石油天然氣探測(cè)

1、輸氣管網(wǎng)運(yùn)行能源優(yōu)化輸氣管網(wǎng)運(yùn)行能源優(yōu)化1目錄一、研究背景一、研究背景二、研究目的及意義二、研究目的及意義三、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀三、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀四、論文研究的主要內(nèi)容四、論文研究的主要內(nèi)容五、結(jié)論與不足五、結(jié)論與不足2輸氣管網(wǎng)運(yùn)行能源優(yōu)化一、研究背景一、研究背景32004年-2012年我國天然氣輸配管網(wǎng)長度示意圖2015年我國天然氣管網(wǎng)布局圖管道名稱管道名稱輸氣量輸氣量( (10104 4m3/a)機(jī)組耗氣機(jī)組耗氣( (10104 4m3/a)機(jī)組耗電機(jī)組耗電( (10104 4kWh)耗能量耗能量( (10107 7kgce/a)西氣東輸西氣東輸17592217177832107127.02陜

2、京管道（含儲(chǔ)氣庫）陜京管道（含儲(chǔ)氣庫）12649738942 41803 17.08澀寧蘭澀寧蘭2895465154 6.85保證天然氣管道經(jīng)濟(jì)、合理、安全地運(yùn)行。優(yōu)化結(jié)果對(duì)天然氣經(jīng)營部門制定集、輸、配氣方案具有指導(dǎo)性的意義。穩(wěn)態(tài)優(yōu)化模型是天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)研究的參考依據(jù)。模型和方案對(duì)研究天然氣管輸系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制具有指導(dǎo)性意義。二、研究目的及意義二、研究目的及意義確保平穩(wěn)運(yùn)行提高經(jīng)濟(jì)效益提升管理水平應(yīng)對(duì)事故工況滿足調(diào)峰儲(chǔ)氣4能效分析與評(píng)價(jià)的研究方法與理論能效分析與評(píng)價(jià)的研究方法與理論 經(jīng)歷了從工程師個(gè)人經(jīng)驗(yàn)到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及基因算法等為代表的數(shù)理分析。能耗分析與評(píng)價(jià)的仿真軟件能耗分析與評(píng)價(jià)的仿

3、真軟件 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與能效分析軟件相配合，逐步實(shí)現(xiàn)管道運(yùn)行能效分析與評(píng)價(jià)的系統(tǒng)化與自動(dòng)化，誕生了不少與能耗相關(guān)的商業(yè)軟件。三、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀三、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀能源價(jià)格能源價(jià)格不斷上升不斷上升控制降低控制降低運(yùn)營成本運(yùn)營成本增加能效增加能效研究的投入研究的投入分析評(píng)價(jià)技術(shù)分析評(píng)價(jià)技術(shù)快速發(fā)展快速發(fā)展5序號(hào)軟件名稱所屬公司1SPS(Stoner Pipeline Simulator)Advantica公司2Pipeline Studio(TGNET，TLNET)英國ESI公司3OTTO英國煤氣公司（British Gas）4PNS(Pipeline Network Simulation)PPT公

4、司（Pipe Plus Technology Ltd.）5Sim Suite加拿大Telvent公司6RealPipe-Gas 中石油管道公司國內(nèi)外主要天然氣仿真軟件一覽表輸氣管網(wǎng)運(yùn)行能耗分析輸氣管網(wǎng)運(yùn)行能源優(yōu)化模型模型的最優(yōu)化方法求解輸氣管網(wǎng)運(yùn)行能源優(yōu)化實(shí)例四、論文研究的主要內(nèi)容四、論文研究的主要內(nèi)容6本文研究的技術(shù)路線圖7四、論文研究的主要內(nèi)容四、論文研究的主要內(nèi)容能耗的分類能耗的分類能耗的影響因素能耗的影響因素能耗計(jì)算方法能耗計(jì)算方法8輸氣管網(wǎng)運(yùn)行能耗分析輸氣管網(wǎng)運(yùn)行能耗分析 9 能耗的分類能耗的分類 壓縮機(jī)組的能耗、燃料氣消耗及其管道和相關(guān)設(shè)備的摩擦阻力損失等在輸送天然氣的過程中產(chǎn)生的

