CN113298293A - 一种天然气管网输送路径匹配方法 - Google Patents

一种天然气管网输送路径匹配方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种天然气管网输送路径匹配方法，包括以下步骤：初始化天然气管网的节点和管段，节点包括根节点、场站节点和子节点；按照根节点中天然气资源从小到大的顺序进行迭代计算，指定一个根节点，确定距离该根节点最近的子节点，向子节点分配根节点的天然气直至子节点饱和，对该子节点进行标记；继续寻找未被标记的距离根节点最近的子节点，向其分配根节点的天然气直至子节点饱和并标记，重复操作直至指定根节点的天然气被分配完；指定下一个根节点并重复进行迭代计算，直至所有根节点的天然气被分配完或所以子节点均被标记。本发明具有更加高效合理地规划和匹配天然气的输送路径的效果。

Description

一种天然气管网输送路径匹配方法
技术领域
本发明属于天然气运输的技术领域，特别涉及一种天然气管网输送路径匹配方法。
背景技术
目前，天然气在管段内的输送路径基本是根据人工经验人为设定的，具有较大的局限性和不合理性，主要体现在几个方面，一是通过人工经验或人工计算确定管输路径的方式，效率较低，难以及时准确高效的应对突发状况或市场形势的变化；二是依据人工经验确定的管输路径，不一定是最短路径，会造成输送周期的延长和管输费用的超额支出；三是通过人工经验确定的管输路径，缺乏技术理论的支撑，不一定完全满足实际的物理约束，存在管输路径难以按计划执行的情况；四是当气源点和用户点较多时，气源与用户之间的关系匹配、输送量分配、路径选择等问题将是一个更加复杂的逻辑关系问题，仅通过人工经验或人工计算的方式，是无法有效的解决这些问题的，而且随着问题规模的扩大，其求解难度将成指数型增长。
天然气在管网中输送时，存在多个气源点和多个用户点，天然气配送组合方案更加多样化和复杂化。不同气源的天然气在管网中输送时，将会掺混在一起，无法区分出各气源的天然气在管网中的具体流通路径。有一种按照“均匀掺混”的原则分析各气源天然气在管网中的流通路径的方法，但是其局限性是分析结果的复杂性和不实用性，因为在“均匀掺混”的原则下，单条管段中往往存在多种气源的天然气，甚至部分气源的天然气在管段中占比非常小。这种情况下，即使是资源量很小的气源，也会“雨露均沾”，以较为分散的状态流经较多的管段，并沿着管段输送至较远的地区。但是在实际的天然气管输贸易和业务结算中，各托运商和管输企业更倾向于确定具体的天然气管输路径，并且使路径趋向于单一化、集中化，天然气量较小的资源点尽可能优先满足周边用户的需求，天然气量较大的资源点允许输送至更远的、效益更高的市场。
因此，相关技术中亟需一种方法，能够针对掺混输送天然气的管网，区分出不同气源的天然气，按照一定的规划准则规划合理的输送路径。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种天然气管网输送路径匹配方法，更加高效合理地规划和匹配天然气的输送路径。
一种天然气管网输送路径匹配方法，包括以下步骤：初始化天然气管网的节点和管段，节点包括根节点、场站节点和子节点；按照根节点中天然气资源从小到大的顺序进行迭代计算，指定一个根节点，确定距离该根节点最近的子节点，向子节点分配根节点的天然气直至子节点饱和，对该子节点进行标记；继续寻找未被标记的距离根节点最近的子节点，向其分配根节点的天然气直至子节点饱和并标记，重复操作直至指定根节点的天然气被分配完；指定下一个根节点并重复进行迭代计算，直至所有根节点的天然气被分配完或所以子节点均被标记。
更进一步地，迭代计算时，每个管段的流通量不超过管段的流通能力，即管网中每条管段输送的天然气不能超过该管段的管输能力。
更进一步地，若管段在迭代计算时已经输送了一定的天然气，则需要在下一次迭代时减去相应管输量。
更进一步地，管段的最大流通量等于其所有上游管段中流通能力最小的管段的流通能力。
更进一步地，根节点为气源节点，气源节点包括油气田、储气库或进口管段气的进口点；场站节点包括压气站、分输站、集气站；子节点为用户节点，用户节点包括天然气直供用户或者进气时的储气库。
