动态规划算法在管道运行优化的应用研究

摘要：采用动态规划算法，利用SynerGEE Gas软件建立川气东送管道模型并进行优化分析，通过对比管道实际运行方案和动态规划算法优化方案，发现管道实际运行方案可优化空间较大，平均可减少电力能耗费用约3万元/d。同时验证了输气管道优化问题可以应用动态规划方法来解决。总结出管道优化运行的基本规律，对管道未来运行调度具有参考作用。

关键词：输气管道；动态规划算法；运行优化；能耗； SynerGEE Gas 软件

0 引言

输气管道的动力由压缩机提供，而压缩机耗能巨大。能耗费用在很大程度上取决于管道的压气站运行方案，因此降低管道运行费用的主要途径就是合理选择压气站运行方案。减小输气能耗不仅可以节省大量的运行成本，降低压缩机的运行维护费用，而且还可以减少CO2等的排放，有利于环境保护[1]。

1 工程概况

川气东送管道于2009年建成投产，管道主干线长1 631 km，管径1 016 mm，设计压力10 MPa，管道设计输量1.20×1010m3/a。随着2017年增压一期工程建成投产，全线管道压气站数量将达到7座，压缩机数量达到27台，输气规模达到1.52×1010 m3/a。

图1 管道气源及压气站分布示意图

管道沿线气源及压气站分布见图1。压缩机参数见表1 。

表1 全线压缩机参数表

压气站驱动方式功率等级/MW机组配置备注1#电驱7．22+1已建2#电驱7．22+1增压工程3#电驱7．23+1已建4#电驱11．02+1增压工程5#电驱7．23+1已建6#电驱11．02+1增压工程7#电驱7．56+1增压工程

2 动态规划算法应用

目前，输气管道常用的运行最优化方法有动态规划法(DP)、线形混合整数规划法(MILP)、非线形混合整数规划法(MINLP)、模拟退火法(SA)、专家系统等。其中动态规划方法是解决油气管道领域优化问题常用的运筹学方法。

动态规划(dynamic programming)是解决多阶段决策过程最优化问题的一种方法。常把动态规划问题分解成若干个相互关联的连续阶段或若干个子系统处理，使整个过程实现预期的最优目标[2]。输气管道优化设计中的管道线路走向问题和全线压缩机组合问题可以应用动态规划方法来解决。

动态规划的基本要素包括：阶段划分、状态变量、决策变量、策略、状态转移方程、阶段效益函数和指标函数。

(1)阶段划分。根据动态规划的理论，假设全线压气站的数量为n，则将上一站的出口至本站的出口视为一个阶段，整条管线的全过程可以划分n+1个阶段。而首站和末站较特殊，第一阶段只有站内压缩机计算，最后一段只有管道水力、热力计算，其余中间各站既有站间水力热力计算又有站内压缩机计算。

(2)状态变量。本文选定状态变量为各个压气站的出站压力。

Xk=pdk-1,k=2～n+1

(1)

(3)决策变量。给定某一阶段的状态后，从该状态到下一阶段的某一状态的一种选择称为决策，可以用一个或一组变量来描述决策，称为决策变量。本文选定决策变量为各个站的压比。

dk=εk,k=1～n

(2)

(4)策略。在从第k阶段开始的k子过程中，由每阶段的决策组成的决策函数序列称为k子过程策略，k=1时的决策函数序列称为全过程策略。

(5)状态转移方程。第k+1阶段的状态变量由第k阶段的状态变量和决策变量确定，把第k阶段的状态变量、决策变量和第k+1阶段的状态变量的对应关系表示为状态转移方程。针对管道而言，压力的变化由站内压缩机做功和沿线能耗损失两部分共同决定，一般来说，两者之间可以达到一种平衡。

Xk=Tk(Xk+1,dk),k=1～n

(3)

(6)阶段效益函数。文中的阶段效益函数是针对第k阶段的能耗而言的，能耗是上一站出站压力和该站压比的函数。

Vk=Ck(dk,Xk+1),k=1～n

(4)

