城市天然气管网规划现状

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城市天然气管网规划现状

2007-3-12

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摘要：本文介绍了城市天然气管网规划工作的目的意义、内容和方法。详细介绍了图论法、动态规划法、神经网络法、MCST法和约束导数法等在城市天然气管网规划中的应用。从城市天然气管网规划现状可以看出多目标化、模糊化和灰色优化是今后城市天然气管网规划发展的主要方向，同时提出要大力研发规划软件和引进国外先进软件以提高管网规划效率的建议。

关键词：天然气管网  规划  目的 意义  内容  方法  优化  现状  发展方向

Current Situation Of Urban Natural Gas Pipe Network Programming
SU Xin，ZHANG Lin，YUAN Zong-ming，HU An-xin
(Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China)
ABSTRACT: The purpose， content and method of natural gas pipe network programming in cities were introduced in this paper. The application of graph theory， dynamic programming， neural networks， MCST method， constrained derivatives， etc. to pipe network programming were recommended in details. Through the development of natural gas pipe network programming ， multiple objectives programming， fuzzy programming， grey programming were found to be the orientation of development of natural gas pipe network programming in cities. Furthermore， development of software in this field and introduction of software abroad should be stressed to improve the programming efficiency.
Key Words: natural gas pipeline network   programming   purpose  significance  content  method optimization  the actual state  development

1 引言
    天然气管网的规划设计工作是一项长期持续性的工作。由于规划工作的复杂性和广泛性，需要在实施过程中不断分析现有管网和供求关系，进一步优化管网结构。而对管网进行优化实际上就是一个网络最优化问题。网络最优化问题，求解的是满足给定的最优化准则以及约束条件的网络拓扑结构。可以制定经济最优化准则——最大利润、最小总费用、最低成本等；也可以制定技术最优化准则——最大可靠性、最快动作等。这些最优化准则可以作为选择系统功能和系统发展目标的明确策略^[1][2]。

