CN115600436A - 一种天然气管道运行方案自动响应方法 - Google Patents

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CN115600436A CN202211413568.7A CN202211413568A CN115600436A CN 115600436 A CN115600436 A CN 115600436A CN 202211413568 A CN202211413568 A CN 202211413568A CN 115600436 A CN115600436 A CN 115600436A
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gas
compressor
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彭思洲
梁光川
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Abstract

本发明提供了一种天然气管道运行方案自动响应方法，包括以下步骤：1)基于管网仿真模型，对运行方案进行模拟计算，将可行的运行方案导入运行方案数据库中，实现运行方案的数字化管理，包括运行方案的新增、修改和删除；2)通过运行方案数据库实现满足管道安全运行及上下游生产需求的运行方案的自动响应，自动响应包括正常工况和应急工况自动响应。3)采用“层次分析法+模糊隶属函数法”综合评价方法对运行方案进行综合评价；4)针对数据库自动响应无法保证最优性的短板，可调用优化算法自动响应模块，通过管网运行优化模型求解最优运行方案。本发明可以广泛应用于天然气管网领域，提高现场调度人员决策效率，保证管网系统安全高效运行。

Description

一种天然气管道运行方案自动响应方法
技术领域
本发明涉及天然气管网运行技术领域，尤其涉及一种基于管网仿真与管网运行优化的运行方案自动响应方法。
背景技术
随着技术的更新发展，天然气长距离输送管道由单气源、单管不加压的输送方式向多气源、多管、多个加压站的输送方式进行演变。多气源气量分配、压缩机开机方案选择、各压气站压比选择、异常工况处理等，导致管道运行方案趋于复杂。目前，我国天然气管道运行方案多依靠传统方式进行数据管理，操作繁琐易出错且数据价值密度低，缺乏大规模运行方案统一管理的科学方法。在管道实际运行中，大多数运行方案由技术人员依据经验定性分析和制定。当考虑多个不同压缩机开机方案、不同压比、不同功率的运行方案时，难以凭经验做出准确判断。随着管道系统逐步扩大，亟需高效的数据管理技术与优化工具辅助制订运行方案，降低管道输送成本，提高经济效益。
在天然气管道运输过程中，必定会有能量消耗，分为直接消耗和间接消耗。其中，直接能耗是指压气站增压的能量消耗以及管道阻力损失能耗等；间接能耗是指输送过程中气体泄露等产生的损耗。能量消耗多少主要取决于管道运行方案，降低管道运行费用的主要途径就是合理选择管道运行方案。通过对气源供应量以及沿线压缩机开机方案的科学规划，可以使输气管道在平稳、安全运行的前提下，完成将规定量天然气输送至下游各用户的任务，保障用户用气的同时降低能耗。
在选择天然气管道运行方案时，主要考虑如何尽可能低的能耗输送同等气量，保证用户安全、连续、稳定用气，提高经济效益。运行方案的响应方法主要有最优化方法、模拟软件仿真计算和专家经验等。最优化方法可以保证运行方案最优性，但由于数学模型的复杂性和求解规模较大，不一定能得到可行解或最优解，且求解时间较长。模拟软件仿真计算和专家经验能得到可行解，但运行方案的最优性无法保证。因此，需结合两种方法，建立天然气管道运行方案自动响应方法体系，在能满足管道输气要求的基础上保证运行方案最优性。
发明内容
本发明主要是克服现有技术中的不足之处，本发明的目的是提供一种基于管网仿真与管网运行优化的天然气管道运行方案自动响应方法。
为实现上述技术目的，本发明采取以下技术方案：
一种天然气管道运行方案自动响应方法，其特征在于，所述自动响应方法包括以下步骤：
S1：根据数据库设计原则与需求分析，建立了天然气管网运行方案数据库，其中开机方案信息表包括各气源来气量、管道互联互通情况、管道输气能力、压缩机总功率、管道管存共22个运行参数；运行参数信息表包括站场开机台数、进站流量、入口压力、出口压力、压比、转速、计算功率等详细参数。
S2：基于管网仿真模型，对运行方案进行模拟，将可行的运行方案导入设计好的运行数据库中，实现运行方案的数字化管理，包括运行方案的新增、修改和删除；
S3：通过运行方案数据库实现管道安全稳定运行、能耗较低的较优运行方案的自动响应，自动响应包括正常工况和应急工况下的自动响应。正常工况指管道在常规气源供气条件下，能满足下游用户用气需求，无需储气库应急气源或互联互通管道进行气量协调；应急工况是指因管道上游气源、管道沿线压气站、管道本身或下游用户出现异常导致供销气严重失衡。本发明仅讨论因管道上游气源供气过多或供气不足导致的应急供气事件，分别为气源供气量不足和气源供气量超过用户用气量的情景；
S4：采用“层次分析法+模糊隶属函数法”综合评价体系对运行方案进行综合评价，并对评价结果进行排序，便于使用者在较短时间内得到满足工况要求且较优的运行方案；
S5：针对数据库自动响应无法保证最优性的短板，可使用基于优化算法的自动响应模块。基于优化算法的自动响应模块能实现管道在气源供气量确定和供气量不确定条件下的优化求解，完成天然气管道全时段运行优化。该模块主要通过调用管网运行优化模型求解天然气管网最优运行方案，运行方案包括沿线最优压缩机开机方案以及气源最优供气量。
进一步地，所述步骤S2具体步骤为：
采用管网仿真模拟软件，以管道水力计算和热力计算为基础，以管道基础物理参数和运行控制条件为边界，结合管网中压缩机等设备运行特性，建立管网稳态仿真模型；