更进一步地，如果根节点的下游节点为子节点，则该子节点一定为当前未被标记的子节点中距离根节点最近的子节点。
更进一步地，迭代计算前，将所有的根节点存入链表中，按照天然气量从小到大的顺序对链表元素进行排序，则在迭代计算时，每次取出链表的第一个元素，天然气总量小的根节点优先匹配。
更进一步地，迭代计算前采集节点属性信息，节点属性信息包括气量、气源构成及比例。
更进一步地，每一次迭代计算中，子节点获得的天然气量一定沿着首尾相连的管段流通，没有管输路径分叉或者分流。
更进一步地，初始化管网之前采集资源信息、用户信息和管段信息，管段信息包括管段的管输量、上下游节点集合、各管段与场站之间的连接矩阵；资源信息包括资源点、资源量和上气点；用户信息包括需求点、需求量和下气点。
更进一步地，迭代计算包括以下步骤：
创建链表并添加气源点到链表中，判断链表是否为空，若为空计算结束否则进入下一步；
取出链表中的头元素并获取头元素的下游节点集合，判断下游节点集合是否为空，若为空返回到判断链表是否为空的阶段，否则进入下一步；
取出下游节点集合中的头元素并判断下游节点集合中的头元素是否为用户，若被判断不为用户，则计算下游节点集合中的头元素与气源点之间的路径长度，将下游节点集合中的头元素插入到链表中，将链表中的元素按照路径长度从小到大的顺序进行排序，再进入到判断下游节点集合是否为空的步骤；
若下游节点集合中的头元素是用户则计算气源点流向其的天然气量并对气源信息进行标记，迭代所有上游管段且管输量减去气源点输送的天然气量，气源节点的供应量减去已经输送的天然气量，循环本步骤直至气源节点的天然气量为0。
更进一步地，计算气源点输送向下游节点集合中头元素的天然气量时，先初始化气源点输送量的值为气源点的天然气量，再迭代比较气源点流向下游节点集合中头元素的天然气量与所有上游管段的管输量，将较小的值赋值给气源点输送向下游节点集合中头元素的天然气量。
本发明提供的输送路径匹配方法，可以为单气源规划距离最近的天然气用户，并为其规划距离最短的管输路径；另一方面是针对大型天然气供销企业，实现多气源与多用户之间的天然气管网最优路径匹配分析计算，按照资源量的大小，按顺序为其分配距离最近的用户，使得资源量少的气源，得以匹配距离更近的用户，资源量大的气源可以向路径更远的用户进行天然气的输送，每个资源点的资源输送路径得以优化。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是实施例中管网拓扑结构图及气源节点流通路径转化图；
图2是实施例中气源与用户就近匹配分析推导示意图；
图3是实施例中单气源最优输送路径迭代分析算法流程图；
图4是实施例中最优输送路径匹配分析算法流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本申请实施例提供了一种天然气管网输送路径匹配方法，包括有以下步骤，
步骤一，初始化天然气管网的节点和管段。
在初始化天然气管网时需要获取资源信息、用户信息和管段信息，资源信息包括需求点、资源点、资源量和上气点，用户信息包括需求点、需求量和下气点，管段信息包括各管段的管输量以及各管段与站场之间的连接矩阵。在资源和用户都确定之后，天然气管网可以看做加权有向图，管段长度作为边的权重。如图1所示，为天然气管网拓扑结构图及气源节点流通路径转化图。
天然气管网的拓扑图中包括节点和线段，线段表示天然气运输的管段，节点包括气源节点、场站节点和用户节点，气源节点表示实际的油气田、采气时的储气库或进口管段气的进口点，场站节点表示管线上的压气站、分输站、集气站等发生气体交换的站点，用户节点表示天然气直供用户或进气时的储气库，节点属性包括气量、气源构成及比例；线段表示实际的物理管段，用来连接节点，其箭头方向表示实际的天然气流动方向，管段属性包括上游节点集合、下游节点集合、管输量。在进行初始化管网，进行迭代计算前，需要收集节点属性和管段属性信息。在拓扑图中，将气源节点作为根节点，将用户节点作为子节点，根节点中的天然气资源通过管段流向场站节点和子节点。
