2009年第6期內(nèi)蒙古石油化工天然氣集輸管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究李征(遼河油田公司特種油開發(fā)公司,遼寧盤錦124000摘要:氣田地面梟輸管網(wǎng)工程是氣田地面工程的主體工程,也是一個(gè)投資巨大、內(nèi)容復(fù)雜的親統(tǒng)。氣田地面集輪菅網(wǎng)的優(yōu)化,即明確氣井與集氣站的最佳歸屬關(guān)來、最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)布局以及最優(yōu)營徑組合。在調(diào)研國內(nèi)外大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,根據(jù)管道經(jīng)濟(jì)性和結(jié)構(gòu)可靠性原則,建立集輸管網(wǎng)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,采用分級(jí)優(yōu)化的方法及遺傳算法,對(duì)梟輸管網(wǎng)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解,最終解決氣田地面集輸管網(wǎng)無統(tǒng)的整體優(yōu)化問題關(guān)鍵詞:集輸管網(wǎng);優(yōu)化設(shè)計(jì);遺傳算法;程序1天然氣集輸管網(wǎng)優(yōu)化模型的建立一個(gè)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)所有站點(diǎn)都包括在內(nèi)時(shí),程序便結(jié)束運(yùn)目前國內(nèi)廣泛采用的是多級(jí)集輸流程,所采用行,否則繼續(xù)循環(huán)的集輸系統(tǒng)管網(wǎng)主要有放射狀(或稱星形)樹枝狀3參數(shù)的優(yōu)化—最優(yōu)管徑組合的確定和環(huán)狀,以及這三種方式的組合形式?？紤]到實(shí)際使當(dāng)初始最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)布局確定之后,就需要確定使用的情況和研充方便,本設(shè)計(jì)研究的氣田集輸管網(wǎng)管網(wǎng)投資和操作維護(hù)費(fèi)用最小的最優(yōu)管徑組合,即是一種星形管網(wǎng)與枝狀管網(wǎng)相結(jié)合的形式,即各氣管網(wǎng)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)針對(duì)輸氣管網(wǎng)結(jié)構(gòu)參井與所屬集氣站以星形連接,集氣站之間以集氣干數(shù)設(shè)計(jì)問題提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)模型,并討論了含連續(xù)線連接,集氣干線將各集氣站與集氣總站呈枝狀連變量和離散變量優(yōu)化設(shè)計(jì)的求解方法。接起來3.1數(shù)學(xué)模型2數(shù)學(xué)模型的求解3.1.1目標(biāo)函數(shù)集輸管網(wǎng)的最優(yōu)布局是在集氣站的優(yōu)化站位確采用管網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)時(shí)的一次性投資和在使用年定以后,對(duì)各個(gè)集氣站與總站的連接方式進(jìn)行優(yōu)化限內(nèi)所支付的總經(jīng)營費(fèi)用之和為目標(biāo)。其中一次性研究在暫不考慮某些因素影響的條件下,要使得整投資包括管網(wǎng)建設(shè)費(fèi)用(這里不包括壓縮機(jī)建設(shè)的個(gè)網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)的可行管線總長為最短對(duì)于這類問題,相關(guān)費(fèi)用),同時(shí)考慮投資的時(shí)間性,引入“折算費(fèi)可采用圖論的方法進(jìn)行系統(tǒng)分析和確定)。