天然气管网稳态运行优化技术现状与展望

天然气管网稳态运行优化技术现状与展望
发布时间：2023-05-16T08:15:46.160Z 来源：《新型城镇化》2023年9期作者：孟瑾[导读] 自改革开放以来，我国国民生活质量不断提升，现在，天然气已经成为每家每户必不可少的生活必需资源，并且随着城市化进程加快，城市中的天然气管网的覆盖面积也在进一步扩大。

国家管网集团工程技术创新有限公司华东设计院江苏徐州 221008
摘要：自改革开放以来，我国国民生活质量不断提升，现在，天然气已经成为每家每户必不可少的生活必需资源，并且随着城市化进程加快，城市中的天然气管网的覆盖面积也在进一步扩大。

除此之外，人们对天然气的需求量也越来越大，这使得我国不得不采用“西气东输”的方式来对缺少天然气资源的地区进行供给，而在运输中天然气管网稳态运行优化技术又需确保天然气运输管网的安全、高效运行。

关键词：天然气管网；稳态运行；优化技术；现状；展望
1引言
天然气作为一种最具清洁和高效的物质能源，已经成为当今能源优化结构重要发展的目标。

而管道运输是天然气进行长距离目的输给的主要形式之一，在现如今的国民经济发展中起到了越来越重要的作用。

且随着目前我国各地区天然气管网的发展，持续保持天然气管网的信息网络安全、高效和经济是当前最重要的目标之一。

天然气管网的稳态运行优化技术，总体来说就是考虑到天然气管网的工艺和结构的约束，以此来优化天然气管道系统中的操作，来进行有效的调整和管理，让信息网络的工作环境达到最优的技术标准，从而得出最有效的传输方法。

经过很长时间的研究，我国目前在天然气管道稳态运行优化的技术已经逐渐的成熟起来。

目前国外在天然气管网主要的研究热点就是想在天然气管网运行中进一步的提高和优化其模型的效率和技术，虽然我国在天然气管网稳态运行技术方面研究的较晚，但是在创造和高效的解决天然气网优化的模型方面，也取得了一些很大的成果。

2天然气管网稳态运行优化技术现状应用针对天然气管网稳态运行优化软件进行优化，以及应用仿真软件对天然气管网稳态运行技术进行优化是现在主要的两种优化方法。

尽管这两种方法都可以针对天然气管网稳态运行技术进行优化，但是其最基本的优化方式大不相同，利用软件进行优化是指软件根据已经事先设定好的结构和参数，通过优化计算从而达到对天然气管网中输送天然气指标参数的优化；而仿真软件优化方案则是在事先设置好的天然气管网稳态运行参数中选出最佳的优化方案。

经过对这两种优化方式的对比，利用仿真软件选出对天然气管网稳态运行的最优方案。

由于其综合性较差，因此利用这种优化方案的优化效果稍微差于优化软件对天然气运输管网稳态运行技术的优化。

2.1天然气输气管道单目标稳态运行优化
从天然气管道运输技术单目标优化方法来看，动态规划法虽然其计算复杂，难度较大，但是这一方法的好处在于对所解问题的目标函数以及相关约束条件的非线性要求不大，并且计算效率高，因此通过这种方法得到的结果优化性能较好，动态规划法成为当下有关天然气管道运输运行优化问题中最常用的算法。

在天然气管网稳态运行优化程序方面，我国在天然气方面所使用的优化程序采用了计算机解动态规划法的方式，针对西气东输工程进行优化，在这一软件研发成功的同时还曾就一段西气东输线路进行验证，从而确保优化程序在天然气运输管网优化工作中的作用。

2.2输气管网单目标稳态运行优化
输气管网优化是与针对单条天然气运输管道优化相同的一类工作，但输气管网是将单条输气管道变成管道系统进行优化。

与单条输气管道稳态运行优化工作相比，管道系统的稳态运行优化复杂程度大幅度提升，并且由于管道系统是由众多单一管道所构成的，因此管道系统的稳态运行优化计算量也自然而然地增多。

在天然气运输管网系统中，通常将站场级优化、管道级优化以及管网级优化分为优化系统的三个层面。

其中，站场级优化指的是在已经设置好天然气输送状态的条件下，对天然气站内消耗能量最低的参数作为优化目标；其次，管道级优化指的是根据单条天然气运输管道的运输量计算出针对该管道的最佳优化运行方案；管网级优化则要根据管网系统中各个支路不同分配情况来设计优化方案。

