管道科技研究中心天然氣管網運行優化技術

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管道科技研究中心天然氣管網運行優化技術

天然氣管網運行優化是最優化技術在管輸生產中的具體實踐，其本質是在管道系統結構和外部條件已知的情況下，根據氣源的供氣和用戶的用氣需求，考慮一定的限制條件，對管道系統的運行參數進行優化，有效地進行調度管理，使管網工作狀況滿足最優準則要求，達到經濟、安全、平穩輸氣的目的。

國外已形成管道（網）運行優化的商業軟件，如DNV GL公司的SynerGEE-Gas、ESI公司的Pipeline Optimizer、Gregg公司的FlowDesk等；在國內，管道運營單位和石油院校聯合開發了一些專用的管道優化軟件，如WEGPOPT和SimuOpt2007等，這些具體管道優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模復雜天然氣管網的運行優化難題。

由于天然氣管網系統運行優化屬于典型混合整數非線性規劃問題（Mixed Integer Nonlinear Programming，縮寫為MINLP），主要體現在以下兩個方面：①輸氣管網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、管網中的流量、站內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年開始研究管網優化技術，旨在計算中國石油骨干管網在特定工況下的最優運行方案。綜合考慮問題的難度、生產的急迫性和國內外研究情況等多方面因素，優化項目組制定了管網定制優化及管網通用優化兩條技術路線，分別滿足短期優化生產需求和長期管網業務發展。

（1）管網定制優化技術路線

由于中國石油骨干管網具有規模大以及結構復雜的特點，直接進行優化求解較為困難。中國石油管道科技研究中心自主開發了管網定制優化引擎，能夠對骨干管網進行區域系統優化，現已進入生產測試環節。區域系統優化指的是按照地理位置、管網關聯程度等因素，將整個管網系統分成幾個區域子系統，采用DP算法進行優化。下面以西部管廊作為目標管網，進行定制優化技術的說明。西部管廊管網系統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供流程，定制優化引擎中對紅柳聯絡站做出簡化處理，將紅柳聯絡站轉供量作為輸量臺階處理，即西一線和西二三線（聯合運行）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，其拓撲結構如圖2所示。依據關鍵分支點將管網拆分后，按照流向，分別應用DP求解每條分支，最終回溯得到管網運行優化方案。

圖2 西部管廊拓撲結構簡圖

圖3 通用性管網優化方法技術路線

（2）管網通用優化技術路線

考慮到中石油天然氣與管道業務的持續發展，中國石油管道科技研究中心正組織力量開發管網通用優化引擎，用來計算任意結構大規模管網的最優運行方案，目前正在進行算例測試的工作。管網通用優化引擎采用的是動態規劃法與線性化技術結合的方法，整體路線如圖3所示：首先，將整個管網系統進行重構，拆分為若干管鏈及聯接他們的關鍵節點，每條管鏈中不含有任何分支和環狀結構。如圖4所示，原管網系統經過重構后形成了7個虛擬壓縮機站以及8個關鍵節點。

圖4 管網重構示意圖

其次，MINLP模型線性化近似。經過管網重構和線性化之后，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問題就被轉化成了一個混合整數線性規劃問題（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模型的規模也比原MINLP的規模大大減小、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鍵節點的最優壓力和最優進、出節點流量。最后一步需要通過各個關鍵節點的最優值回溯出管鏈內每個壓氣站的最優出站壓力和開機方案，這個過程仍需要調用動態規劃法。

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

李博 柳建軍 管道科技研究中心工藝所