惩罚因的管径选择方案。重复上面的方法就可以得到多个初始个体,形成初始种群。子)step3:适应度f(i)S(D,8)=min{[〔a+a1D+a2×2.48068×8×管网优化计算中的适应度f(i)必须反映管网遣i(1+i)价和每年的维护费用以及年运行费用,同时应该做(D-8)×a(1+)1)+c]L+B到费用越低则方案的适应度越大才能达到管网优+Pr化的目的。按照这个要求,通常可以将适应度f()表示为费用函数S(D,3)的倒数〔c(q)+∑p(p)+p)〕(7)Step4:选择式中,n为管段数,m为节点数。按照编码规则,对群体中的每个个体进行解码,3.3遗传算法的基本步骤还原出管网的管径和壁厚信息,代入f(i)计算适应Step1:编码度。被选中的每个个体具有一个选择概率,这个选择在确定了设计变量和约束条件,建立了优化模概率取决于种群中个体的适应度及其分布型之后,首先需要进行编码,即把管径和壁厚信息用本设计采用轮盘赌选择方法。该方法是目前遗数字串表示。这个数字串是相应管径和壁厚的基因传算法中最基本也是最常用的选择方法。在该方法型,而管径和壁厚是基因的表现型本文采用二进制中,各个个体的选择概率和其话应度值成正比编码如表1和表2所示,假设管网中有八种管径和八中国煤化工种璧厚,则用两个三位二进制码分别表示。一条管段的信息对应着一个六位二进制码,前三位对应管径,新CNMHG构加以替换而生成目的是为了能够在后三位对应壁厚。下一代产生新的个体,就像人类社会的婚姻过程,通过交又操作,遗传算法的搜索能力得以飞跃的提高。2009年第6期李征天然气集输管网优化设计方法研究21交叉是遗传算法获取新优良个体的重要手段(3)管段基础数据如下表:本设计采用单点交叉其具体操作为:在基因串管段编号123456中以概率Pe选择一个交叉点,实行交叉时,该点前或后的两个个体的部分结构进行互换,并生产新个长度(m)150012001200800800900115012001000体采用遗传算法思想编制了软件,并利用计算机进行迭代仿真得到了该设计方案的优化结果,表3变异操作是以概率Pm对群体中的每个个体基是各管段的最优管径组合以及这种方案下对应的管因串的基因值进行改变在本设计中,变异操作就是段费用(单位:万元)把基因值取反,即由0变为1或由1变为0。通常情况程序界面及运行结果如下:下变异概率取1%~5%丧3管段的最优管径组合及对应的管段费用step7:迭代管段号管径壁厚管段费用经过上述步骤后,初始种群已经进化成新的种(mm)群了。对新的种群再进行适应值的计算、选择、交叉0,8745和变异,如此重复操作,种群中的个体适应值和种群114平均适应值将不断提高0.6022step8:算法终止条件1086.00.3929虽然遗传算法具有概率1收敛的极限性质然234567891590.4664而实际算法通常难以实现理论上的收敛条件。因此,2190.62211140.5772常用方法包括:给定一个最大进化代数;给定个体评0.5892价总数;给定最佳搜索解的最大滞留代数等本文采0.5019用最大进化代数来终止算法。从程序运算结果可以看出,该方案是经济可行4程序说明与算例分析集输系统由10个集气站(即10个节点)和9条管段进行了分析,占管网总方案数(8×8)9的0构成,节点1为集气总站,其出站压力(即外输压力)000004%,这个数相当小,说明用遗传算法求已知,为MPa;各管段技术、经济参数及其它参数已解效率很高。知如下:5结论(1)基础参数本文对天然气集输管网优化设计方法进行了较输气管段中气体温度:T=293K为详细的探讨,并分别实现了布局优化和参数优化,天然气相对密度:△=0.6主要研究成果如下压缩因子:Z=0.95(1)建立了管道投资和结构可靠度两个目标函管材最低屈服极限:o=210MPa数,采用层次分析法对气井进行分组,建立了相应的钢管纵向焊缝系数:9=0.5判断矩阵,由每口井的权重值,确定了气井一集气站钢管温度折减系数:K1=1的归属关系设计系数:F=0.72(2)采用图论中的 Prime算法,确定了集输管网的最优布局。(3)利用遗传算法进行编成,参数设定具有不确定性,且操作方法无固定模式。本文采用遗传算法确定集输管网最优管径组合,并确定此组合下各管段的费用。〔参考文献〕[1]盂荣章.大型气田集输管网布局优化.石油规划设计,1998,2:16~18[2]李元朋等.油田地面集输管网优化计算研究油气储运,2004.23(10):17~19图1某气田集输管网布局示意图[3]陈开周.最优化计算方法陕西:西北电信工程(2)经济参数学院出版社,1985.260~263管道使用寿命:y=20年;内部收益率:io=0.[412;与管径无关的敷设费用:40=1.5万元/km;与管中国煤化工天然气集输管网参设备,204,(4):1径成正比的敷设费用:a1=0.01377万元/(kmCNMHGmm);与管重成正比的费用:a2=0.·096万元/(km·[5z.米凯利维茨(美)演化程序一遗传算法和t);管道的年经营费用:co=0.1万元/km·a)数据编码的结合.北京:科学出版社,2000