用”的概念,因此,目標(biāo)函數(shù)可表示為本設(shè)計(jì)采用 Prime算法23確定集輸管網(wǎng)最優(yōu)s(D,8)=2(a+a1D+aG)L1+(1+i0)y-1(1) Prime算法如下L(1)假設(shè)網(wǎng)絡(luò)圖的固定節(jié)點(diǎn)為:A={A1,A2,A3式中:S表示輸氣管網(wǎng)的年折合費(fèi)用,萬元/aAn},再假定兩集合B1和B2,則 Prime算法的具體步a表示管道勘察、設(shè)計(jì)投資費(fèi)用等,萬元/km;a1表驟如下:示管道施工投資系數(shù),與防腐絕緣層、挖溝回填等有Stepl:B1+{A1}B2+{A2,A3,…Aa}。關(guān),萬元/(mm·km);a2表示購買及運(yùn)輸管道投step2:在B1中的諸節(jié)點(diǎn)與B2中的諸節(jié)點(diǎn)有邊系數(shù),萬元/t;D表示管道外徑,mmG表示單位管相連的所有邊中,找出最短距離的邊。假設(shè)B1中A1道長度的重量,它與管道管徑D、壁厚等有關(guān),t/與B2中A兩點(diǎn)連線最短,則連接A1與A1作為解的kmL表示管道長度,km;y表示管道使用年限,an部分枝,并且:B1+B1U{A}B2B2-{A表示管道數(shù);io表示內(nèi)部收益率,一般為0.12~0.Step3:若B2是空集,結(jié)束搜索,否則,回到15a-;co表示單位管長管道的年經(jīng)營費(fèi)用系數(shù)元/km·a)。(2) Prime算法的程序設(shè)計(jì)說明:3.12約束條件確定集輸管網(wǎng)最優(yōu)布局與最小生成樹問題相①節(jié)點(diǎn)流量平衡方程似,只要給出集氣站的位置,算出集氣站之間的距離,就可以求出最小生成樹,從而也就確定了最小布∑aQ+q=0局。各個(gè)集氣站之間的距離用數(shù)組來表示,采用三個(gè)式中,,=12,…表示節(jié)點(diǎn)編號(hào);N表示節(jié)點(diǎn)指針來分別記錄距離值、最小生成樹的本節(jié)點(diǎn)和下總數(shù)中國煤化工節(jié)點(diǎn)之間元件CNMHG收稿日期:2009-01-10作者簡介:李征(1982一),助理工租師,大學(xué)學(xué)士1200年畢業(yè)于西南石油大學(xué)并獲學(xué)士學(xué)位,主要從事油氣田地面建設(shè)管星工作20內(nèi)蒙古石油化工2009年第6期的通過量設(shè)計(jì)管段管徑編碼含義f0,節(jié)點(diǎn)i和j無關(guān)外徑/m十進(jìn)制編號(hào)二進(jìn)制編號(hào)a;=11,節(jié)點(diǎn)i和相關(guān),從節(jié)點(diǎn)輸入1,節(jié)點(diǎn)i和j相關(guān),從節(jié)點(diǎn)輸出②氣體在管道中的穩(wěn)定流動(dòng)方程13320】0Q=0.038×10P-s)=D√△TL1-2式中:Q表示天然氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積流量,245m3/s;PQ表示管道上節(jié)點(diǎn)壓力,MPa;PZ表示管道下節(jié)點(diǎn)壓力,MPa;D表示管道內(nèi)徑,mm;S表示管段兩端高程差;λ表示水力摩阻系數(shù);△表示天然氣設(shè)計(jì)管段壁厚編碼含義的相對(duì)密度;Z表示天然氣的壓縮系數(shù);T表示天然壁厚/mn十進(jìn)制編號(hào)二進(jìn)制編號(hào)氣的平均溫度,K;L表示管段長度,km;a=2g/ZRT。4.0③節(jié)點(diǎn)氣量約東(4)5.0式中,qm、q分別表示節(jié)點(diǎn)i氣量的下、上限。5.53456100④節(jié)點(diǎn)壓力約束Pin≤p1≤pmx(5)7.l101l1式中,分別表示節(jié)點(diǎn)壓力的下、上限。⑥管段承壓約東編碼完成后,管網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案即可用按管段編(6)式中,P=m表示管段j承受壓力的上限號(hào)順序排列的一串0,1字符來表示。遺傳算法模塊可見,上述模型是一個(gè)多維約束、非線性混合中處理的對(duì)象是二進(jìn)制字符串,最后得到的最優(yōu)方離散優(yōu)化問題。由于設(shè)計(jì)模型中既有連續(xù)變量又有案要解碼還原成標(biāo)準(zhǔn)的管徑和壁厚離散變量,增大了求解難度。本設(shè)計(jì)采用遺傳算法Step2:初始種群的產(chǎn)生來進(jìn)行求解。