2 规划现状
    2.1 规划的目的和意义
    城市天然气系统工程建设投资巨大，工程建成后不宜轻易改建或扩建，否则，将影响城市建设，影响城区居民生活，造成人力、物力、财力的巨大浪费。因此，要保证城市燃气事业的健康发展，天然气管网规划设计必须科学化。城市天然气系统工程规划设计的目的是：不仅要满足用户和工艺设计的要求，而且要使城市天然气系统工程所需的投资费用最少，使得整个天然气管网运行经济、安全、灵活和可靠。
    2.2 规划的内容
    城市天然气管网优化一般指城镇天然气输配管网的优化，通常是在气源条件已定的情况下针对某一级管网逐级进行。例如：在门站已定的条件下，优化高压(或中压)管网，或在高中压调压站布局已定的条件下优化中压管网。其中，主要解决两个问题：(1)管网的布局优化；(2)管网的参数优化^[3]。在进行管网的规划设计时上述两个问题是相互关联的。因此，必须综合考虑了上述两个问题的关联，才能提高优化效果^[1]。
    2.3 规划的方法
    2.3.1 图论法
    文献^[5]中将复杂枝状燃气管网系统作为研究对象，在勘察设计定线后，采用分级优化的策略，将整个输气管网优化设计问题分解成布局优化、参数优化和方案优化3个子问题。布局优化的目标是使整个管线网络铺设的可行线路总长最短。
    根据图论可知，输气管网系统可抽象为无向网络，气源、压气站、供配气节点为网络节点；两点间管线为网络的边。在暂不考虑某些因素如气体的流向、流量分配的情况下，将这些节点用可能的管道联结起来，以两节点间的管段长度为权，保证所有管道长度之和最短。这样输气管网布局优化问题便转化为求无向网络的最小生成树问题，可以采用破圈法、边割法，但是它们的共同特点是都不便于用计算机进行编程处理。常用的方法有图论中的Dijkstra 算法和Kruskal 算法，这些方法只能在已知固定点间求总长最短的几何布局。1972年美国纽约大学张希国教授提出的Steiner 算法有效地解决了具有较大规模的网络最短树问题。通过引入外点(称为Steiner 点) ，使求得的最短树总长要小于等于用以上几种方法求得的最短树的总长。只考虑固定点而不考虑引入额外点所形成的几何布局(即最短树) 只是Steiner 最短树的一个特例。实际的设计结果表明：在所有求最短总长管网布局的算法中SI算法效果最好。
    用以上几种算法求得的管网布局仅是将管道投资看作其长度的线性函数，没有考虑管网的投资费用和运行费用等，实质上求得的是初始可行解，只能作为管网的初始布局。实际上管道的投资不只是管道长度的线性函数，管道投资函数的表示是否恰，当对问题的正确解决相当关键。因此管网系统布局优化的主要困难在于其最优布局与管道的具体参数(如流量管径和壁厚)，两者相互关联，使问题变得很复杂。若将这两个方面人为的分割开来，分别进行优化设计，则往往不能达到“真正的最优”。在优化时，应将这两个子问题看作从管网系统中分解出来的两个相互关联的子问题，不断对二者进行协调^[1][6]。
    2.3.2 动态规划法
    动态规划法则存在“维数障碍”问题，即动态规划方法的运算量随着变量数的增长而呈指数规律增加。当问题的维数增加到一定程度时，会使问题的求解实际上成为不可能，所以动态规划法难以同时处理有多决策变量的优化问题[4]。
    动态规划法是对一个管网中各节点的压力进行优化，并通过求得的最优压力从设备列表中选择相应的管网元件--管道和压缩机，使管网的建设和运行费用最低。该方法压气站的数目和位置以及各管段的长度和管径都需要预先给定，并且不适用于处理网络元件(包括管道、压气站、储气库等)较多的大型网络系统。其原因是用动态规划法求解时存在维数灾难:若一维状态变量有m个取值，那么对于n维问题，状态xk就有mn个取值，对于每个状态值都要计算、存储最优值函数人fk(xk)。对n稍大(即使n =3)的实际问题的计算往往是不现实的，目前还没有克服动态规划中维数灾难的一般方法。
    2.3.3 基于Hopfield 的神经网络法^[4]
    20世纪80年代，Hopfield (1982) 和Tank (l985) 用人工神经网络(ANN) 方法求解TSP 问题( Traveling Salesman Problem) 获得了成功。该方法是通过对神经网络引入适当的能量函数，使之与问题的目标函数相一致来确定神经元之间的联结权，随着网络状态的变化，其能量不断减少，最后达到平衡时，收敛到一个局部最优解。神经网络是一种仿效生物处理模式以获得智能信息处理功能的理论。神经网络的基本特征是: ①大规模并行处理； ②容错性； ③自适应性和自组织性^[4]。
    文献^[4]针对输气管网布线优化模型，将目标函数和约束条件合并，建立基于Hopfield神经网络输气管网布局优化能量函数。采用Hopfield 神经网络优化方法求解输气管网布局优化问题可有效解决动态规划法存在的维数障碍问题。 采用两城市间管线长度作为权值，考虑到实际工程中具体情况如特殊地形、穿跨越等，各管段投资并不一定线性近似于路线长度，采用最短路径指标规划输气管网存在一定局限性。可采用各点间投资费用作为管网布线参数代替两点间长度，用于最优路线选择计算。
    2.3.4 MCST法^[7]
    Cheeseman和Graham等试图用工业程序优化管径，主要集中在解决稳定流中单相气体的压力分布，这种方法并不适合解决有约束条件的优化问题。Flanigan 对此进行了改进，提出约束的最速下降法，其缺点是它受到整个管网结构设计的限制。为了更好地解决管网优化设计问题，有关文献将MCST算法(最少成本分支算法) 与约束导数法(ConstrainedDerivatives ，简称CD法) 相结合，在MCST 算法确定管网布局的基础上利用CD法优化管网参数。MCST算法首先用来选择两点间成本最低、跨度最小的分支，然后从两个节点的树杈结构中选择包含3个节点的跨度最下的分支。重复该过程直到连接所有点时停止。
    2.3.5 综合优化法^[8]
    文献^[8]论述了燃气管网优化的基本内涵，基于准边值管网建立了压力储备效益函数，将管网供气增加能力转换为效益价值，形成综合的目标函数，并提出将管段配气功能对管径的要求纳入而形成综合约束。提出综合优化原理，建立了一种综合优化模型。
    文献^[8]得到两类具有准边界值的管网。一类是枝状管网，另一类是合理配管环网。这两类管网配置方案造价处于两端，显然有不同的压力工况，各零点的压力会在不同的水平上。因而零点压力高于允许最低压力的压力储备值会有不同，相应于两种压力储备边界值。利用这种造价与压力储备边界值的对应关系构造另一种管网优化目标。基于准边值管网构造压力储备函数以建立综合目标函数，加以综合约束进行燃气管网优化，即综合优化原理。
    2.3.6 约束导数法 ^[10，11]
    对于那些具有等式约束或能将不等式约束条件化为等式约束的输气管道工艺参数优化设计问题，国外学者主要使用约束导数法来解决。
    Flanigan使用约束导数法分别对天然气管网系统中管道的直径和压缩机的功率进行了优化[11]，优化时预先给定管网中压气站的数量与位置，文献^[11]将设计变量分成决策变量和状态变量两类。约束导数法是一种经典的数学规划方法，在进行输气管道的工艺参数优化设计时，对于无约束或容易将约束条件消去的非线性规划问题，使用该法容易获得最优解。但是该方法也只能对设计问题的局部进行最优化。
    2.3.7 广义既约梯度法^[10，12]
    Edgar等人首先将广义既约梯度法应用于天然气输送网络的最优设计^[12]。此项技术能同时确定压气站的数目、两个压气站之间的管段长和管径以及压气站中压缩机的操作工况(进气压力、排气压力)等设计变量的最优值，使管网投资和运行费用最低。广义既约梯度法在解决有约束的非线性天然气管网规划问题方面具有较高效率。此算法使对所有设计变量同时进行最优化成为可能。但应注意，优化得到的最优管道直径只能以连续的形式给出，要得到离散的最优管道直径值，还需要辅以其它优化方法，如分支定界法^[13]、次梯度优化法^[14]等。除了上面介绍的方法外，刘恩斌等人将遗传算法也引入了天然气管网规划中^[15]。

