管道科技研究中心天然气管网运行优化技术



管道科技研究中心天然气管网运行优化技术

天然气管网运行优化是最优化技术在管输生产中的具体实践，其本质是在管道系统结构和外部条件已知的情况下，根据气源的供气和用户的用气需求，考虑一定的限制条件，对管道系统的运行参数进行优化，有效地进行调度管理，使管网工作状况满足最优准则要求，达到经济、安全、平稳输气的目的。

国外已形成管道（网）运行优化的商业软件，如DNV GL公司的SynerGEE-Gas、ESI公司的Pipeline Optimizer、Gregg公司的FlowDesk等；在国内，管道运营单位和石油院校联合开发了一些专用的管道优化软件，如WEGPOPT和SimuOpt2007等，这些具体管道优化软件对于提高管道运行水平起到重大作用，但无法解决我国大规模复杂天然气管网的运行优化难题。

由于天然气管网系统运行优化属于典型混合整数非线性规划问题（Mixed Integer Nonlinear Programming，缩写为MINLP），主要体现在以下两个方面：①输气管网的运行方案主要由以下四类变量决定，即：压气站的出站压力、管网中的流量、站内压缩机的启停以及截断阀的开闭。②约束条件主要有：管道承压上限、管流基本方程、压缩机可行域、压气站进出站压力上下限、用户合同压力和流量等。目前，尚未有一类合适的算法和求解器能够有效求解大规模的MINLP问题，MINLP问题在求解上依然有许多瓶颈尚未突破。

管道科技研究中心于2013年开始研究管网优化技术，旨在计算中国石油骨干管网在特定工况下的最优运行方案。综合考虑问题的难度、生产的急迫性和国内外研究情况等多方面因素，优化项目组制定了管网定制优化及管网通用优化两条技术路线，分别满足短期优化生产需求和长期管网业务发展。

（1）管网定制优化技术路线

由于中国石油骨干管网具有规模大以及结构复杂的特点，直接进行优化求解较为困难。中国石油管道科技研究中心自主开发了管网定制优化引擎，能够对骨干管网进行区域系统优化，现已进入生产测试环节。区域系统优化指的是按照地理位置、管网关联程度等因素，将整个管网系统分成几个区域子系统，采用DP算法进行优化。下面以西部管廊作为目标管网，进行定制优化技术的说明。西部管廊管网系统包含西气东输一线西段、西气东输二线西段、西气东输三线西段和轮吐支线，包括27座压气站，总里程超过7000公里。

基于西部管廊连接方式以及红柳站转供流程，定制优化引擎中对红柳联络站做出简化处理，将红柳联络站转供量作为输量台阶处理，即西一线和西二三线（联合运行）在红柳站的连接断开，此时，西部管廊简化为流向确定的支状管网，其拓扑结构如图2所示。依据关键分支点将管网拆分后，按照流向，分别应用DP求解每条分支，最终回溯得到管网运行优化方案。

图2 西部管廊拓扑结构简图

图3 通用性管网优化方法技术路线

（2）管网通用优化技术路线

考虑到中石油天然气与管道业务的持续发展，中国石油管道科技研究中心正组织力量开发管网通用优化引擎，用来计算任意结构大规模管网的最优运行方案，目前正在进行算例测试的工作。管网通用优化引擎采用的是动态规划法与线性化技术结合的方法，整体路线如图3所示：首先，将整个管网系统进行重构，拆分为若干管链及联接他们的关键节点，每条管链中不含有任何分支和环状结构。如图4所示，原管网系统经过重构后形成了7个虚拟压缩机站以及8个关键节点。

图4 管网重构示意图

其次，MINLP模型线性化近似。经过管网重构和线性化之后，非线性、非凸的管道和压缩机的约束都在这个过程中被处理掉了，原MINLP问题就被转化成了一个混合整数线性规划问题（Mixed Integer Linear Programming，缩写为MILP）。由于并不需要对每个压缩机和管段都进行线性化，只需要对重构后的虚拟压缩机进行线性化。因此大幅度提高了算法的计算效率，并且减少了因线性化带来的计算误差。新的MILP模型的规模也比原MINLP的规模大大减小、求解难度大幅降低，可以采用MILP求解器（如Cplex、Gurobi等）进行计算。对MILP求解可以得到各个关键节点的最优压力和最优进、出节点流量。最后一步需要通过各个关键节点的最优值回溯出管链内每个压气站的最优出站压力和开机方案，这个过程仍需要调用动态规划法。

目前，中国石油管道科技研究中心研发的管网稳态运行优化引擎已经集成到北京油气调控中心综合优化平台，成为稳态月度方案制定的重要辅助工具。稳态月度方案主要包括每条管道的输量分配表和工艺参数表。应用西部管廊定制优化引擎，可以制定西气东输一线、西气东输二线三线（联合运行）的输量分配表，同时，该定制方法具备推广到陕京系统和长三角局部管网的条件，未来可以满足中国石油骨干天然气管网的输量分配表制定。输量分配表确定后，对于任意管道应用管网稳态运行优化引擎可以得到最优的工艺参数表。优化后，目标管道典型输量下稳态运行方案具有2%左右的优化空间。同时，由于掌握了稳态运行优化的核心技术，能够满足生产的特定需求，如站内优化、越站和指定开机等。

李博 柳建军 管道科技研究中心工艺所