5、能耗。通過輸送方案的優(yōu)化、天然氣輸送的減阻技術(shù)、減少壓降損失的設(shè)備等措施來降低，但不能完全消除。直接直接能耗能耗在輸送過程中由于天然氣的泄漏和放空等所形成的直接損失。在理論上是可消除的。間接間接能耗能耗站場(chǎng)內(nèi)直接生產(chǎn)能耗之外的生產(chǎn)能耗，包括各分輸站、計(jì)量站、清管站和閥室等消耗的能源。輔助生產(chǎn)能耗輔助生產(chǎn)能耗壓縮機(jī)組、空冷器及其配套系統(tǒng)消耗的能源。直接生產(chǎn)能耗直接生產(chǎn)能耗沿線站場(chǎng)工作人員的生活和辦公產(chǎn)生的能耗、儲(chǔ)備電源用電、電廠區(qū)照明等。生活能耗生活能耗天然氣長輸管道能耗流向示意圖10 能耗的分類能耗的分類 11 能耗的影響因素能耗的影響因素 傳統(tǒng)指標(biāo)評(píng)價(jià)方法傳統(tǒng)指標(biāo)評(píng)價(jià)方法周轉(zhuǎn)量直接能耗單位周

6、轉(zhuǎn)量生產(chǎn)能耗電單耗（輸氣周轉(zhuǎn)量電耗）氣單耗（輸氣周轉(zhuǎn)量氣耗）耗氣輸量比耗電輸量比耗能輸量比基于管網(wǎng)仿真能源優(yōu)化方法基于管網(wǎng)仿真能源優(yōu)化方法國內(nèi)部分油氣管道已開始嘗試?yán)糜蜌夤芫W(wǎng)節(jié)能降耗相關(guān)的商業(yè)軟件進(jìn)行工況模擬功能，分析、計(jì)算管道能耗，并參照計(jì)算結(jié)果提出優(yōu)化運(yùn)行的方案。利用仿真軟件計(jì)算管網(wǎng)能耗的流程圖12 能耗的計(jì)算方法能耗的計(jì)算方法 模型的基本假設(shè)模型的基本假設(shè)輸氣管網(wǎng)運(yùn)行能源優(yōu)化模型輸氣管網(wǎng)運(yùn)行能源優(yōu)化模型運(yùn)行能耗優(yōu)化運(yùn)行能耗優(yōu)化約束條件約束條件運(yùn)行能耗優(yōu)化運(yùn)行能耗優(yōu)化數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型13運(yùn)行能耗優(yōu)化運(yùn)行能耗優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)目標(biāo)函數(shù)假定管網(wǎng)運(yùn)行的能耗僅受直接生產(chǎn)能耗影響地形起伏地區(qū)的輸氣管網(wǎng)，

7、根據(jù)管網(wǎng)敷設(shè)的傾角將管道劃分成段，僅考慮管段起、終點(diǎn)間的高程差對(duì)輸氣量的影響水力摩阻系數(shù)在管道長度方向上不變氣體在管內(nèi)的流動(dòng)視為等溫流動(dòng)氣體在管內(nèi)的流動(dòng)視為穩(wěn)定流動(dòng) 14 模型的基本假設(shè)根據(jù)管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行能耗的分類，管網(wǎng)運(yùn)行能耗可表示為： 式中：f1直接生產(chǎn)能耗， f2輔助生產(chǎn)能耗， f3場(chǎng)站生活能耗， f4天然氣損耗。輸氣管網(wǎng)運(yùn)行能耗最優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)可表示為：式中： 壓縮機(jī)為天然氣所提供的壓力能， 管網(wǎng)運(yùn)行過程中機(jī)組損耗。輸氣管網(wǎng)運(yùn)行能源最優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)可簡化為：式中：NS 壓縮機(jī)實(shí)際所需功率（軸功率）。4321ffffFCWWffffFccNjUjNjCj114321minCjWUj

