天然气管道瞬态运行优化技术研究进展

由于长距离天然气管道输送需要依靠压缩机提供能量,而天然气管道的实际运行状态是不断变化的,稳态优化技术已无法满足管道的实际运行情况,瞬态优化技术应运而生。在满足用户需求的前提下,如何选择压缩机组合,制定最优运行方案,使压缩机能耗最低,是天然气管道运行管理的关键;因此研究天然气管道系统瞬态运行优化技术成为了管道输送至关重要的课题。为此,在调研大量文献的基础上,分别从目标函数、约束条件和优化变量三个方面总结了瞬态运行优化问题采用的数学模型及其特点和局限,分析了模型的主要算法、典型算例及其应用效果。最后根据天然气管道瞬态运行优化技术的发展趋势,提出以下建议:(1)进一步考虑管道元件和特殊工况对运行状态的影响,建立更贴近实际运行状态的数学模型;(2)后续的研究应注重结合不同的优化算法,提高求解效率,研究更具通用性的求解方法。     

非均分流量负荷的压气站优化运行

离心压缩机组是输气管道系统的重要动力设备,随着运行时间的增加,会发生性能劣化现象,若在优化压缩机组的运行方案时忽略这一点,那优化后的运行方案将不具有实用性.基于最小二乘法原理建立性能误差修正模型,利用该模型预测压缩机组的性能参数(功率、压比).在此基础上,进一步将误差修正思想引入压缩机组运行优化模型.在模型求解过程中,...     

长输气管道设计优化模型建立与计算研究

以长输气管道系统建设和运行总费用最小为目标函数建立优化数学模型,约束条件包括站间距约束、管径约束和压比约束等,优化变量为管道设计压力、管道直径、压缩机压比、站间距离等。利用改进的POWELL法对建立优化数学模型进行了计算求解,经过实例计算,模型合理反映出管道系统设置压气站的数量、管道直径、输气设计压力对总费用的影响性,与工程实际设计参数误差较小,对建立的模型可靠性进行了验证。     

透平压缩机组的模糊PID控制与特性研究

通过对典型透平压缩机组的分析,建立了汽轮机驱动压缩机组的动态数学模型,设计了机组的模糊比例-积分-微分(PID)控制器,研究了机组的动态响应特性.研究结果表明:在系统扰动时,采用所提模糊PID控制器可以使控制量无动态超调,并且消除了稳态误差,从而加快了系统的响应速度.在基于压缩机流量、压比和转速三者相互耦合而设计的控制器可以分别控制汽轮机压缩机转速和防喘振阀,使得压缩机工作点不进入喘振区域,压缩机压比在40 s内达到设定值,由此达到了改善控制效果和节约能源的目的,为变转速透平压缩机组控制系统的设计提供了理论基础.     

基于GA的天然气增压系统可靠性优化

以天然气增压系统的可靠性分析为基础,在体积、重量和总费用的约束条件下,通过优化设计使整个系统的可靠度最高.给出了天然气增压系统区间系数的可靠性优化数学模型,把非线性区间规划模型转化为等价的双目标非线性规划模型,并在此基础上阐述了用遗传算法(GA)找出问题解集的基本思想,对整个系统的核心涡旋式压缩机进行了性能参数分析.可靠性试验结果表明:优化后的天然气增压系统可靠性是满足要求的,用遗传算法求解该问题是相当有效的.     

优化算法在天然气管网运行中的应用

阐述了天然气管网运行优化的数学模型,建立了两种目标函数,最大收益目标函数和最大流量目标函数,8种约束条件。通过研究各种典型优化算法的优劣性,确定了线性化优化算法、复合形优化算法、可行方向优化算法三种方法来求解天然气管网运行优化模型,并编制了应用程序。结合实例,对三种算法在天然气管网运行优化中的应用进行了研究,结果表明,三种算法的优化结果误差在I%内,线性化优化算法在收敛速度和解的质量方面均优于其他两种算法,更具实用性。     

输气管道系统供气调峰技术进展

介绍了国外关于输气管道系统供气调峰的4个主要研究方向,包括调峰可以采取的措施、地下储气库采气计划的制定、应用稳态模型分析中长期调峰问题以及短期调峰过程的仿真。对生产中所采用的主要调峰措施进行了详细介绍。根据国内外研究状况和运行调度经验,提出了3种短期调峰方案模式。对调峰方案的优化进行了论述,提出了短期调峰方案的多目标优化原则。对TGNET、SPS、SIMONE等主流输气管道仿真软件的特点进行了介绍。分析归纳了目前短期调峰方案优化研究的难点在于建立合理的多目标优化原则体系、对该体系中模糊因素的处理方法,以及多目标模糊优化模型的高效求解方法等。     