基于管网稳态仿真模型，开展运行方案输气能力分析，通过不同运行方案的模拟计算，分析不同压缩机开机方案对管道输气能力、管存、干线压缩机总功率的影响，将满足输气能力需求的运行方案导入运行方案数据库中；
运行方案数据库管理主要实现运行方案在数据库中的新增、修改及删除功能。具体实现方法为：以数据库作为支撑，创建执行语句，最后处理执行管理操作。
进一步地，所述步骤S3具体步骤为：
基于运行方案数据库中大量运行方案，采用数据库模糊查询技术，正常工况下可采用4种查询模式，分别为流量查询模式、压气站查询模式、流量+压气站查询模式及压缩机开机方案查询模式，应急工况下可采用2种查询模式，分别为欠量查询模式和超量查询模式；
根据现场实际工况，选择合适的查询方法，完成不同工况下管道运行方案自动响应。
进一步地，所述步骤S4具体步骤为：
查询出满足条件的运行方案后，结合“层次分析法+模糊隶属函数法”综合评价方法，评价步骤为：①构造管道运行方案数据库层次分析结构，其中，目标层为管道运行方案评价得分，准则层为运行安全性与经济性，指标层为管道管存、压力波动范围、气源点个数、管道输气能力、增压消耗功率；②构造判断矩阵对准则层和指标层进行一致性检验；③指标权重计算；④管道运行方案评价指标无量纲化处理⑤管道运行方案综合评价计算。
将运行方案中开机方案信息和运行参数信息的评价得分录入数据库中，便于现场人员快速筛选出安全性较高的运行方案。
进一步地，所述步骤S5具体步骤为：
调用基于优化算法的自动响应模块，根据现场实际情况，选择使用气源供气量已知或未知模型；
供气量已知条件下，结合供气量、节点分输量、压缩性能参数等已知参数，基于优化模型，以运行能耗最低为优化目标，求解出管道最优运行方案，运行方案包括压气站的投运方式、压缩机的开机台数、进出口压力、压缩机转速及单机功率。
供气量未知条件下，气源供气量由已知量变为优化变量，结合节点分输量、压缩性能参数等已知参数，优化模型中目标函数、约束条件与气源供气量已知条件相同，求解出管道最优运行方案，运行方案包括气源供气量、压气站的投运方式、压缩机的开机台数、进出口压力、压缩机转速及单机功率。
所述步骤S5中的气源供气量已知条件下管道运行优化模型对目标函数表达式为：
Figure BDA0003939695310000051
式中，f为压气站增压能耗费用，元；
Figure BDA0003939695310000052
为管道沿线压气站总座数，座；Sl为压气站投运变量，Sl＝0时，表示第l座压气站不投运，Sl＝1时，表示第l座压气站正常投运；δk,l为第k座压气站中第l台压缩机开机数；El为压缩机用能价格，元/h；Wl,k为第k座压气站第l台压缩机的单机功率，kW；tl为第l座压气站的压缩机工作时间，h。
所述气体流量约束为：
Figure BDA0003939695310000053
Figure BDA0003939695310000054
式中，
Figure BDA0003939695310000055
为流入节点i的流量，104m3/d；
Figure BDA0003939695310000056
为节点i流出量，104m3/d；Qj为与节点i相连的管段j流入节点的流量，104m3/d；βij为方向变量，-1表示流出节点，1表示流入节点；
Figure BDA0003939695310000057
为需求节点d的需求流量最小值，104m3/d；Qd为需求节点d的需求流量，104m3/d。
所述管道压气站约束为：
Figure BDA0003939695310000058
Figure BDA0003939695310000059
Figure BDA00039396953100000510
式中，Pj为第j条管段压力，MPa；为管段允许最大操作压力，MPa；Pdn为需求节点压力，MPa；
Figure BDA00039396953100000511
为需求节点最低交付压力，MPa；Ncs为沿线压气站投运数；
Figure BDA0003939695310000061
为沿线压气站总数。
所述压缩机约束为：
Figure BDA0003939695310000062
Figure BDA0003939695310000063
Figure BDA0003939695310000064
Figure BDA0003939695310000065
Figure BDA0003939695310000066
Figure BDA0003939695310000067
Figure BDA0003939695310000068
Figure BDA0003939695310000069
式中，
Figure BDA00039396953100000610
为第l座压气站中压缩机总台数；rl为第l座压气站中第k台压缩机转速，rpm；
Figure BDA00039396953100000611
为第l座压气站中第k台压缩机允许的最小转速，rpm；
Figure BDA00039396953100000612
为第l座压气站中第k台压缩机允许的最大转速，rpm；Ql,k为第l座压气站中第k台压缩机流量，m3/d；
Figure BDA00039396953100000613
为第l座压气站中第k台压缩机喘振流量，m3/d；
Figure BDA00039396953100000614
为第l座压气站中第k台压缩机滞止流量，m3/d；εl,k为第l座压气站中第k台压缩机压比；
Figure BDA00039396953100000615
为第l座压气站中第k台压缩机允许的最小压比；
Figure BDA00039396953100000616
为第l座压气站中第k台压缩机的最大压比；
Figure BDA00039396953100000617
为第l座压气站中第k台压缩机出口压力，MPa；
Figure BDA00039396953100000618
为第l座压气站中第k台压缩机允许的最大出口压力，MPa；Wl,k为第l座压气站中第k台压缩机功率，kW；
Figure BDA00039396953100000619