8、WCNFcNjSj1min15 目標(biāo)函數(shù)進(jìn)（分）氣量的約束進(jìn)（分）氣壓力的約束壓縮機(jī)站處理能力的約束管道強(qiáng)度的約束管道壓力降方程壓縮機(jī)功率方程離心式壓縮機(jī)的組合方式管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)流量平衡的約束16 約束條件進(jìn)（分）氣量的約束式中：Qi第i節(jié)點(diǎn)進(jìn)（分）氣量，m3/d；Qimin第i節(jié)點(diǎn)允許的最小進(jìn)（分）氣量，m3/d；Qimax第i節(jié)點(diǎn)允許的最大進(jìn)（分）氣量，m3/d。進(jìn)（分）氣壓力的約束式中：Pi第i節(jié)點(diǎn)壓力，Pa；Pimin第i節(jié)點(diǎn)允許的最小壓力，Pa；Pimax第i節(jié)點(diǎn)允許的最大壓力，Pa。壓縮機(jī)站處理能力的約束式中： Nj第j個(gè)壓縮機(jī)站的功率；Njmin第j個(gè)壓縮機(jī)站允許最小功率，W；Njma

9、x第j個(gè)壓縮機(jī)站允許最大功率，W。niiiNiQQQ, 2 , 1maxminniiiNiPPP, 2 , 1maxmincjjjNjNNN, 2 , 1maxmin17 約束條件管道強(qiáng)度的約束式中：Pk管道運(yùn)行壓力，Pa；Pkmax 管道最大運(yùn)行操作壓力，Pa。管道壓力降方程式中：Q通過管道的天然氣質(zhì)量流量，m3/s；C常數(shù)， 0.0384 ；分子項(xiàng) (1+aS) 輸氣管道終點(diǎn)與起點(diǎn)的高差對(duì)流量；分母項(xiàng) 輸氣管道沿線地形對(duì)流量的影響。管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)流量平衡的約束式中：Ci與第 個(gè)節(jié)點(diǎn)相連的元件集合；aik系數(shù)，當(dāng)k元件中流量流入i節(jié)點(diǎn)時(shí)為+1，當(dāng)k元件流量流出i節(jié)點(diǎn)時(shí)為-1；Mik元件k流入（出）

10、i節(jié)點(diǎn)流量的絕對(duì)值；Qi節(jié)點(diǎn)與外界交換的流量（流入為正，流出為負(fù)）。PkkNkPP,.,2 , 1maxiniiiZQLSSLaTLZDSaPPCQ11522211kgKsm/2niiiiLSSLa11 -210iikCkikQMai18 約束條件壓縮機(jī)功率方程氣體經(jīng)過離心式壓縮機(jī)增壓理論功率： 實(shí)際所需功率：氣體經(jīng)過往復(fù)式壓縮機(jī)增壓理論功率： 實(shí)際所需功率：式中：NA離心式壓縮機(jī)機(jī)械損失所耗的功率； 、 壓縮機(jī)機(jī)械效率、傳動(dòng)損失 。離心式壓縮機(jī)的組合方式串聯(lián)時(shí)的特性： ；并聯(lián)時(shí)的特性： 。 11-111kkQRZTkkNASNNN121-1121111ZZZVPkkNkkcgSNNgc19