遺傳算法中二進(jìn)制字符串的長度取決于管網(wǎng)的管段數(shù),假如管網(wǎng)的管段數(shù)為9,則所需的二進(jìn)制字3.2數(shù)學(xué)模型的求解采用遺傳算法求解需要將約束條件轉(zhuǎn)化到日符串?dāng)?shù)為9×6=54通過54次調(diào)用隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生二進(jìn)制數(shù)的算子,獲得所需長度的字符串,就產(chǎn)生了初標(biāo)函數(shù)中去對(duì)于不等式約束條作,一般采用懲罰函始的管徑選擇方案即初始個(gè)體每個(gè)個(gè)體代表不同數(shù)法因此,目標(biāo)函數(shù)可轉(zhuǎn)化為(其中P1為懲罰因的管徑選擇方案。重復(fù)上面的方法就可以得到多個(gè)初始個(gè)體,形成初始種群。子)step3:適應(yīng)度f(i)S(D,8)=min{[〔a+a1D+a2×2.48068×8×管網(wǎng)優(yōu)化計(jì)算中的適應(yīng)度f(i)必須反映管網(wǎng)遣i(1+i)價(jià)和每年的維護(hù)費(fèi)用以及年運(yùn)行費(fèi)用,同時(shí)應(yīng)該做(D-8)×a(1+)1)+c]L+B到費(fèi)用越低則方案的適應(yīng)度越大才能達(dá)到管網(wǎng)優(yōu)+Pr化的目的。按照這個(gè)要求,通?？梢詫⑦m應(yīng)度f()表示為費(fèi)用函數(shù)S(D,3)的倒數(shù)〔c(q)+∑p(p)+p)〕(7)Step4:選擇式中,n為管段數(shù),m為節(jié)點(diǎn)數(shù)。按照編碼規(guī)則,對(duì)群體中的每個(gè)個(gè)體進(jìn)行解碼,3.3遺傳算法的基本步驟還原出管網(wǎng)的管徑和壁厚信息,代入f(i)計(jì)算適應(yīng)Step1:編碼度。被選中的每個(gè)個(gè)體具有一個(gè)選擇概率,這個(gè)選擇在確定了設(shè)計(jì)變量和約束條件,建立了優(yōu)化模概率取決于種群中個(gè)體的適應(yīng)度及其分布型之后,首先需要進(jìn)行編碼,即把管徑和壁厚信息用本設(shè)計(jì)采用輪盤賭選擇方法。該方法是目前遺數(shù)字串表示。這個(gè)數(shù)字串是相應(yīng)管徑和壁厚的基因傳算法中最基本也是最常用的選擇方法。在該方法型,而管徑和壁厚是基因的表現(xiàn)型本文采用二進(jìn)制中,各個(gè)個(gè)體的選擇概率和其話應(yīng)度值成正比編碼如表1和表2所示,假設(shè)管網(wǎng)中有八種管徑和八中國煤化工種璧厚,則用兩個(gè)三位二進(jìn)制碼分別表示。一條管段的信息對(duì)應(yīng)著一個(gè)六位二進(jìn)制碼,前三位對(duì)應(yīng)管徑,新CNMHG構(gòu)加以替換而生成目的是為了能夠在后三位對(duì)應(yīng)壁厚。下一代產(chǎn)生新的個(gè)體,就像人類社會(huì)的婚姻過程,通過交又操作,遺傳算法的搜索能力得以飛躍的提高。2009年第6期李征天然氣集輸管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究21交叉是遺傳算法獲取新優(yōu)良個(gè)體的重要手段(3)管段基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如下表:本設(shè)計(jì)采用單點(diǎn)交叉其具體操作為:在基因串管段編號(hào)123456中以概率Pe選擇一個(gè)交叉點(diǎn),實(shí)行交叉時(shí),該點(diǎn)前或后的兩個(gè)個(gè)體的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行互換,并生產(chǎn)新個(gè)長度(m)150012001200800800900115012001000體采用遺傳算法思想編制了軟件,并利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行迭代仿真得到了該設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化結(jié)果,表3變異操作是以概率Pm對(duì)群體中的每個(gè)個(gè)體基是各管段的最優(yōu)管徑組合以及這種方案下對(duì)應(yīng)的管因串的基因值進(jìn)行改變?cè)诒驹O(shè)計(jì)中,變異操作就是段費(fèi)用(單位:萬元)把基因值取反,即由0變?yōu)?