为第l座压气站中第k台压缩机允许的最小功率，kW；
Figure BDA00039396953100000620
为第l座压气站中第k台压缩机允许的最大功率，kW。
所述步骤S5中的气源供气量未知条件下管道运行优化模型对目标函数表达式为：
Figure BDA0003939695310000071
式中，f为压气站增压能耗费用，元；
Figure BDA0003939695310000072
为管道沿线压气站总座数，座；Sl为压气站投运变量，Sl＝0时，表示第l座压气站不投运，Sl＝1时，表示第l座压气站正常投运；δk,l为第k座压气站中第l台压缩机开机数；El为压缩机用能价格，元/h；Wl,k为第k座压气站第l台压缩机的单机功率，kW；tl为第l座压气站的压缩机工作时间，h。
所述气源供气量约束为：
Figure BDA0003939695310000073
式中，Qs为气源s的供应流量，104m3/d；
Figure BDA0003939695310000074
为气源s的最小供应流量，104m3/d；
Figure BDA0003939695310000075
为气源s的最大供应流量，104m3/d。
所述气体流量约束为：
Figure BDA0003939695310000076
Figure BDA0003939695310000077
式中，
Figure BDA0003939695310000078
为流入节点i的流量，104m3/d；
Figure BDA0003939695310000079
为节点i流出量，104m3/d；为与节点相连的管段j流入节点的流量，104m3/d；βij为方向变量，-1表示流出节点，1表示流入节点；
Figure BDA00039396953100000710
为节点需求最小值，104m3/d；Qdn为节点需求量，104m3/d；。
所述管道压气站约束为：
Figure BDA00039396953100000711
Figure BDA00039396953100000712
Figure BDA00039396953100000713
式中，Pj为第j条管段压力，MPa；为管段允许最大操作压力，MPa；Pdn为需求节点压力，MPa；
Figure BDA00039396953100000714
为需求节点最低交付压力，MPa；Ncs为沿线压气站投运数；
Figure BDA00039396953100000715
为沿线压气站总数。
所述压缩机约束为：
Figure BDA0003939695310000081
Figure BDA0003939695310000082
Figure BDA0003939695310000083
Figure BDA0003939695310000084
Figure BDA0003939695310000085
Figure BDA0003939695310000086
Figure BDA0003939695310000087
Figure BDA0003939695310000088
式中，
Figure BDA0003939695310000089
为第l座压气站中压缩机总台数；rl为第l座压气站中第k台压缩机转速，rpm；
Figure BDA00039396953100000810
为第l座压气站中第k台压缩机允许的最小转速，rpm；
Figure BDA00039396953100000811
为第l座压气站中第k台压缩机允许的最大转速，rpm；Ql,k为第l座压气站中第k台压缩机流量，m3/d；
Figure BDA00039396953100000812
为第l座压气站中第k台压缩机喘振流量，m3/d；
Figure BDA00039396953100000813
为第l座压气站中第k台压缩机滞止流量，m3/d；εl,k为第l座压气站中第k台压缩机压比；
Figure BDA00039396953100000814
为第l座压气站中第k台压缩机允许的最小压比；
Figure BDA00039396953100000815
为第l座压气站中第k台压缩机的最大压比；
Figure BDA00039396953100000816
为第l座压气站中第k台压缩机出口压力，MPa；
Figure BDA00039396953100000817
为第l座压气站中第k台压缩机允许的最大出口压力，MPa；Wl,k为第l座压气站中第k台压缩机功率，kW；
Figure BDA00039396953100000818
为第l座压气站中第k台压缩机允许的最小功率，kW；
Figure BDA00039396953100000819
为第l座压气站中第k台压缩机允许的最大功率，kW。
有益效果：
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
以管网仿真理论、管网运行优化理论和综合评价理论为基础，结合管网仿真技术、管网运行优化技术和数据库技术的优点，提出天然气管网运行方案自动响应方法。首先，根据需求分析及建库原则，进行运行方案数据库结构设计。基于管道仿真模型，对不同压缩机开机方式下的运行方案进行输气能力分析，为运行方案数据库提供数据支撑。为实现运行方案数据库中方案比选，采用“层次分析法+模糊隶属函数法”建立综合评价法，考虑技术可行性和经济性，对运行方案进行综合评价。基于数据库模糊查询技术，提出管道在正常工况及应急工况下的运行方案查询方法，结合运行方案综合评价理论，形成基于运行方案数据库的自动响应方法。通过对运行方案数据库及优化算法的特性分析，阐述优化模型的必要性及两种自动响应方法的相互关系。以管道压缩机能耗最低为目标函数，考虑节点流量平衡等约束，建立不同气源条件下的管道运行方案优化模型，实现气源供气量已知条件和气源供气量未知条件下的管网运行方案优化求解。
该方法不仅可以实现管网运行方案的快速匹配，提高现场人员决策效率；还可以通过优化算法和综合评价方法保证天然气管道运行方案的经济性。本发明除用于天然气管网运行方案自动响应，还可以为供水管网、成品油集输管网等提供理论参考，具有广泛的应用价值。
