雙碳背景下的天然氣管網布設多目標優(yōu)化研究

摘 要：在天然氣管網布設中，常常存在著多個相互矛盾的目標，如成本最小化、安全性最大化、環(huán)境影響最小化等。針對這些多目標問題，如何選擇合適的優(yōu)化算法和策略，實現(xiàn)各個目標之間的平衡與協(xié)調，是一個重要的問題。因此，提出雙碳背景下的天然氣管網布設多目標優(yōu)化研究。首先通過最小化經濟目標和最小化環(huán)境影響目標構建多目標函數(shù)，并為其設置5個約束條件。然后利用海鷗算法求解多目標函數(shù)，得出雙碳背景下的天然氣管網布設方案。最后根據(jù)獲得的天然氣管網布設方案，對天然氣管網進行防腐處理和合理布局。應用測試結果表明：所研究方法在總費用和總體環(huán)境影響指數(shù)2個指標上均相對更小，由此說明所研究方法的優(yōu)化效果更好，具有實際應用價值。

關鍵詞：雙碳背景；天然氣管網；布設方案；多目標優(yōu)化方法

中圖分類號：TQ022.11 + 5 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2025）03-0126-04

Research on multi-objective optimization of natural gas

pipeline network layout under the backgroundof dual carbon background

CHEN Qingshan

（Weifang Municipal Public Utility Service Center，Weifang 261021，Shandong China）

Abstract：In the deployment of natural gas pipeline networks，there are often multiple contradictory goals， such asminimizing costs， maximizing safety，and minimizing environmental impact. In view of these multi-objective prob?lems， it is an important issue to choose appropriate optimization algorithms and strategies to achieve the balanceand coordination between various objectives. Therefore， a multi-objective optimization study on the layout of naturalgas pipeline network under the background of dual carbon background was proposed. Firstly，a multi-objective func?tion was constructed by minimizing the economic objective and the minimizing environmental impact objective， andfive constraints were set for it. Then， the seagull algorithm was used to solve the multi-objective function and obtainthe layout scheme of the natural gas pipeline network under the background of dual carbon background. Finally，， ac?cording to the obtained natural gas pipeline network layout plan， the natural gas pipeline network was treated withanti-corrosion treatment and reasonable layout. The application test results showed that the research method wasrelatively smaller in the total cost and the overall environmental impact index，which indicates that the optimizationeffect of the research method is better and has practical application value.

Key words：dual carbon background；natural gas pipeline network；deployment plan；multi-objective optimizationmethod

隨著工業(yè)化步伐的加快和民眾生活質量的提升，當今社會面臨著能源消耗不斷攀升、碳排放問題日趨嚴峻的挑戰(zhàn)。為積極回應全球氣候變化這一時代命題，我國明確提出了“雙碳”戰(zhàn)略目標 [1] 。天然氣作為一種清潔能源，其重要性日益凸顯。天然氣管網作為能源輸送的重要基礎設施，其布設的合理性直接關系到能源利用效率、環(huán)境影響及經濟效益 [2] 。

在上述背景下，很多專家和學者針對管網布設問題進行了探討。Peng等 [3] 建立了離散空間星型樹型集氣管網布局優(yōu)化模型，以尋求最經濟的設計方案，決策變量包括閥組位置、站位和管道連接關系。Cui等 [4] 以年度總費用最小為目標確定最優(yōu)管網拓撲的優(yōu)化方法，在這種優(yōu)化方法中，Star樹算法、Kruskal算法和GeoSteiner算法結合成一個線性規(guī)劃模型，建立了多個熱源的分布式能源管網。馬越等 [5] 建立了一個非線性混合整數(shù)規(guī)劃模型，然后基于序列線性化的思想，通過SMILP算法對其進行了求解，得出最優(yōu)方案。周軍等 [6] 建立了管網反輸情況下的經濟效益最大化目標模型，然后利用SBB求解器對優(yōu)化問題進行求解。

結合前人研究經驗，進行雙碳背景下的天然氣管網布設多目標優(yōu)化研究。

1 天然氣管網布設多目標優(yōu)化研究

1.1 雙碳背景下的天然氣管網布設多目標函數(shù)構建

通過最小化經濟目標和最小化環(huán)境影響目標構建多目標函數(shù)，旨在平衡經濟發(fā)展與環(huán)境保護之間的關系，提高決策的科學性和綜合性。具體過程如下：

（1）最小化經濟目標。經濟性是天然氣管網布設優(yōu)化中最重要的考量因素之一。通過合理的布局和管徑選擇，可以降低管道的建設成本 [7] 。設 B i 、 L i 分別為第 i段管道的管徑、管長； E 為管道的溫度減弱系數(shù)，則：這些約束條件的定義和設置對于確保管網設計的安全性、可行性、經濟性以及滿足用戶需求和服務水平等方面都具有重要作用。同時，其也是縮小搜索空間、提高求解效率的關鍵因素，有助于決策者找到滿足多個目標的Pareto最優(yōu)解集 [11] 。

1.3 海鷗算法求解多目標函數(shù)

天然氣管網布設多目標函數(shù)求解是一個綜合性極強的優(yōu)化問題，在天然氣管網的規(guī)劃和設計過程中占據(jù)著核心地位。它不僅僅關乎單一的經濟成本、環(huán)境影響或系統(tǒng)可靠性等目標，而是需要將這些看似矛盾、實則相輔相成的多個目標函數(shù)同時納入考量，以期在復雜的現(xiàn)實條件下找到最佳的平衡點 [12] 。這就需要運用先進的優(yōu)化算法和決策技術，結合豐富的領域知識和實踐經驗，進行深入的分析和研究。海鷗算法是一種受自然界海鷗捕食行為啟發(fā)的優(yōu)化算法。在求解多目標函數(shù)時，海鷗算法可以通過模擬海鷗的遷徙和捕食行為來尋找最優(yōu)解。具體求解過程如下：