步骤二、进行迭代计算，指定一个根节点，确定距离该根节点最近的子节点，向子节点分配根节点的天然气直至子节点饱和，对该子节点进行标记。
在进行迭代计算时，每个管段的流通量不能超过其管段的流通能力，也即管网中的每条管段输送的天然气不能超过该管段的管输能力。在拓扑图中对子节点进行输送天然气时，限定天然气沿着首尾相连的管段流通，而不出现分叉或者分流。同时，在进行天然气的分配时，管段的最大流通量等于其所有上游管段中流通能力最小的管段的流通量，而不一定等于该管段的最大流通能力。
在进行天然气的分配时，需将所有的根节点按照天然气量从小到大的顺序进行排序，在进行分配时，先对天然气量小的根节点进行天然气的分配，使得天然气总量小的根节点可以优先进行匹配用户节点，使得天然气量大的根节点可以匹配到更远的用户节点。如果某个根节点的下游节点为子节点，则该子节点一定为当前未被标记的子节点中距离根节点最近的子节点。
步骤三、继续寻找未被标记的子节点中距离上述的根节点最近的子节点，向其分配根节点的天然气直至子节点饱和并标记，重复操作直至指定根节点的天然气被分配完。
当根节点的天然气被分配完毕之后，该根节点的天然气完成了与用户节点之间的匹配。根节点的排序是按照天然气资源量从小到大的顺序进行排序的，资源量较小的根节点优先进行分配，使其匹配到距离其更近的子节点。
步骤四、指定下一个根节点并进行迭代计算，将所有根节点的天然气分配完或者所有子节点均被标记。
按照天然气资源量小的根节点先进行匹配用户的原则，按照资源量从小到大的顺序，最终将所有的根节点都匹配到用户节点，在匹配时，若某个根节点的天然气资源被分配完，但是与其匹配的最后一个用户节点还没有饱和，那么该用户节点进入到饱和需要的天然气由另外的能到达该用户节点的根节点来提供。
下面结合实例来进行根节点和用户节点相匹配的过程，如图1所示，在图1中包括A、B、C三个根节点(也即气源节点)，7个场站节点(用小写字母a-f来表示)以及10个用户节点(子节点)，用户节点用数字1-10来表示，根节点使用实心点，场站节点和用户节点使用空心点。在对根节点A进行用户匹配时，需要指定距离A节点最近的用户节点，实线表示气源节点A能够达到的管段，虚线表示气源节点不能够到达的管段。图1(3)中展示了根节点A的流通路径和下游节点集合，距离A节点最近的用户节点为4，先用根节点A的天然气资源对用户节点4进行填充天然气，直至节点4饱和。
图1(3)，将气源节点A的天然气所能到达的管段和用户构成的拓扑结构图转化为“树”结构，其中根节点A的“能量”总量为39单位。图中的管段具有标识信息，标识信息由里程和管输量构成，如A节点到4节点的管段标识信息为(2、6)，标识该处的管段具有2单位的里程和6单位的管输量，在根节点A与用户节点匹配并对用户节点4进行天然气的填充之后，A节点的天然气量减少了6，变为了33点。
参照图2，为气源与用户就近匹配分析推导示意图，在与用户节点分配完成之后，再寻找除了子节点4之外最近的子节点。通过管段的标识信息，可以得知，除了子节点4之外，距离A节点最近的子节点为节点1，管段Ad和管段d1的标识信息分别为(3、8)和(3、6)，用户节点1距离节点A的距离为6个单位，节点1的能量消耗为6单位，在对节点1进行天然气的填充之后，节点A的天然气总量减少了6，变为了27点。
之后，再寻找除了节点1、4之外距离根节点A最近的用户节点，参照图2，除了已经匹配的节点1与4之外，最近的用户节点为子节点2，虽然从场站节点d流向子节点2的管段的管输量为8单位，但是上移管段Ad仅剩2单位的管输量，因此气源A仅供给2单位的天然气给子节点2。从图1中可以得出，节点2剩余的6个但我的需求量由气源B负责供给。这是考虑到在进行分析匹配时的先后顺序，有限进行距离更近的子节点的匹配，再进行较远节点的分析匹配，因此在进行单个子节点的匹配时(也即每一次迭代计算时)，不考虑管输路径的分叉和分流。在子节点2匹配完成之后，根节点的天然气资源减少了2，从27点变为25点资源。