附图说明
图1是本发明提供的天然气管道运行方案自动响应方法体系流程示意图；
图2是本发明提供的基于运行方案数据库管道运行方案自动响应流程示意图；
图3是本发明提供的基于优化算法数据库管道运行方案自动响应流程示意图；
图4是本发明实施例提供的流量查询结果图；
图5是本发明实施例提供的天然气管道运行方案综合评价结果图；
图6是本发明实例提供的基于优化算法的天然气管道运行方案自动响应模块示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例：
一种天然气管道运行方案自动响应方法，其特征在于，所述自动响应方法包括以下步骤：
S1：根据数据库设计原则与需求分析，建立了天然气管网运行方案数据库，其中开机方案信息表包括各气源来气量、管道互联互通情况、管道输气能力、压缩机总功率、管道管存共22个运行参数；运行参数信息表包括站场开机台数、进站流量、入口压力、出口压力、压比、转速、计算功率等详细参数。
S2：基于管网仿真模型，对运行方案进行模拟，将可行的运行方案导入设计好的运行数据库中，实现运行方案的数字化管理，包括运行方案的新增、修改和删除；
S3：通过运行方案数据库实现管道安全稳定运行、能耗较低的较优运行方案的自动响应，自动响应包括正常工况和应急工况下的自动响应。正常工况指管道在常规气源供气条件下，能满足下游用户用气需求，无需储气库应急气源或互联互通管道进行气量协调；应急工况是指因管道上游气源、管道沿线压气站、管道本身或下游用户出现异常导致供销气严重失衡。本发明仅讨论因管道上游气源供气过多或供气不足导致的应急供气事件，分别为气源供气量不足和气源供气量超过用户用气量的情景；
S4：采用“层次分析法+模糊隶属函数法”综合评价体系对运行方案进行综合评价，并对评价结果进行排序，便于使用者在较短时间内得到满足工况要求且较优的运行方案；
S5：针对数据库自动响应无法保证最优性的短板，可使用基于优化算法的自动响应模块。基于优化算法的自动响应模块能实现管道在气源供气量确定和供气量不确定条件下的优化求解，完成天然气管道全时段运行优化。该模块主要通过调用管网运行优化模型求解天然气管网最优运行方案，运行方案包括沿线最优压缩机开机方案以及气源最优供气量。
进一步地，所述步骤S2具体步骤为：
采用管网仿真模拟软件，以管道水力计算和热力计算为基础，以管道基础物理参数和运行控制条件为边界，结合管网中压缩机等设备运行特性，建立管网稳态仿真模型；
基于管网稳态仿真模型，开展运行方案输气能力分析，通过不同运行方案的模拟计算，分析不同压缩机开机方案对管道输气能力、管存、干线压缩机总功率的影响，将满足输气能力需求的运行方案导入运行方案数据库中；
运行方案数据库管理主要实现运行方案在数据库中的新增、修改及删除功能。具体实现方法为：以数据库作为支撑，创建执行语句，最后处理执行管理操作。
进一步地，所述步骤S3具体步骤为：
基于运行方案数据库中大量运行方案，采用数据库模糊查询技术，正常工况下可采用4种查询模式，分别为流量查询模式、压气站查询模式、流量+压气站查询模式及压缩机开机方案查询模式，应急工况下可采用2种查询模式，分别为欠量查询模式和超量查询模式；
根据现场实际工况，选择合适的查询方法，完成不同工况下管道运行方案自动响应。
进一步地，所述步骤S4具体步骤为：
查询出满足条件的运行方案后，结合“层次分析法+模糊隶属函数法”综合评价方法，评价步骤为：①构造管道运行方案数据库层次分析结构，其中，目标层为管道运行方案评价得分，准则层为运行安全性与经济性，指标层为管道管存、压力波动范围、气源点个数、管道输气能力、增压消耗功率；②构造判断矩阵对准则层和指标层进行一致性检验；③指标权重计算；④管道运行方案评价指标无量纲化处理⑤管道运行方案综合评价计算。
将运行方案中开机方案信息和运行参数信息的评价得分录入数据库中，便于现场人员快速筛选出安全性较高的运行方案。
进一步地，所述步骤S5具体步骤为：
调用基于优化算法的自动响应模块，根据现场实际情况，选择使用气源供气量已知或未知模型；
供气量已知条件下，结合供气量、节点分输量、压缩性能参数等已知参数，基于优化模型，以运行能耗最低为优化目标，求解出管道最优运行方案，运行方案包括压气站的投运方式、压缩机的开机台数、进出口压力、压缩机转速及单机功率。
供气量未知条件下，气源供气量由已知量变为优化变量，结合节点分输量、压缩性能参数等已知参数，优化模型中目标函数、约束条件与气源供气量已知条件相同，求解出管道最优运行方案，运行方案包括气源供气量、压气站的投运方式、压缩机的开机台数、进出口压力、压缩机转速及单机功率。
所述步骤S5中的气源供气量已知条件下管道运行优化模型对目标函数表达式为：
Figure BDA0003939695310000121
式中，f为压气站增压能耗费用，元；
Figure BDA0003939695310000131
为管道沿线压气站总座数，座；Sl为压气站投运变量，Sl＝0时，表示第l座压气站不投运，Sl＝1时，表示第l座压气站正常投运；δk,l为第k座压气站中第l台压缩机开机数；El为压缩机用能价格，元/h；Wl,k为第k座压气站第l台压缩机的单机功率，kW；tl为第l座压气站的压缩机工作时间，h。
所述气体流量约束为：
Figure BDA0003939695310000132
Figure BDA0003939695310000133
式中，
Figure BDA0003939695310000134
为流入节点i的流量，104m3/d；
Figure BDA0003939695310000135
为节点i流出量，104m3/d；为与节点i相连的管段j流入节点的流量，104m3/d；βij为方向变量，-1表示流出节点，1表示流入节点；
Figure BDA0003939695310000136
为需求节点d的需求流量最小值，104m3/d；Qd为需求节点d的需求流量，104m3/d；。
所述管道压气站约束为：