11、約束條件CNFcNjSj1minniiiNiQQQ, 2 , 1maxminniiiNiPPP, 2 , 1maxmincjjjNjNNN, 2 , 1maxmin2114522SaZRTLDPSaPMZQ0iikCkikQMai離心式壓縮機(jī)11-111kkQRZTkkNASNNN串聯(lián)時(shí)comNnn1comNnnQQ1并聯(lián)時(shí)往復(fù)式壓縮機(jī)121-1121111ZZZVPkkNkkcgSNN輸氣管網(wǎng)運(yùn)行能源優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型： 20 管網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化數(shù)學(xué)模型 優(yōu)化問題可寫成如下的標(biāo)準(zhǔn)形式： xfmin Mixhtsi,.,2 , 10. Lixgi,.,2 , 10M為等式約束條件數(shù)，L為不等式約束條件數(shù)

12、。 xf為目標(biāo)函數(shù)一般形式， xhi等式約束條件， xgi為不等式約束條件，21 管網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化數(shù)學(xué)模型模型的最優(yōu)化方法求解模型的最優(yōu)化方法求解22優(yōu)化問題的標(biāo)準(zhǔn)形式：p該模型屬于非線性規(guī)劃問題p既有等式約束，又有不等式約束，既有線性約束，也有非線性約束p采用線性逼近法來對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解 23 優(yōu)化方法選擇 xfmin Mixhtsi,.,2 , 10. Lixgi,.,2 , 1024 優(yōu)化過程配置天然氣組分管道控制參數(shù)水力平衡條件進(jìn)（分）氣點(diǎn)條件壓縮機(jī)控制參數(shù)穩(wěn)態(tài)計(jì)算線性化計(jì)算單純形法計(jì)算最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)壓縮機(jī)組能耗值計(jì)算程序主要模塊示意圖25 優(yōu)化程序設(shè)計(jì)天然氣物性計(jì)算；管道沿途壓降、起終點(diǎn)

13、壓力的計(jì)算；壓縮機(jī)進(jìn)（出）口壓力、出站溫度、壓縮機(jī)壓比的計(jì)算；壓縮機(jī)功率計(jì)算；管網(wǎng)最優(yōu)運(yùn)行方案確定。所有的項(xiàng)目文件均以XML數(shù)據(jù)文件的形式自動(dòng)存儲(chǔ)；中英文界面切換；可以通過點(diǎn)擊按鈕或者劃屏兩種方式，及時(shí)響應(yīng)用戶的需求和操作指令，以便作出迅速反應(yīng)；以表格和圖形兩種形式來反饋?zhàn)罱K結(jié)果。26 優(yōu)化程序設(shè)計(jì)管網(wǎng)運(yùn)行能源優(yōu)化實(shí)例管網(wǎng)運(yùn)行能源優(yōu)化實(shí)例27榆濟(jì)管線（陜西管理處管段）走向圖國內(nèi)某天然氣長輸管網(wǎng)陜西管理處管段全長209.5km，管徑D71114.2，設(shè)計(jì)壓力10.0MPa，全段截?cái)嚅y室10座，配備有壓縮機(jī)組的首站1座，分輸站1座。榆濟(jì)管線（陜西管理處管段）沿途高程示意圖28 管網(wǎng)概況進(jìn)/出站壓力

14、(MPa)進(jìn)/出站溫度()單臺(tái)保證點(diǎn)流量(Nm3/h)壓縮機(jī)臺(tái)數(shù)壓縮級(jí)數(shù)電機(jī)功率(kW)3.84.0/9.51045/50130188095348000首站壓縮機(jī)組的基本參數(shù)表編號(hào)起、終點(diǎn)高差(m)長度(km)外徑(mm)壁厚(mm)設(shè)計(jì)壓力(MPa)摩阻系數(shù)Pipe1首站-F1-31.5921.6771114.210.00.01Pipe2F1-F281.3121.5971114.210.00.01Pipe3F2-F3-161.3817.0471114.210.00.01Pipe4F3-F4-120.5823.7871114.210.00.01Pipe5F4-分輸站85.6114.897111