在节点1、2、4都匹配完成之后，再重复上述步骤，寻找最近的节点，接下来的节点中，节点3和节点9的到节点A的管输距离是一样的，在算法中先寻找到那个节点就先对该节点进行匹配，不影响“资源少的根节点优先匹配距离近的用户节点”的目的。重复上述的步骤，最终将根节点A的所有天然气分配完。在根节点A的天然气被分配完毕之后，再对使用上述的方法对其他的根节点进行天然气资源的分配。实现了天然气资源少的气源节点优先匹配距离较近的用户节点。
参照图3所示，为单气源最优输送路径迭代分析计算方法的流程图。
在获得气源的属性信息之后，创建链表linklist并添加气源点s-node，判断链表linklist是否为空。
若链表不为空，则进入到下一步，取出链表linklist的头元素node，获取node的下游节点集合set，之后判断set集合是否为空，若为空则返回到判断链表linlist是否为空的步骤，set集合不为空的话进入到下一步，取出set集合中头元素d-node，判断d-node是否为用户，若不是用户，需要计算d-node和气源点s-node之间的路径长度，再将d-node插入链表linklist，链表linklist元素按照路径长度由小到大排序，进入到判断set集合是否为空的步骤。
若是d-node为用户，则开始计算从s-node流向d-node的天然气量volume-add，之后用户的需求量增加volume-add，并对气源信息进行标记。迭代n-node的所有上游管段，其管输量减去已输送的天然气volume-add，之后气源节点s-node供应量减去已分配的天然气量volume-add。再判断s-node的量是否为0，若为0则计算结束，若不为0，回到判断set集合是否为空的状态。
循环上述的步骤，直到链表中的头元素被全部提取出来，set集合为空，链表linklist为空，运算结束。
计算能从s-node流向d-node的天然气量，计算步骤为，
先初始化volume-add的值为s-node的量；
在迭代比较volume-add与s-node的所有上游管段的管输量，将小的值赋值给volume-add。
采用上述的迭代算法，输入气源点s-node，依次进行气源节点的天然气分配，将其匹配到最近的用户节点，直至该气源点的天然气分配完毕。其中，在迭代计算的过程中，如果某一条管段在一次迭代计算时，已经输送了一定的天然气，则需要在下一次迭代的过程中减去相应的管输量，保证计算终止时，每一条管段的管输量恰好为0。
参照图4，为最优输送路径匹配分析算法的流程图，其主要的步骤如下：
先输入数据，包括管输量、管输方向、气源供应量、市场需求量、管网连接矩阵，创建链表linklist，再进行linklist填充及排序，将气源点存入到链表，并按照供气量由小到大的顺序对气源点进行排序。
再判断链表linklist是否为空，若链表不为空，则取出linklist的头元素s-node，调用上述的最优路径分析算法，输入s-node，将得到s-node资源的市场店和管输路径，循环上述的操作，直到链表中的头元素s-node被全部提取完毕，使得链表为空，最终链表中所有的资源全部匹配完成。
采用上述的路径匹配方法，一方面是针对小用户单气源的管输路径规划，可以为单气源规划距离最近的天然气用户，并为其规划距离最短的管输路径；另一方面是针对大型天然气供销企业，实现多气源与多用户之间的天然气管网最优路径匹配分析计算，按照资源量的大小，按顺序为其分配距离最近的用户，使得资源量少的气源，得以匹配距离更近的用户，资源量大的气源可以向路径更远的用户进行天然气的输送，每个资源点的资源输送路径得以优化。
此外，通过上述的计算方法，能够高效准确的分析计算天然气管网中各气源的匹配用户和输送路径，极大的降低了计算的人工成本，提高了工作效率，增强了应对突发状况的应变能力。通过该项创新成果，能够确定管输天然气的最短输送路径，能够缩短管输周期，降低管输成本，实现天然气输配过程的智能化、精准化管理。求解效率更加高效，求解结果更加合理，能够完全满足实际的物理约束，并有效的实现业务目标，减少了返工的成本。
采用本方法进行天然气资源的匹配输送，能够使每个气源的用户更加集中，便于天然气供应企业与销售企业之间进行天然气销售贸易管理和结算，还可以使每个气源的输送路径更加集中，尽可能通过较少的管段完成天然气输送，方便托运商与管输企业之间的进行托运业务结算。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (12)