Figure BDA0003939695310000137
Figure BDA0003939695310000138
Figure BDA0003939695310000139
式中，Pj为第j条管段压力，MPa；为管段允许最大操作压力，MPa；Pdn为需求节点压力，MPa；
Figure BDA00039396953100001310
为需求节点最低交付压力，MPa；Ncs为沿线压气站投运数；
Figure BDA00039396953100001311
为沿线压气站总数。
所述压缩机约束为：
Figure BDA00039396953100001312
Figure BDA00039396953100001313
Figure BDA00039396953100001314
Figure BDA0003939695310000141
Figure BDA0003939695310000142
Figure BDA0003939695310000143
Figure BDA0003939695310000144
Figure BDA0003939695310000145
式中，
Figure BDA0003939695310000146
为第l座压气站中压缩机总台数；rl为第l座压气站中第k台压缩机转速，rpm；
Figure BDA0003939695310000147
为第l座压气站中第k台压缩机允许的最小转速，rpm；
Figure BDA0003939695310000148
为第l座压气站中第k台压缩机允许的最大转速，rpm；Ql,k为第l座压气站中第k台压缩机流量，m3/h；
Figure BDA0003939695310000149
为第l座压气站中第k台压缩机喘振流量，m3/h；
Figure BDA00039396953100001410
为第l座压气站中第k台压缩机滞止流量，m3/h；εl,k为第l座压气站中第k台压缩机压比；
Figure BDA00039396953100001411
为第l座压气站中第k台压缩机允许的最小压比；
Figure BDA00039396953100001412
为第l座压气站中第k台压缩机的最大压比；
Figure BDA00039396953100001413
为第l座压气站中第k台压缩机出口压力，MPa；
Figure BDA00039396953100001414
为第l座压气站中第k台压缩机允许的最大出口压力，MPa；Wl,k为第l座压气站中第k台压缩机功率，kW；
Figure BDA00039396953100001415
为第l座压气站中第k台压缩机允许的最小功率，kW；
Figure BDA00039396953100001416
为第l座压气站中第k台压缩机允许的最大功率，kW。
所述步骤S5中的气源供气量未知条件下管道运行优化模型对目标函数表达式为：
Figure BDA00039396953100001417
式中，f为压气站增压能耗费用，元；
Figure BDA00039396953100001418
为管道沿线压气站总座数，座；Sl为压气站投运变量，Sl＝0时，表示第l座压气站不投运，Sl＝1时，表示第l座压气站正常投运；δk,l为第k座压气站中第l台压缩机开机数；El为压缩机用能价格，元/h；Wl,k为第k座压气站第l台压缩机的单机功率，kW；tl为第l座压气站的压缩机工作时间，h。
所述气源供气量约束为：
Figure BDA0003939695310000151
式中，Qs为气源s的供应流量，104m3/d；
Figure BDA0003939695310000152
为气源s的最小供应流量，104m3/d；
Figure BDA0003939695310000153
为气源s的最大供应流量，104m3/d。
所述气体流量约束为：
Figure BDA0003939695310000154
Figure BDA0003939695310000155
式中，
Figure BDA0003939695310000156
为流入节点i的流量，104m3/d；
Figure BDA0003939695310000157
为节点i流出量，104m3/d；为与节点相连的管段j流入节点的流量，104m3/d；βij为方向变量，-1表示流出节点，1表示流入节点；
Figure BDA0003939695310000158
为节点需求最小值，104m3/d；Qdn为节点需求量，104m3/d；。
所述管道压气站约束为：
Figure BDA0003939695310000159
Figure BDA00039396953100001510
Figure BDA00039396953100001511
式中，Pj为第j条管段压力，MPa；为管段允许最大操作压力，MPa；Pdn为需求节点压力，MPa；
Figure BDA00039396953100001512
为需求节点最低交付压力，MPa；Ncs为沿线压气站投运数；
Figure BDA00039396953100001513
为沿线压气站总数。
所述压缩机约束为：
Figure BDA00039396953100001514
Figure BDA00039396953100001515
Figure BDA00039396953100001516
Figure BDA00039396953100001517
Figure BDA0003939695310000161
Figure BDA0003939695310000162
Figure BDA0003939695310000163
Figure BDA0003939695310000164
式中，
Figure BDA0003939695310000165
为第l座压气站中压缩机总台数；rl为第l座压气站中第k台压缩机转速，rpm；
Figure BDA0003939695310000166
为第l座压气站中第k台压缩机允许的最小转速，rpm；