2.3基于梯度搜索的方法
广义简约梯度法是根据梯度搜索的原理，在总量不变的情况下，对多维问题进行处理，因此使用广义简约梯度法可以在优化天然气运输管网的同时还能优化压力节点。

广义简约梯度法将天然气运输管网整体按照比例进行缩放再依靠初始解来选择出优化方案。

2.4线性化方法
线性化方法是将待求函数通过区域线性化近似，用线性化方法取代非线性问题后求解。

应用线性化方法进行求解可以使得计算速度更加快速，但前提是必须了解树形天然气运输管网整体的实际状况。

由于天然气管网的管道数太多，并且所构成的天然气管网面积过于辽阔，因此在针对天然气管网稳态运行优化技术方面便难上加难，因而使得以上几种计算最佳优化方案的方法也十分多，尽管解决方法十分多，但要根据实际情况选择最佳的计算方式进行天然气管网优化工作。

3天然气管网优化技术展望
3.1仿真模型持续完善
此方法研究表明，仿真和技术优化之间存在着非常密切的联系，对于优化软件的情况，仿真的模型是一个最关键的基础步骤，优化技术的算法是一个核心内容，最终优化的技术内容也是需要通过仿真的软件验证可行度和最优度。

且最基本的仿真模型精密度直接决定优化反感可行性和优化技术空间的大小。

在最基础的仿真模型中，压缩机和燃气轮机电厂仿真的改进，可以使压缩机变量的模型有效地进行解决，从而提高压缩机独特需求的曲线回归精度，并建立起燃气轮的仿真模型，从而满足生产应用过程中程序的数据持续回归等等。

3.2多目标运行化
在实际的生产中，天然气管道运营企业的不同部门和不同运行阶段的不同优化级别，形成了天然气管网的稳定多级别目标的运行优化技术。

国外目前对于目标优化的研究主要是在单一的天然气管道方面，建立了天然气管道的多方位优化模型，以此利用最小的能量和最大的管道运输，采用计算法进行求数和解决该问题。

对于目标函数的能量消耗，其中包括压缩机和冷却机器的耗能情况。

通过实际的管道SCADA系统来进行测试结果的表明，通过提高启动控制压缩机和冷却器的转速，可以使管道的耗能情况减低5%左右。

在多重目标的基础上，对天然气管网进行了优化的研究，确定了大型天然气管网络操作方案的多种目标和优化系统的结构，综合评价了指标体系系统的基本原则和具体的步骤情况，提出了标准操作方法评估的仿真模型，用清晰的兼容性方法来用于审查和评价，为国家天然气管道运行优化技术的发展打下了坚实的基础。

同时考虑到我国的特殊国情，天然气管道运输的企业除了发展经济外，还有更多的民生和社会责任。

3.3非稳定运行化
天然气管道非稳定状态运行优化技术是指当天然气管道的系统边界条件处在被干扰的状态时，导致在天然气管道系统中出现的某种不稳定的操作，这个时候，可以使用相应稳定状态优化技术方法，不稳定问题在一定时间内启动解决方案，以及空气供给的流量随着时间的变化进行连续的控制，在天然气管道系统中满足一系列的约束条件的前提下优化其目标，从而完成一个从初始状态到任务结束的一个状态。

目前在我国，关于不稳定优化技术的研究还是比较少的。

根据国外的研究结合实际的情况，非稳定状态优化可以用于解决三个方面的主要问题就是，通过天然气管道的任务量度在稳定状态条件下如何快速有效的进入下一个任务的量度中；由于天然气管道中气体的不均匀性，不稳定状态的优化方法可以帮助确定管道内的日常运行计划，并顺利的完成运输任务。

在障碍的条件下，可以采用优化的方法帮助天然气管道系统进行及时、快速、有效的应急操作。

4结语
综上所述，通过50多年对于天然气管网络稳定状态运行的优化理论研究，我国对于该理论变得越来越成熟，商业天然气有关的软件已经在国际上慢慢的形成。

但是总体而言，优化技术软件在实际天然气的生产中应用非常少。

对于稳定状态运行优化的技术限制的主要原因就是，仿真模型的不准确导致误差不断地累积、数学模型的优化与生产技术不匹配以及软件使用人员和开发者缺乏交流等，因此，要实现天然气管网稳态运行优化技术的广泛应用，还需要我们不断地探索和创新。

参考文献：
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