地下空間管廊內(nèi)燃?xì)夤艿婪€(wěn)態(tài)運(yùn)行技術(shù)優(yōu)化

郭 戈

(北京天興燃?xì)夤こ逃邢薰?北京 100071)

進(jìn)入21世紀(jì)后，天然氣逐漸成為生產(chǎn)生活中的支柱型能源。隨著天然氣管道數(shù)量的增多，管道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐漸復(fù)雜化，管網(wǎng)運(yùn)行整體調(diào)節(jié)難度進(jìn)一步增加[1]。如何保證燃?xì)夤艿揽煽糠€(wěn)定運(yùn)行成為當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。

文獻(xiàn)[2]提出采用層次分析法，利用GIS空間疊加技術(shù)對(duì)燃?xì)夤艿老到y(tǒng)展開(kāi)優(yōu)化布局，此方法在一定程度上保證了燃?xì)夤艿肋\(yùn)行的穩(wěn)定性，但是其無(wú)法應(yīng)對(duì)不斷增加的設(shè)備能耗需求。文獻(xiàn)[3]結(jié)合管網(wǎng)模型分割思路，將黃金分割算法與動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法進(jìn)行融合，形成了改進(jìn)后的動(dòng)態(tài)規(guī)劃和黃金分割混合算法。該方法提高了管道的運(yùn)行效率，增加了管網(wǎng)的管存量，但是其安全性尚未驗(yàn)證。

基于以上研究的成果與不足，本次研究設(shè)計(jì)了地下空間管廊內(nèi)燃?xì)夤艿婪€(wěn)態(tài)運(yùn)行技術(shù)優(yōu)化方法，主要對(duì)運(yùn)行技術(shù)的能耗問(wèn)題展開(kāi)優(yōu)化，并構(gòu)建仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)驗(yàn)證優(yōu)化后技術(shù)的應(yīng)用效果。希望通過(guò)本次研究，為日后的能源管理提供經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)支持。

1 地下空間管廊內(nèi)燃?xì)夤艿婪€(wěn)態(tài)運(yùn)行技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)能耗的具體優(yōu)化內(nèi)容如圖1所示。由圖1可知，本次研究將使用多種算法完成優(yōu)化過(guò)程，涉及大量技術(shù)部分，因此，將優(yōu)化過(guò)程的運(yùn)行平臺(tái)設(shè)定為高精度計(jì)算機(jī)，以此保證技術(shù)優(yōu)化結(jié)果的可行性。

1.1 燃?xì)夤艿婪€(wěn)定流動(dòng)方程構(gòu)建

為保證技術(shù)優(yōu)化后的可行性，首先對(duì)燃?xì)夤艿乐腥細(xì)夥€(wěn)定流動(dòng)方案進(jìn)行分析，以此為后續(xù)的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。本次研究主要對(duì)均質(zhì)燃?xì)鈁4-5]的流動(dòng)進(jìn)行分析，其余狀態(tài)燃?xì)獠挥?jì)入本次研究過(guò)程。

圖1 燃?xì)夤艿婪€(wěn)態(tài)運(yùn)行技術(shù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)

將管內(nèi)的燃?xì)饬鲃?dòng)情況設(shè)定為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)，則其運(yùn)動(dòng)參數(shù)可表示為

(1)

設(shè)定η、G、L為常數(shù)，則燃?xì)夤艿纼?nèi)燃?xì)鈮毫τ?jì)算公式可體現(xiàn)為

(2)

式中：E1為管道起點(diǎn)處的壓力測(cè)量值,Pa；E2為管道終點(diǎn)處的壓力測(cè)量值；E0為正常狀態(tài)下大氣壓強(qiáng),Pa；S為待測(cè)管道長(zhǎng)度,m；ω為管道內(nèi)阻力,Pa/m；z為天然氣傳輸管道直徑,mm；Y0為燃?xì)夤艿懒髁?m3/h；ρ0為燃?xì)饷芏?kg/m3；G為燃?xì)夤艿乐袣怏w平均溫度,℃；G0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下燃?xì)夤艿纼?nèi)溫度,℃；L為天然氣氣體的平均壓縮因子,m3/h；L0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下燃?xì)夤艿纼?nèi)氣體壓縮因子,kg/m3；?為氣體流動(dòng)計(jì)算系數(shù)。根據(jù)式(2)，可得到燃?xì)鈧鬏斶^(guò)程中的壓力損失計(jì)算公式：

(3)

(4)

式中：n、z為常數(shù)。使用上述公式可得到燃?xì)鈧鬏斶^(guò)程中的壓力損失，將此公式與常規(guī)運(yùn)行技術(shù)中的燃?xì)夤艿罃?shù)學(xué)模型相結(jié)合，則可得到管道中的能量變換方程：

RY(n+1)=-Y

(5)

式(5)為燃?xì)夤艿婪€(wěn)定流動(dòng)方程，根據(jù)此公式對(duì)管道運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模擬與分析，為后續(xù)的技術(shù)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)載體。