Figure BDA0003939695310000167
为第l座压气站中第k台压缩机允许的最大转速，rpm；Ql,k为第l座压气站中第k台压缩机流量，m3/h；
Figure BDA0003939695310000168
为第l座压气站中第k台压缩机喘振流量，m3/h；
Figure BDA0003939695310000169
为第l座压气站中第k台压缩机滞止流量，m3/h；εl,k为第l座压气站中第k台压缩机压比；
Figure BDA00039396953100001610
为第l座压气站中第k台压缩机允许的最小压比；
Figure BDA00039396953100001611
为第l座压气站中第k台压缩机的最大压比；
Figure BDA00039396953100001612
为第l座压气站中第k台压缩机出口压力，MPa；
Figure BDA00039396953100001613
为第l座压气站中第k台压缩机允许的最大出口压力，MPa；Wl,k为第l座压气站中第k台压缩机功率，kW；
Figure BDA00039396953100001614
为第l座压气站中第k台压缩机允许的最小功率，kW；
Figure BDA00039396953100001615
为第l座压气站中第k台压缩机允许的最大功率，kW。
实施例1：
假设某天然气管网需要往压气站C以东输气量范围为3500～4000m3/d，根据现场需求在运行方案数据库中响应出对应输量的运行方案，并按照综合评价得分进行排序。
(1)模糊查询语句
具体查询语句为：SELECT*FROM`kjfa`
WHERE GDSQNL_A BETWEEN 3500AND 4000
ORDER BY GXYSJZGL
(2)流量查询结果
在运行方案数据库中，根据上述模糊查询语句，查询结果如图4所示，共有257组运行方案。其中，往压气站C以东输气量均在3500～4000×104m3/d范围内。
(3)运行方案进行综合评价
采用“层次分析法+模糊隶属函数法”综合评价体系对所选择的运行方案进行综合评价，并根据方案得分进行排序，如图5所示。除方案综合评价值外，还展示了各指标详细得分，包括管道最大输气量、压缩机功率、压力波动范围、管道管存值等。如ID为269的运行方案，其输气能力较大，为4733.8×104m3/d，但由于其压缩机功率较高及压力波动范围较大，故得分相对其余方案较低。
可见，基于数据库模糊查询技术和综合评价方法，提出的基于运行方案数据库的自动响应方法，能较好地应用于现场实际。根据实际需求，在运行方案数据库中自动响应出满足下游用户用气条件、安全稳定运行、经济效益较好的运行方案，为现场决策制定提供指导意见。
实施例2：
以某日管道实际数据，气源1供气量为244.96×104m3/d，气源2供气量为1575.1661×104m3/d，管道沿线各分输点分输量如表1所示。该天然气管网压缩机开机方案为CSA-1+CSB-1+CSC-2+CSD-2+CSE-2+CSF-1+CSG-3，运行能耗费用约为94.48万元。
表1分输点分输量表
Figure BDA0003939695310000171
Figure BDA0003939695310000181
将各气源供气量、管线沿线分输点数量导入基于优化算法的管道运行方案自动响应模块，并调用内置的求解器对优化模型进行求解，如图6所示。
经过求解后，该日管道该天然气管网压缩机开机方案调整为CSA-2+CSB-2+CSC-2+CSD-2+CSE-2+CSF-2+CSG-3，运行能耗费用为90.759万元，同比降低3.9％，详细求解结果如表2所示。
表2
Figure BDA0003939695310000182
Figure BDA0003939695310000191
本发明提供一种基于管网仿真与管网运行优化的运行方案自动响应方法，以管网仿真理论、管网运行优化理论和综合评价理论为基础，结合管网仿真技术、管网运行优化技术和数据库技术的优点，提出天然气管网运行方案自动响应方法。首先，根据需求分析及建库原则，进行运行方案数据库结构设计。基于管道仿真模型，对不同压缩机开机方式下的运行方案进行输气能力分析，为运行方案数据库提供数据支撑。为实现运行方案数据库中方案比选，采用“层次分析法+模糊隶属函数法”建立综合评价法，考虑技术可行性和经济性，对运行方案进行综合评价。基于数据库模糊查询技术，提出管道在正常工况及应急工况下的运行方案查询方法，结合运行方案综合评价理论，形成基于运行方案数据库的自动响应方法。通过对运行方案数据库及优化算法的特性分析，阐述优化模型的必要性及两种自动响应方法的相互关系。以管道压缩机能耗最低为目标函数，考虑节点流量平衡等约束，建立不同气源条件下的管道运行方案优化模型，实现气源供气量已知条件和气源供气量未知条件下的管网运行方案优化求解。
该方法不仅可以实现管网运行方案的快速匹配，提高现场人员决策效率；还可以通过优化算法和综合评价方法保证天然气管道运行方案的经济性。本发明除用于天然气管网运行方案自动响应，还可以为供水管网、成品油集输管网等提供理论参考，具有广泛的应用价值。

Claims (7)

1.一种天然气管道运行方案智能决策方法，其特征在于，所述智能决策方法包括以下步骤：
S1：根据数据库设计原则与需求分析，建立了天然气管网运行方案数据库，其中开机方案信息表包括各气源来气量、管道互联互通情况、管道输气能力、压缩机总功率、管道管存共22个运行参数；运行参数信息表包括站场开机台数、进站流量、入口压力、出口压力、压比、转速、计算功率等详细参数；
S2：基于管网仿真模型，对运行方案进行模拟，将可行的运行方案导入设计好的运行数据库中，实现运行方案的数字化管理，包括运行方案的新增、修改和删除；
S3：通过运行方案数据库实现管道安全稳定运行、能耗较低的较优运行方案的智能决策，智能决策包括正常工况和应急工况下的智能决策；正常工况指管道在常规气源供气条件下，能满足下游用户用气需求，无需储气库应急气源或互联互通管道进行气量协调；应急工况是指因管道上游气源、管道沿线压气站、管道本身或下游用户出现异常导致供销气严重失衡；本发明仅讨论因管道上游气源供气过多或供气不足导致的应急供气事件，分别为气源供气量不足和气源供气量超过用户用气量的情景；