(7)指标函数。文中的指标函数为全线能耗值，最优指标函数是第k子过程中的指标函数的最小值。

(5)

(6)

(8)最优指标函数递推方程见式(7)。

fk(Xk+1)={fk-1(Xk)+Ck(Xk+1,dk)},k=1～n

(7)

(9)初始条件见式(8)、式(9)。

X1=pd0

(8)

式中pd0为气源的供气压力。

f0(X1)=0

(9)

图2 动态规划算法递推模型

3 工程应用分析

选取SynerGEE Gas软件建立川气东送管道动态规划模型对管道进行运行方案优化。

SynerGEE Gas软件气体稳态优化模块可以采用动态规划算法来进行天然气长输管道运行优化。优化模块常用的功能是燃料消耗最小化和燃料费用最小化。利用SynerGEE Gas软件建立的管道模型见图3。

图3 利用SynerGEE Gas软件建立管道模型窗口

本管道压气站压缩机进出口压力上、下限的求解由末端向前逐站利用流量-压降公式递推得到。首先由终点用户要求的压力下限5.0 MPa及末端流量计算出最后一座压气站的出站压力下限，然后利用该值除以该站输量下的最高压比得到该站进口压力下限，进而求得上一站的出站压力下限，依此推至首站。压力上限则由该管段的设计压力确定。

以管道2016年1～6月实际生产运行数据为基础，以全线压气站功率最低为优化目标，利用SynerGEE Gas软件对实际运行方案进行优化，部分对比情况见表2。通过对比分析可以看出，管道实际运行方案可优化空间较大，若按照动态规划算法推荐的运行方案运行，平均减少电力能耗费用约3万元/d。模型中均输入了压缩机的机芯参数。

表2 管道仿真运行优化方案与实际方案对比

输量/(104m3·d-1)实际运行功率/MW采用动态规划法优化功率/MW优化率/%减少能耗费用/(万元·d-1)2970．342．9942．062．161．792949．741．5540．422．722．172496．327．9326．285．913．172140．222．5719．7812．365．362244．823．5422．185．782．611772．016．4215．555．301．67

4 结束语

(1)为避免能量浪费，管道最后一个压气站压缩机出口压力只需满足管网最不利点最低压力要求即可[3-4]。

(2)管道在较高的平均压力下运行，流速小，摩阻低，压力损失小，因此管道应尽可能维持在较高的平均压力下运行。

(3)管道在低输量下运行，可优化空间较大；管道在输量达到设计输量后，可优化空间较小。

(4)建议在输气管道前期设计阶段就进行输气管道优化运行研究，有利于实现高效输气。

参考文献：

[1] 初飞雪，吴长春.输气管道优化运行的研究现状[J].油气储运,2004,23(11)：3-6.

[2] CARTER R G. Pipeline optimization：Dynamic programming after 30 years[C]. 30th PSIG Annual Meeting, Denver,1998.

[3] 吴长春，杨廷胜.“西气东输”管道工艺运行方案优化[J].天然气工业,2004,24(11)：127-130.

[4] 李玉星，姚光镇. 输气管道设计与管理[M] .东营: 中国石油大学出版社, 2009.

Optimization Application Research of Pipeline Operation via Dynamic Programming Algorithm

LI Xin-ze

(Sinopec Petroleum Engineering Corporation， Dongying 257000, China)

Abstract:The software SynerGEE was used to build Sichuan to East Gas Pipeline Project pipeline module by dynamic programming algorithm and was optimal analyzed. Through comparing actual running scheme of pipeline and dynamic programming algorithm optimal scheme. It is found that the actual running scheme of the pipeline has huge optimization potential and saved electricity energy comsumption about 30 000 yuan per day. The result shows that the solution of optimization of gas pipeline could be solved via dynamic programming algorithm. Basic rules on optimizing operation are proposed, which provide the reference for the operation dispatching of pipeline in the future.