低温闪蒸气压缩机气缸温度场的有限元分析

针对低温闪蒸气(BOG)压缩机工作时吸气温度低、变工况时气缸温度变化剧烈的问题,建立了压缩机导热有限元计算模型,得到了稳态、周期性非稳态气缸温度场及常温启动、预冷启动时气缸瞬时温度变化。研究结果表明:BOG压缩机稳定运行时气缸吸排气腔平均温度分别达-97℃和-21℃,周期性非稳态温度波动小于0.1℃。常温(30℃)启动后气缸内外壁最大温差为87.1℃,当预冷至-30℃启动时气缸内外壁最大温差仅为53.5℃,比常温启动时下降了38.6%。     

天然气管网优化调度方法研究

以压缩机站最小年运营费用为目标函数,考虑气田资源、压缩机站特性参数、管网输送工艺等多种约束条件,建立了天然气管网优化调度数学模型。基于现代启发式演化算法的基本思想,将差分进化算法的繁殖策略与遗传算法的交叉、变异结合起来形成了一种新的混合遗传算法,应用于模型的优化求解,避免了一般演化算法早熟收敛现象,并以一个12个节点、11条管段、2个压缩机站的天然气管网为例,评选出了最优的管网运行方案,用于该管网的日常运营调度和后期改造设计。结果表明,所建模型和优化方法是有效的,具有一定的实用性。     

大型天然气管道稳态运行优化研究

针对天然气长输管道压缩机站运行能耗高的问题，基于动态规划法，建立以大型天然气管道压缩机站总能耗最低为目标函数的管道运行优化模型，确定压缩机开机数量和出站压力为优化变量。根据此优化模型，求解西气东输一线管道算例，该算例管道规模庞大（含22座压缩机站和32台压缩机，管线全长3 840 km，设计年输量为170×10⁸ t），优化模型可在60 s内求解得出结果，动态规划法求解快速有效。根据优化结果，优化运行方案比运行日报表中增加了2台压缩机的开机数量，管道总压降减少了3.40 MPa，燃气轮机组平均效率提高了4.234%，电驱机组平均效率提高了4.875%，压缩机总功率减少187 20.38 kW，生产单耗减少16.24 kgce/（10⁷ Nm³·km），可大幅降低西气东输一线管道的总能耗，证明了所建优化模型的正确性和可行性。     

输油管道液柱分离模拟

为了研究输油管道在不稳定流动过程中,因轻质组分挥发、气泡聚集而形成的液柱分离现象,建立了水击分析数学方程.基于分相流模型,采用特征线法、有限差分法将偏微分方程数学模型转化为代数方程组,并采用Newton-Raphson法进行求解,给出了分析步骤.最后,采用VC++开发了仿真程序,分析了输油管道中途截断阀突然关闭时,阀后管道拔高点处的水力瞬变工况.同时,还分析了初始油品中的含气率对液柱分离的影响.结果表明,当含气率大于10-6时,初始含气率越大,管道拔高点处低压持续时间越长,压力响应越滞后,液柱弥合压力越大;否则,可以不考虑含气对水力瞬变的影响.     

天然气管道瞬变流动数值模拟新算法

针对管道中介质瞬变流动的非线性偏微分方程组难以解析求解的问题,由质量、动量、能量三个偏微分方程构成的控制方程组,应用TVD/Godunov混合算法数值模拟天然气管道中气体的瞬变流动,摒弃了传统的差分方法对动量方程非线性对流项的线性化处理,而直接处理非线性对流项,从而大大提高了算法的稳定性和管道瞬变流动的仿真精度。算法采用了时间分裂法描述不完全堵塞管道,没有作等温假设,进一步增进了数值模拟的精度与合理性,获得了理想精度的计算结果。     

天然气管道瞬态仿真研究综述

天然气管道仿真技术是天然气管网设计、运行、管理核心基础技术.在天然气管网大型化、复杂化、智慧化和多气源供应发展的大背景下,该技术将发挥着越来越重要的作用.为此,调研了中外天然气管道瞬态仿真的研究进展,梳理了在数学模型、求解方法和加速仿真3个方面的研究历程,总结了当前的研究成果,分析了今后的发展趋势.目前天然气管道仿真技...     