S4：采用“层次分析法+模糊隶属函数法”综合评价体系对运行方案进行综合评价，并对评价结果进行排序，便于使用者在较短时间内得到满足工况要求且较优的运行方案；
S5：针对数据库智能决策无法保证最优性的短板，可使用基于优化算法的智能决策模块，基于优化算法的智能决策模块能实现管道在气源供气量确定和供气量不确定条件下的优化求解，完成天然气管道全时段运行优化；该模块主要通过调用管网运行优化模型求解天然气管网最优运行方案，运行方案包括沿线最优压缩机开机方案以及气源最优供气量。
2.如权利要求1所述的所述步骤S2具体步骤为：
采用管网仿真模拟软件，以管道水力计算和热力计算为基础，以管道基础物理参数和运行控制条件为边界，结合管网中压缩机等设备运行特性，建立管网稳态仿真模型；
基于管网稳态仿真模型，开展运行方案输气能力分析，通过不同运行方案的模拟计算，分析不同压缩机开机方案对管道输气能力、管存、干线压缩机总功率的影响，将满足输气能力需求的运行方案导入运行方案数据库中；
运行方案数据库管理主要实现运行方案在数据库中的新增、修改及删除功能，具体实现方法为：以数据库作为支撑，创建执行语句，最后处理执行管理操作。
3.如权利要求1所述的所述步骤S3具体步骤为：
基于运行方案数据库中大量运行方案，采用数据库模糊查询技术，正常工况下可采用4种查询模式，分别为流量查询模式、压气站查询模式、流量+压气站查询模式及压缩机开机方案查询模式，应急工况下可采用2种查询模式，分别为欠量查询模式和超量查询模式；
根据现场实际工况，选择合适的查询方法，完成不同工况下管道运行方案智能决策。
4.如权利要求1所述的所述步骤S4具体步骤为：
查询出满足条件的运行方案后，结合“层次分析法+模糊隶属函数法”综合评价方法，评价步骤为：①构造管道运行方案数据库层次分析结构，其中，目标层为管道运行方案评价得分，准则层为运行安全性与经济性，指标层为管道管存、压力波动范围、气源点个数、管道输气能力、增压消耗功率；②构造判断矩阵对准则层和指标层进行一致性检验；③指标权重计算；④管道运行方案评价指标无量纲化处理；⑤管道运行方案综合评价计算；
将运行方案中开机方案信息和运行参数信息的评价得分录入数据库中，便于现场人员快速筛选出安全性较高的运行方案。
5.如权利要求1所述的所述步骤S5体步骤为：
调用基于优化算法的自动响应模块，根据现场实际情况，选择使用气源供气量已知或未知模型；
供气量已知条件下，结合供气量、节点分输量、压缩性能参数等已知参数，基于优化模型，以运行能耗最低为优化目标，求解出管道最优运行方案，运行方案包括压气站的投运方式、压缩机的开机台数、进出口压力、压缩机转速及单机功率；
供气量未知条件下，气源供气量由已知量变为优化变量，结合节点分输量、压缩性能参数等已知参数，优化模型中目标函数、约束条件与气源供气量已知条件相同，求解出管道最优运行方案，运行方案包括气源供气量、压气站的投运方式、压缩机的开机台数、进出口压力、压缩机转速及单机功率。
6.如权利要求1所述步骤S5中所述的气源供气量已知条件下管道运行优化模型对目标函数表达式为：
Figure FDA0003939695300000031
式中，f为压气站增压能耗费用，元；
Figure FDA0003939695300000032
为管道沿线压气站总座数，座；Sl为压气站投运变量，Sl＝0时，表示第l座压气站不投运，Sl＝1时，表示第l座压气站正常投运；δk,l为第k座压气站中第l台压缩机开机数；El为压缩机用能价格，元/h；Wl,k为第k座压气站第l台压缩机的单机功率，kW；tl为第l座压气站的压缩机工作时间，h；
所述气体流量约束为：
Figure FDA0003939695300000041
Figure FDA0003939695300000042
式中，
Figure FDA0003939695300000043
为流入节点i的流量，104m3/d；
Figure FDA0003939695300000044
为节点i流出量，104m3/d；Qj为与节点i相连的管段j流入节点的流量，104m3/d；βij为方向变量，-1表示流出节点，1表示流入节点；
Figure FDA0003939695300000045
为需求节点d的需求流量最小值，104m3/d；Qd为需求节点d的需求流量，104m3/d；
所述管道压气站约束为：
Figure FDA0003939695300000046
Figure FDA0003939695300000047
Figure FDA0003939695300000048
式中，Pj为第j条管段压力，MPa；为管段允许最大操作压力，MPa；Pdn为需求节点压力，MPa；
Figure FDA0003939695300000049
为需求节点最低交付压力，MPa；Ncs为沿线压气站投运数；
Figure FDA00039396953000000410
为沿线压气站总数；
所述压缩机约束为：
Figure FDA00039396953000000411
Figure FDA00039396953000000412
Figure FDA00039396953000000413
Figure FDA00039396953000000414
Figure FDA00039396953000000415
Figure FDA00039396953000000416
Figure FDA00039396953000000417
Figure FDA00039396953000000418
式中，
Figure FDA0003939695300000051
为第l座压气站中压缩机总台数；rl为第l座压气站中第k台压缩机转速，rpm；
Figure FDA0003939695300000052
为第l座压气站中第k台压缩机允许的最小转速，rpm；