15、4.210.00.01Pipe6分輸站- F5-310.557.1271114.210.00.01Pipe7F5-F685.271.4871114.210.00.01Pipe8F6-F7143.2518.4071114.210.00.01Pipe9F7-F8207.1322.7671114.210.00.01Pipe10F8-F9-43.3318.8171114.210.00.01Pipe11F9-F10194.1621.0171114.210.00.01Pipe12F10-末站-245.6120.9371114.210.00.01榆濟(jì)管線（陜西管理處管段）管道參數(shù)表29 管網(wǎng)概況組份含量（%

16、）組份含量（%）CH492.4316nC5H100.1460C2H63.8546C6+0.1278C3H80.9758He0.0323iC4H100.2186H20.0110nC4H100.2971N20.5533iC5H120.1943CO21.1576管網(wǎng)輸送天然氣的氣質(zhì)組份表氣源點(diǎn)最大壓力(MPa)最小壓力(MPa)最大流量(104m3/d)最小流量(104m3/d)首站9.53.8821.92570.61管網(wǎng)氣源參數(shù)表供氣用戶最大壓力(MPa)最小壓力(MPa)最大流量(104m3/d)最小流量(104m3/d)末站9.57.5821.92570.61陜西管理處管段用戶參數(shù)表30 氣源

17、概況調(diào)研陜西管理處管段的耗能現(xiàn)狀，選取管網(wǎng)較典型的12組運(yùn)行工況的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)選自2012年-2013年的實(shí)際運(yùn)行生產(chǎn)報(bào)表。進(jìn)（出）站壓力、進(jìn)（出）站溫度所指的場(chǎng)站均指管網(wǎng)的首站。工況編號(hào)進(jìn)站壓力(MPa)出站壓力(MPa)末站壓力(MPa)輸送流量(104m3/d)進(jìn)站溫度()出站溫度()平均溫度()14.088.357.74662.441.738.35.424.068.357.75650.001.638.75.334.068.357.75643.401.633.75.344.048.307.76615.0513.334.312.153.968.177.67570.6116.139.67.86

18、3.938.527.68742.3711.435.712.974.319.088.21805.282.938.26.384.259.118.26808.043.236.36.794.279.078.22805.423.038.06.5104.239.038.19795.032.834.56.2114.249.038.16802.122.536.45.9124.118.557.87615.311.539.05.2榆濟(jì)管線（陜西管理處管段）實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)表31 運(yùn)行能耗計(jì)算 計(jì)算程序數(shù)據(jù)輸入界面 計(jì)算程序結(jié)果輸出界面32 運(yùn)行能耗計(jì)算 榆濟(jì)管線（陜西境內(nèi)管段）仿真模型33 運(yùn)行能耗計(jì)算將管網(wǎng)較典型的

19、12組運(yùn)行工況的數(shù)據(jù)代入自行編制的計(jì)算程序，利用PNS管網(wǎng)仿真軟件模擬管道的典型工況，核算運(yùn)行能耗。工況序號(hào)PNS計(jì)算結(jié)果(kW)程序計(jì)算結(jié)果(kW)絕對(duì)誤差(kW)相對(duì)誤差17089.596984.48105.11-1.48%26974.066896.7477.23-1.11%36879.686818.0761.61-0.90%46559.26647.4588.251.35%56365.666435.4769.811.10%68678.928641.1837.74-0.43%78667.368670.573.210.04%88938.168962.9724.810.28%98805.218811.286.070.07%108707.778757.4949.720.57%118773.078771.531.54-0.02%126394.806486.4191.611.43% 程序與仿真軟件計(jì)算管網(wǎng)運(yùn)行能耗的結(jié)果對(duì)比表程序計(jì)算結(jié)果與PNS計(jì)算結(jié)果相對(duì)誤差示意圖34 運(yùn)行能耗計(jì)算程序計(jì)算結(jié)果與PNS計(jì)算結(jié)果相關(guān)性散點(diǎn)圖最優(yōu)化方案計(jì)算程序輸出結(jié)果管網(wǎng)沿線壓力、流量分布圖35 最優(yōu)化運(yùn)行方案確定站名出站壓力(MPa)輸送流量(104m3/d)壓縮機(jī)