天然气管输系统输气潜力分析及精细化管理研究

天然气管输系统的输配气能力是影响天然气定价的关键因素,然而学者们对于天然气管输系统输气能力的研究未考虑安全文明运行的要求,且未结合精细化管理来提高输气能力。本文利用气体管道仿真软件TGNET,结合广安天然气管输系统的实际运行情况,考虑安全运行和降噪要求,从站场工艺管道流速限制、输气干线管道流速限制、其他限制条件3个方面分析了该管输系统的最大输气潜力,并基于精细化管理角度提出了提高天然气管输系统输气潜力的措施。研究表明:从以上3个方面可以有效分析天然气管输系统的最大输气潜力;从设备维修、设备维护、建立设备管理案例库、建立奖惩制度4个方面,可以有效提高天然气管输系统的输气潜力。这对确定合理的天然气定价、提高供气调度的准确性提供了参考价值。     

天然气管网系统性能评价指标及方法研究进展

目前中国对天然气的需求与消费扩大,天然气管网建设势必要加快.天然气管网系统在服役过程中的事故率和安全风险难以控制,从而会极大影响天然气管网供应格局的形成.近年来,中外对天然气管网系统的性能评价指标及方法已经取得了大量的研究成果,但是中国油气管道领域的应用实例仍然较少,未形成一套完整的、全面的天然气管网系统性能评价指标及方法体系.通过总结现有研究成果发现,管网结构可靠性评价主要是采用故障树分析、蒙特卡洛模拟方法来计算管网系统的失效概率,从而量化管网系统的可靠性.管网供气可靠性评价主要是基于概率统计方法,建立天然气管网系统日需求-日供给干涉模型,并结合TGNET软件或蒙特卡洛模拟法,求解出管网系统的供气可靠度;管网经济性评价主要侧重于投资估算和财务评价;管网适应性评价主要是通过模拟软件建立管网水力计算模型,从而分析管网在不同工况下的输送效率.同时也指明了建立管网系统评价模型、划分评价指标等级是未来的研究重点;采用极限状态设计理论,并准确计算管网系统发生失效或故障的概率是未来的研究难点.以上综述内容对于开展天然气管网系统性能评价指标及方法的理论研究与现场应用具有一定的借鉴价值.     

湿气集输管线非介入式积液检测技术研究

考虑到安全、天然气组分等因素,越来越多的高含硫气田采用了湿气集输工艺,在山地丘陵地区管线低洼处势必会产生积液。通过理论分析提出了两种非介入式管线积液检测方法。通过室内实验研究证明了两种检测方法的可靠性,最后将这两种积液检测方法应用到了普光气田现场。结果表明:两种检测方法都可以准确地检测到管线内的气液界面,检测结果与实际液位高度相对误差均在±10%以内,并且两种方法操作简单,不破坏管道结构,不受管内运行参数的影响,可以用来指导现场工艺运行,为管线清管提供依据。     

用于高温气冷堆燃料元件检测的外装式检测系统

为准确检测球床式高温气冷堆装卸料系统不锈钢管道内燃料球的过球信息,该文设计了外装式过球信息检测系统。该系统的涡流传感器采用了双半圆结构,其安装和维护都无需破坏过球管道。信号处理部分采用了直接数字频率合成技术(DDS)、高速鉴频鉴相技术和幅值检波技术,有效提取了过球信号,并通过阈值判断和形状比较相结合的方法,准确区分了过球信号和干扰信号。实验表明,在过球速度为0.1~10m/s范围内,该系统能够准确地检测离散过球和连续过球。     

用于高温气冷堆燃料元件检测的外装式检测系统

为准确检测球床式高温气冷堆装卸料系统不锈钢管道内燃料球的过球信息,该文设计了外装式过球信息检测系统。该系统的涡流传感器采用了双半圆结构,其安装和维护都无需破坏过球管道。信号处理部分采用了直接数字频率合成技术(DDS)、高速鉴频鉴相技术和幅值检波技术,有效提取了过球信号,并通过阈值判断和形状比较相结合的方法,准确区分了过球信号和干扰信号。实验表明,在过球速度为0.1～10m/s范围内,该系统能够准确地检测离散过球和连续过球。