Figure FDA0003939695300000053
为第l座压气站中第k台压缩机允许的最大转速，rpm；Ql,k为第l座压气站中第k台压缩机流量，m3/d；
Figure FDA0003939695300000054
为第l座压气站中第k台压缩机喘振流量，m3/d；
Figure FDA0003939695300000055
为第l座压气站中第k台压缩机滞止流量，m3/d；εl,k为第l座压气站中第k台压缩机压比；
Figure FDA0003939695300000056
为第l座压气站中第k台压缩机允许的最小压比；
Figure FDA0003939695300000057
为第l座压气站中第k台压缩机的最大压比；
Figure FDA0003939695300000058
为第l座压气站中第k台压缩机出口压力，MPa；
Figure FDA0003939695300000059
为第l座压气站中第k台压缩机允许的最大出口压力，MPa；Wl,k为第l座压气站中第k台压缩机功率，kW；
Figure FDA00039396953000000510
为第l座压气站中第k台压缩机允许的最小功率，kW；
Figure FDA00039396953000000511
为第l座压气站中第k台压缩机允许的最大功率，kW。
7.如权利要求1所述步骤S5中的气源供气量未知条件下管道运行优化模型对目标函数表达式为：
Figure FDA00039396953000000512
式中，f为压气站增压能耗费用，元；
Figure FDA00039396953000000513
为管道沿线压气站总座数，座；Sl为压气站投运变量，Sl＝0时，表示第l座压气站不投运，Sl＝1时，表示第l座压气站正常投运；δk,l为第k座压气站中第l台压缩机开机数；El为压缩机用能价格，元/h；Wl,k为第k座压气站第l台压缩机的单机功率，kW；tl为第l座压气站的压缩机工作时间，h；
所述气源供气量约束为：
Figure FDA00039396953000000514
式中，Qs为气源s的供应流量，104m3/d；
Figure FDA00039396953000000515
为气源s的最小供应流量，104m3/d；
Figure FDA00039396953000000516
为气源s的最大供应流量，104m3/d；
所述气体流量约束为：
Figure FDA0003939695300000061
Figure FDA0003939695300000062
式中，
Figure FDA0003939695300000063
为流入节点i的流量，104m3/d；
Figure FDA0003939695300000064
为节点i流出量，104m3/d；Qj为与节点相连的管段j流入节点的流量，104m3/d；βij为方向变量，-1表示流出节点，1表示流入节点；
Figure FDA0003939695300000065
为节点需求最小值，104m3/d；Qdn为节点需求量，104m3/d；
所述管道压气站约束为：
Figure FDA0003939695300000066
Figure FDA0003939695300000067
Figure FDA0003939695300000068
式中，Pj为第j条管段压力，MPa；为管段允许最大操作压力，MPa；Pdn为需求节点压力，MPa；
Figure FDA0003939695300000069
为需求节点最低交付压力，MPa；Ncs为沿线压气站投运数；
Figure FDA00039396953000000610
为沿线压气站总数；
所述压缩机约束为：
Figure FDA00039396953000000611
Figure FDA00039396953000000612
Figure FDA00039396953000000613
Figure FDA00039396953000000614
Figure FDA00039396953000000615
Figure FDA00039396953000000616
Figure FDA00039396953000000617
Figure FDA00039396953000000618
式中，
Figure FDA00039396953000000619
为第l座压气站中压缩机总台数；rl为第l座压气站中第k台压缩机转速，rpm；
Figure FDA00039396953000000620
为第l座压气站中第k台压缩机允许的最小转速，rpm；
Figure FDA00039396953000000621
为第l座压气站中第k台压缩机允许的最大转速，rpm；Ql,k为第l座压气站中第k台压缩机流量，m3/d；
Figure FDA0003939695300000071
为第l座压气站中第k台压缩机喘振流量，m3/d；
Figure FDA0003939695300000072
为第l座压气站中第k台压缩机滞止流量，m3/d；εl,k为第l座压气站中第k台压缩机压比；
Figure FDA0003939695300000073
为第l座压气站中第k台压缩机允许的最小压比；
Figure FDA0003939695300000074
为第l座压气站中第k台压缩机的最大压比；
Figure FDA0003939695300000075
为第l座压气站中第k台压缩机出口压力，MPa；
Figure FDA0003939695300000076
为第l座压气站中第k台压缩机允许的最大出口压力，MPa；Wl,k为第l座压气站中第k台压缩机功率，kW；
Figure FDA0003939695300000077
为第l座压气站中第k台压缩机允许的最小功率，kW；
Figure FDA0003939695300000078
为第l座压气站中第k台压缩机允许的最大功率，kW。
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