1.2 管道優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建

在管廊數(shù)學(xué)模型以及燃?xì)膺\(yùn)動(dòng)特征的基礎(chǔ)上，根據(jù)文獻(xiàn)[2]的研究結(jié)果，構(gòu)建目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，同時(shí)根據(jù)動(dòng)態(tài)規(guī)劃法[6-7]設(shè)定函數(shù)約束條件，為技術(shù)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

燃?xì)夤艿肋\(yùn)用優(yōu)化問(wèn)題可以理解為一種公式，即已知干線流量、壓力以及溫度等各項(xiàng)條件，求解管道的運(yùn)行方程，使得全管道的總能耗為最低能耗。在對(duì)燃?xì)夤艿肋M(jìn)行分析后，將優(yōu)化函數(shù)設(shè)定如下：

(6)

式中：D為單位長(zhǎng)度管線中的總能量消耗，kW·h；Ai為電動(dòng)機(jī)的能量消耗，kW·h；Aj為燃?xì)鈾C(jī)的能量消耗；α1為管道運(yùn)行過(guò)程中的電煤轉(zhuǎn)換系數(shù)；α2為管道運(yùn)行過(guò)程中的氣煤轉(zhuǎn)換系數(shù)；Rb為管道運(yùn)行過(guò)程中的燃?xì)廪D(zhuǎn)換量,kg；Bi為目標(biāo)管道內(nèi)的燃?xì)饬髁矿w積，kg/m2；Si為目標(biāo)管道長(zhǎng)度,m；χc為管道中第c個(gè)壓縮機(jī)的運(yùn)行功率以及運(yùn)行時(shí)間,s。為保證本次設(shè)計(jì)中提出的目標(biāo)函數(shù)具有應(yīng)用價(jià)值，將其約束函數(shù)設(shè)定如下：

(7)

(8)

式中：n為管道燃?xì)鈾C(jī)的轉(zhuǎn)速,r/s；δ為管道內(nèi)壓力比,Pa；J為目標(biāo)管道內(nèi)燃?xì)饬髁?kg/m2；W為管道壓縮機(jī)出站壓力,Pa。使用上述約束條件控制目標(biāo)函數(shù)的計(jì)算過(guò)程，并將其作為優(yōu)化過(guò)程中的主要參考內(nèi)容。

1.3 燃?xì)夤艿婪€(wěn)態(tài)運(yùn)行多目標(biāo)優(yōu)化

分析上文中的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)后發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行技術(shù)的優(yōu)化內(nèi)容為多目標(biāo)優(yōu)化，涉及多個(gè)領(lǐng)域的計(jì)算部分，為此，在技術(shù)優(yōu)化的最后部分，根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)函數(shù)，完成多目標(biāo)優(yōu)化求解過(guò)程，具體求解過(guò)程如圖2所示。

根據(jù)圖2，在本次研究中選用NSGA-II算法[8-9]作為技術(shù)優(yōu)化多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)求解算法。當(dāng)?shù)螖?shù)為0時(shí)，對(duì)目標(biāo)函數(shù)求解中需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化處理，生成求解所需數(shù)據(jù)種群，并對(duì)此種群選擇、交叉，得到子種群Bi，融合父種群與子種群數(shù)據(jù)，得到優(yōu)化數(shù)據(jù)目標(biāo)種群[10]。

圖2 燃?xì)夤艿婪€(wěn)態(tài)運(yùn)行技術(shù)多目標(biāo)優(yōu)化求解流程

目標(biāo)種群可表示為

(9)

(10)

(11)

為保證此目標(biāo)種群具有使用價(jià)值，對(duì)其等量條件進(jìn)行驗(yàn)證，得到新的計(jì)算種群，則有

(12)

(13)

對(duì)上述公式進(jìn)行分析后，保證其子種群中的數(shù)據(jù)落入指定區(qū)間內(nèi)，得到可得到最優(yōu)解的種群。具體計(jì)算公式如下：

(14)

將采集到的管道參數(shù)代入上述計(jì)算公式中，得到管道穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的低能耗最優(yōu)解。將上述計(jì)算過(guò)程引入常規(guī)燃?xì)夤艿婪€(wěn)態(tài)運(yùn)行技術(shù)中，至此，燃?xì)夤艿婪€(wěn)態(tài)運(yùn)行技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)完成。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為驗(yàn)證本次研究技術(shù)優(yōu)化結(jié)果的應(yīng)用性，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。將實(shí)驗(yàn)對(duì)象設(shè)定為某一城市內(nèi)X路段綜合管廊，在此管廊中收容了給水管、中水管、電力電纜、電信電纜以及燃?xì)夤艿?種管線，管廊內(nèi)部空間設(shè)定如圖3所示。

圖3 管廊內(nèi)部結(jié)構(gòu)

為了仔細(xì)分析此管廊，且不對(duì)管廊的運(yùn)行造成影響，使用MATLAB對(duì)此管廊進(jìn)行模擬，生成管廊模型作為本次實(shí)驗(yàn)載體，分別使用文獻(xiàn)[2]技術(shù)、文獻(xiàn)[3]技術(shù)與本文優(yōu)化后技術(shù)控制燃?xì)夤艿婪€(wěn)態(tài)運(yùn)行。同時(shí)，通過(guò)預(yù)先構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)對(duì)比指標(biāo)分析三種技術(shù)的應(yīng)用性能差異。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