或由1變?yōu)?。通常情況程序界面及運(yùn)行結(jié)果如下:下變異概率取1%~5%喪3管段的最優(yōu)管徑組合及對(duì)應(yīng)的管段費(fèi)用step7:迭代管段號(hào)管徑壁厚管段費(fèi)用經(jīng)過上述步驟后,初始種群已經(jīng)進(jìn)化成新的種(mm)群了。對(duì)新的種群再進(jìn)行適應(yīng)值的計(jì)算、選擇、交叉0,8745和變異,如此重復(fù)操作,種群中的個(gè)體適應(yīng)值和種群114平均適應(yīng)值將不斷提高0.6022step8:算法終止條件1086.00.3929雖然遺傳算法具有概率1收斂的極限性質(zhì)然234567891590.4664而實(shí)際算法通常難以實(shí)現(xiàn)理論上的收斂條件。因此,2190.62211140.5772常用方法包括:給定一個(gè)最大進(jìn)化代數(shù);給定個(gè)體評(píng)0.5892價(jià)總數(shù);給定最佳搜索解的最大滯留代數(shù)等本文采0.5019用最大進(jìn)化代數(shù)來終止算法。從程序運(yùn)算結(jié)果可以看出,該方案是經(jīng)濟(jì)可行4程序說明與算例分析集輸系統(tǒng)由10個(gè)集氣站(即10個(gè)節(jié)點(diǎn))和9條管段進(jìn)行了分析,占管網(wǎng)總方案數(shù)(8×8)9的0構(gòu)成,節(jié)點(diǎn)1為集氣總站,其出站壓力(即外輸壓力)000004%,這個(gè)數(shù)相當(dāng)小,說明用遺傳算法求已知,為MPa;各管段技術(shù)、經(jīng)濟(jì)參數(shù)及其它參數(shù)已解效率很高。知如下:5結(jié)論(1)基礎(chǔ)參數(shù)本文對(duì)天然氣集輸管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了較輸氣管段中氣體溫度:T=293K為詳細(xì)的探討,并分別實(shí)現(xiàn)了布局優(yōu)化和參數(shù)優(yōu)化,天然氣相對(duì)密度:△=0.6主要研究成果如下壓縮因子:Z=0.95(1)建立了管道投資和結(jié)構(gòu)可靠度兩個(gè)目標(biāo)函管材最低屈服極限:o=210MPa數(shù),采用層次分析法對(duì)氣井進(jìn)行分組,建立了相應(yīng)的鋼管縱向焊縫系數(shù):9=0.5判斷矩陣,由每口井的權(quán)重值,確定了氣井一集氣站鋼管溫度折減系數(shù):K1=1的歸屬關(guān)系設(shè)計(jì)系數(shù):F=0.72(2)采用圖論中的 Prime算法,確定了集輸管網(wǎng)的最優(yōu)布局。(3)利用遺傳算法進(jìn)行編成,參數(shù)設(shè)定具有不確定性,且操作方法無固定模式。本文采用遺傳算法確定集輸管網(wǎng)最優(yōu)管徑組合,并確定此組合下各管段的費(fèi)用。〔參考文獻(xiàn)〕[1]盂榮章.大型氣田集輸管網(wǎng)布局優(yōu)化.石油規(guī)劃設(shè)計(jì),1998,2:16~18[2]李元朋等.油田地面集輸管網(wǎng)優(yōu)化計(jì)算研究油氣儲(chǔ)運(yùn),2004.23(10):17~19圖1某氣田集輸管網(wǎng)布局示意圖[3]陳開周.最優(yōu)化計(jì)算方法陜西:西北電信工程(2)經(jīng)濟(jì)參數(shù)學(xué)院出版社,1985.260~263管道使用壽命:y=20年;內(nèi)部收益率:io=0.[412;與管徑無關(guān)的敷設(shè)費(fèi)用:40=1.5萬元/km;與管中國煤化工天然氣集輸管網(wǎng)參設(shè)備,204,(4):1徑成正比的敷設(shè)費(fèi)用:a1=0.01377萬元/(kmCNMHGmm);與管重成正比的費(fèi)用:a2=0.·096萬元/(km·[5z.米凱利維茨(美)演化程序一遺傳算法和t);管道的年經(jīng)營費(fèi)用:co=0.1萬元/km·a)數(shù)據(jù)編碼的結(jié)合.北京:科學(xué)出版社,2000