1.一种天然气管网输送路径匹配方法，其特征在于，包括以下步骤：
初始化天然气管网的节点和管段，节点包括根节点、场站节点和子节点；
按照根节点中天然气资源从小到大的顺序进行迭代计算，指定一个根节点，确定距离该根节点最近的子节点，向子节点分配根节点的天然气直至子节点饱和，对该子节点进行标记；
继续寻找未被标记的距离根节点最近的子节点，向其分配根节点的天然气直至子节点饱和并标记，重复操作直至指定根节点的天然气被分配完；
指定下一个根节点并重复进行迭代计算，直至所有根节点的天然气被分配完或所有子节点均被标记。
2.根据权利要求1所述的一种天然气管网输送路径匹配方法，其特征在于，迭代计算时，每个管段的流通量不超过管段的流通能力，即管网中每条管段输送的天然气不能超过该管段的管输能力。
3.根据权利要求1所述的一种天然气管网输送路径匹配方法，其特征在于，若管段在迭代计算时已经输送了一定的天然气，则需要在下一次迭代时减去相应管输量。
4.根据权利要求1所述的一种天然气管网输送路径匹配方法，其特征在于，管段的最大流通量等于其所有上游管段中流通能力最小的管段的流通能力。
5.根据权利要求1所述的一种天然气管网输送路径匹配方法，其特征在于，根节点为气源节点，气源节点包括油气田、储气库或进口管段气的进口点；场站节点包括压气站、分输站、集气站；子节点为用户节点，用户节点包括天然气直供用户或者进气时的储气库。
6.根据权利要求5所述的一种天然气管网输送路径匹配方法，其特征在于，如果根节点的下游节点为子节点，则该子节点为当前未被标记的子节点中距离根节点最近的子节点。
7.根据权利要求1所述的一种天然气管网输送路径匹配方法，其特征在于，迭代计算前，将所有的根节点存入链表中，按照天然气量从小到大的顺序对链表元素进行排序，则在迭代计算时，每次取出链表的第一个元素，天然气总量小的根节点优先匹配。
8.根据权利要求1所述的一种天然气管网输送路径匹配方法，其特征在于，迭代计算前采集节点属性信息，节点属性信息包括气量、气源构成及比例。
9.根据权利要求1所述的一种天然气管网输送路径匹配方法，其特征在于，每一次迭代计算中，子节点获得的天然气量沿着首尾相连的管段流通，没有管输路径分叉或者分流。
10.根据权利要求1所述的一种天然气管网输送路径匹配方法，其特征在于，初始化管网之前采集资源信息、用户信息和管段信息，管段信息包括管段的管输量、上下游节点集合、各管段与场站之间的连接矩阵；资源信息包括资源点、资源量和上气点；用户信息包括需求点、需求量和下气点。
11.根据权利要求1所述的一种天然气管网输送路径匹配方法，其特征在于，迭代计算包括以下步骤：
创建链表并添加气源点到链表中，判断链表是否为空，若为空计算结束否则进入下一步；
取出链表中的头元素并获取头元素的下游节点集合，判断下游节点集合是否为空，若为空返回到判断链表是否为空的阶段，否则进入下一步；
取出下游节点集合中的头元素并判断下游节点集合中的头元素是否为用户，若被判断不为用户，则计算下游节点集合中的头元素与气源点之间的路径长度，将下游节点集合中的头元素插入到链表中，将链表中的元素按照路径长度从小到大的顺序进行排序，再进入到判断下游节点集合是否为空的步骤；
若下游节点集合中的头元素是用户，则计算气源点流向该用户的天然气量并对气源信息进行标记，迭代所有上游管段且管输量减去气源点输送的天然气量，气源节点的供应量减去已经输送的天然气量，循环本步骤直至气源节点的天然气量为0。
12.根据权利要求11所述的一种天然气管网输送路径匹配方法，其特征在于，计算气源点输送向下游节点集合中头元素的天然气量时，先初始化气源点输送量的值为气源点的天然气量，再迭代比较气源点流向下游节点集合中头元素的天然气量与所有上游管段的管输量，将较小的值赋值给气源点输送向下游节点集合中头元素的天然气量。
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