為獲取更具代表性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將X路段綜合管廊中的燃?xì)夤艿涝O(shè)定為8段燃?xì)夤芫€，并獲取此部分管線的詳細(xì)配置信息作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 燃?xì)夤艿绤^(qū)段詳細(xì)配置信息

表1中數(shù)據(jù)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象的關(guān)鍵參數(shù)，本次研究將主要分析上述區(qū)段的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況。將實(shí)驗(yàn)對(duì)比指標(biāo)設(shè)定為燃?xì)夤艿肋\(yùn)行穩(wěn)定性、燃?xì)夤艿肋\(yùn)行能耗波動(dòng)性以及燃?xì)夤艿纼?nèi)部壓強(qiáng)變化。使用此三組實(shí)驗(yàn)指標(biāo)對(duì)三種技術(shù)的使用效果加以分析，并由此確定三種技術(shù)的性能優(yōu)劣性。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

表2為運(yùn)用優(yōu)化技術(shù)后，燃?xì)夤艿肋\(yùn)行參數(shù)。

表2 燃?xì)夤艿肋\(yùn)行穩(wěn)定性

由表2可知，本文優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用后管道運(yùn)行穩(wěn)定性為85.14%～86.71%，文獻(xiàn)[2]技術(shù)的管道運(yùn)行穩(wěn)定性為80.26%～81.18%，文獻(xiàn)[3]技術(shù)的管道運(yùn)行穩(wěn)定性為79.19%～81.29%，本文優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用后管道運(yùn)行穩(wěn)定性更高。本文優(yōu)化后的技術(shù)可將管道運(yùn)行的穩(wěn)定性控制在固定的區(qū)間內(nèi)，避免不同區(qū)間運(yùn)行穩(wěn)定性出現(xiàn)波動(dòng)后造成管線整體波動(dòng)的問(wèn)題。因此，在日常的燃?xì)夤艿拦芾碇袘?yīng)使用本文優(yōu)化后技術(shù)保證管道運(yùn)行穩(wěn)定性。

由表3可知，本文優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用后管道運(yùn)行能耗波動(dòng)性為5.08%～5.79%，文獻(xiàn)[2]技術(shù)的管道運(yùn)行能耗波動(dòng)性為8.11%～9.91%，文獻(xiàn)[3]技術(shù)的管道運(yùn)行能耗波動(dòng)性為8.29%～9.75%。對(duì)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后可以看出，在多次實(shí)驗(yàn)中，本文優(yōu)化后技術(shù)可有效保證燃?xì)夤艿赖倪\(yùn)行效果，并有效降低管道運(yùn)行能耗。燃?xì)夤艿赖倪\(yùn)行安全性與穩(wěn)定性得到了質(zhì)的提升。

表3 燃?xì)夤艿肋\(yùn)行能耗波動(dòng)性

燃?xì)夤艿肋\(yùn)行問(wèn)題可理解為燃?xì)夤艿肋\(yùn)行壓強(qiáng)變化問(wèn)題。因此，將實(shí)驗(yàn)中的最后一組指標(biāo)設(shè)定為燃?xì)夤艿纼?nèi)部壓強(qiáng)變化。由圖4可知，使用本文優(yōu)化技術(shù)后，燃?xì)夤艿纼?nèi)部壓強(qiáng)變化較小，說(shuō)明管道內(nèi)運(yùn)行效果較為穩(wěn)定，如果外界環(huán)境不發(fā)生變化，管道內(nèi)部壓強(qiáng)將固定在指定區(qū)間內(nèi)。

圖4 燃?xì)夤艿纼?nèi)部壓強(qiáng)變化

與優(yōu)化后技術(shù)相比，文獻(xiàn)[2]技術(shù)與文獻(xiàn)[3]技術(shù)使用后，管道內(nèi)部壓強(qiáng)波動(dòng)較大，容易影響管道的運(yùn)行穩(wěn)定性。綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，優(yōu)化后技術(shù)對(duì)于燃?xì)夤艿肋\(yùn)行狀態(tài)具有較高的控制能力。

對(duì)本次實(shí)驗(yàn)中的三組實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析后可以發(fā)現(xiàn)，在不同指標(biāo)的對(duì)比過(guò)程中，本文優(yōu)化后技術(shù)的使用效果明顯優(yōu)于其他技術(shù)，能夠保證管道穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，提高管道傳輸?shù)陌踩浴?/p>

3 結(jié) 語(yǔ)

燃?xì)夤艿婪€(wěn)態(tài)運(yùn)行對(duì)于燃?xì)馐褂冒踩c運(yùn)輸安全具有直接的影響。本文設(shè)計(jì)的地下空間管廊內(nèi)燃?xì)夤艿婪€(wěn)態(tài)運(yùn)行技術(shù)優(yōu)化方法通過(guò)多目標(biāo)優(yōu)化的方式實(shí)現(xiàn)了管道的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。雖然，本次研究具有一定的科研價(jià)值，但依然存在一些問(wèn)題，在日后的研究中還需對(duì)其進(jìn)行深入研究。