步驟1：初始化海鷗種群：在搜索空間中隨機生成一組初始解，每個解代表一只海鷗的位置和速度，對應于目標函數(shù)的一組決策變量值。

步驟2：對于每個海鷗（解），計算其對應的經濟成本和環(huán)境影響。

步驟3：根據(jù)目標函數(shù)值（可能結合約束條件的處理）評估每個海鷗的適應度，對于違反約束條件的解，應用罰函數(shù)或其他約束處理技術。在最小化問題中，較低的目標函數(shù)值通常意味著較高的適應度。適應度函數(shù)如下：

步驟7：重復步驟2到5，直到滿足終止條件。

步驟8：輸出最終找到的最優(yōu)解或近似最優(yōu)解，即對應目標函數(shù)最小（或最大）值的決策變量組合，得出最優(yōu)管網設計方案 [13] 。

1.4 天然氣管網防腐處理及合理布局

天然氣管網的防腐處理和合理布局至關重要。

在防腐處理方面，選用符合標準和規(guī)范的防腐材料，如涂層、絕緣管等，以防止管道表面與環(huán)境接觸并受到腐蝕。并定期進行表面清潔和檢查，及時修補或更換受損的防腐材料，以防止腐蝕的擴展。同時控制管道周圍環(huán)境因素，包括濕度、溫度和化學物質等，以減少腐蝕的風險。例如，在潮濕環(huán)境中，可以增加防水屏障來保護管道。在合理布局方面，根據(jù)天然氣輸送量、管道壓力和流向，確定管道的直徑和數(shù)量，以滿足需求并確保管道運行的高效性。對于長距離輸送管網，可以采用分段建設，并結合地形和土地使用，最大限度地減少工程投資和環(huán)境影響。在城市區(qū)域內，需要考慮地下管道與地上建筑物、交通及水電等基礎設施的協(xié)調布局，避免沖突和損壞。此外，設備安裝需穩(wěn)固固定和配備防護設施，尤其對于高風險區(qū)域應增加監(jiān)測系統(tǒng)和應急措施。綜上所述，對于天燃氣管網的防腐處理和合理布局，需要全面考慮材料選擇、環(huán)境因素、管道參數(shù)和設備配置等方面，以確保管道安全可靠運行，同時最小化投資成本和環(huán)境影響，這是保障天燃氣管網長期運行和用戶安全使用的關鍵所在。

2 應用測試及優(yōu)化結果

本試驗旨在雙碳背景下，針對天然氣管網布設問題，通過多目標優(yōu)化方法，尋求經濟成本、環(huán)境影響和系統(tǒng)可靠性之間的平衡。通過試驗測試，驗證所提方法的有效性和可行性，為天然氣管網的規(guī)劃和設計提供決策支持。

2.1 仿真環(huán)境

借助MATLAB仿真軟件，模擬一個實際的天然氣管網布局場景。在這個場景中，有24個供氣點和1個氣源點需要被隨機地分布在一個1 000 m×1 000 m的廣闊區(qū)域內。供氣點代表著天然氣的分散供應源，而氣源點則是整個管網的中心，負責向各個供氣點輸送天然氣，如圖1所示。

基于圖1仿真環(huán)境，對所研究方法進行測試。其中， 為氣源點， 是供氣點。

2.2 參數(shù)設置

待布設天然氣管網基本參數(shù)，如表1所示。

2.3 天然氣管網布設方案利用海鷗算法求解設置的多目標函數(shù)，得出天然氣管網布設方案，同時為了對比出所研究方法的優(yōu)化性能，應用文獻[5]中提出的SMILP算法和文獻[6]方法提出的SBB求解器在同條件下進行求解。

天然氣管網布設方案，如圖2所示。

從圖2可知，不同算法下管網的布局存在差異。

這些差異體現(xiàn)在管道的路徑選擇、節(jié)點的位置、管網的密度和覆蓋范圍等方面，其中所研究方法（海鷗算法）生成的管網布局更為簡潔。

2.4 優(yōu)化效果對比

對比圖2中3種天然氣管網布設方案的總費用以及總體環(huán)境影響指數(shù)，結果如表2所示。

由表2可知，所研究方法在總費用和總體環(huán)境影響指數(shù)2個指標上均表現(xiàn)出優(yōu)于SMILP算法和SBB求解器的效果。

3 結語

本研究在雙碳背景下，對天然氣管網布設進行了多目標優(yōu)化探索，力求在保障能源供應的同時，降低碳排放，提升管網系統(tǒng)的整體效能。通過系統(tǒng)的分析和比較，驗證了所提出的多目標優(yōu)化方法的有效性和優(yōu)越性，為天然氣管網的科學規(guī)劃和可持續(xù)發(fā)展提供了新的思路和解決方案。然而，雙碳目標的實現(xiàn)是一個長期而復雜的過程，天然氣管網布設優(yōu)化研究仍需不斷深入和拓展。在未來，將繼續(xù)致力于完善管網優(yōu)化理論和方法體系，加強與實際應用的結合，推動天然氣管網向更加智能、高效、環(huán)保的方向發(fā)展。

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（責任編輯：張玉平）