3 发展趋势及建议
    从现今的文献可以看出天然气管网规划发展趋势是^[3]：
    (1)多目标规划
    多目标规划比较复杂，其关键是解的概念问题。在多目标优化问题中，各目标函数常常是矛盾的，不协调的。在管网多目标优化中，假设考虑降低管网投资与降低管网的动力能耗两个目标函数，如果选用小管径，自然会降低管线投资，但同时会增加液体输送阻力，从而使管网的动力能耗增高。反之，如选用大管径，尽管可以使动力能耗下降、但却增加了管线投资。由此可以看出，由于目标函数的冲突性，导致不能唯一地评价设计方案的优劣。目前，解决多目标规划的方法通常是评价函数法、分层序列法和增量系数法等^[9]。
    对管网进行多目标优化，有如下优点：①提供从多个方案进行选择的机会；②通过求解替换模型问题，可以把一个非优的初始方案“有效化”；③为最终决策提供依据。
    (2)模糊优化
    考虑事物的模糊性，用隶属函数作为桥梁将其数量化，从而利用传统的数学方法进行分析处理，模糊数学理论显示出强大的生命力，其应用范围涉及自然科学、社会科学、工程技术、和国民经济等诸多领域。
    随着工程中研究对象的复杂化，必然要遇到大量的模糊因素，而现代信息化、人工智能化的发展，也要对模糊信息进行识别和处理。由于工程优化与现代各科学领域问相互交叉，新的设计理论和方法、新的技术不断涌现，工程模糊优化问题应用将更趋于广泛。
    (3)灰色优化
    1982年，邓聚龙教授创立了灰色系统理论。灰色指信息不完全，灰色系统是指信息不完全的系统。社会、经济系统一般都是以“灰元”，“灰数”，“灰关系”为特征的灰色系统。灰色系统理论以其横断面大，渗透性强的特点，正在农业、计划、经济、社会、科教、生物、地质、史学、军事、行政等各个方面得到日益广泛的应用。当前，已有学者对其理论在输气管道的优化设计，以及管道结构的可靠性等方面进行了探讨。
    我国输气管网布局规划的研究尚处于初始阶段，从数学的角度来看，输气管网、供水管网的布局规划问题同属网络规划问题。因此，在进行输气网络的布局研究时，可以借鉴供水管网布局规划的一些技术方法。输气管道有着长距离、高输送压力、大口径等特点，供水管网布局规划的一些技术只能为输气管网布局规划提供参考，所借鉴的只能是其分析、解决问题的方法体系，在实际应用中还有较大差异^[1]。从现有的文献来看，神经网络在管网规划中有着广阔的应用前景，应加大力度进行研究，开发出以神经网络为基础的规划软件。在今后的规划工作中必须遵循规划工作的原则即规划工作应具有先进性、整体性和持续性。大力开发新的规划软件，同时也要引入国外已经成熟先进的规划软件对管网进行模拟计算分析，从而提高管网的综合利用率，提高规划设计和生产管理的水平。

参考文献
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    [15]刘恩斌，彭善碧，李长俊等．基于遗传算法的天然气集输管网参数优化设计．管道技术与设备，2004(4)：1－3．

(本文作者：苏欣 张琳 中国石油工程设计有限责任公司西南分公司)