石油天然气探测

1、输气管网运行能源优化输气管网运行能源优化1目录一、研究背景一、研究背景二、研究目的及意义二、研究目的及意义三、国内外研究现状三、国内外研究现状四、论文研究的主要内容四、论文研究的主要内容五、结论与不足五、结论与不足2输气管网运行能源优化一、研究背景一、研究背景32004年-2012年我国天然气输配管网长度示意图2015年我国天然气管网布局图管道名称管道名称输气量输气量( (10104 4m3/a)机组耗气机组耗气( (10104 4m3/a)机组耗电机组耗电( (10104 4kWh)耗能量耗能量( (10107 7kgce/a)西气东输西气东输17592217177832107127.02陕

2、京管道（含储气库）陕京管道（含储气库）12649738942 41803 17.08涩宁兰涩宁兰2895465154 6.85保证天然气管道经济、合理、安全地运行。优化结果对天然气经营部门制定集、输、配气方案具有指导性的意义。稳态优化模型是天然气管网系统动态研究的参考依据。模型和方案对研究天然气管输系统的自动调节和控制具有指导性意义。二、研究目的及意义二、研究目的及意义确保平稳运行提高经济效益提升管理水平应对事故工况满足调峰储气4能效分析与评价的研究方法与理论能效分析与评价的研究方法与理论 经历了从工程师个人经验到神经网络及基因算法等为代表的数理分析。能耗分析与评价的仿真软件能耗分析与评价的仿

3、真软件 计算机仿真技术与能效分析软件相配合，逐步实现管道运行能效分析与评价的系统化与自动化，诞生了不少与能耗相关的商业软件。三、国内外研究现状三、国内外研究现状能源价格能源价格不断上升不断上升控制降低控制降低运营成本运营成本增加能效增加能效研究的投入研究的投入分析评价技术分析评价技术快速发展快速发展5序号软件名称所属公司1SPS(Stoner Pipeline Simulator)Advantica公司2Pipeline Studio(TGNET，TLNET)英国ESI公司3OTTO英国煤气公司（British Gas）4PNS(Pipeline Network Simulation)PPT公

4、司（Pipe Plus Technology Ltd.）5Sim Suite加拿大Telvent公司6RealPipe-Gas 中石油管道公司国内外主要天然气仿真软件一览表输气管网运行能耗分析输气管网运行能源优化模型模型的最优化方法求解输气管网运行能源优化实例四、论文研究的主要内容四、论文研究的主要内容6本文研究的技术路线图7四、论文研究的主要内容四、论文研究的主要内容能耗的分类能耗的分类能耗的影响因素能耗的影响因素能耗计算方法能耗计算方法8输气管网运行能耗分析输气管网运行能耗分析 9 能耗的分类能耗的分类 压缩机组的能耗、燃料气消耗及其管道和相关设备的摩擦阻力损失等在输送天然气的过程中产生的

5、能耗。通过输送方案的优化、天然气输送的减阻技术、减少压降损失的设备等措施来降低，但不能完全消除。直接直接能耗能耗在输送过程中由于天然气的泄漏和放空等所形成的直接损失。在理论上是可消除的。间接间接能耗能耗站场内直接生产能耗之外的生产能耗，包括各分输站、计量站、清管站和阀室等消耗的能源。辅助生产能耗辅助生产能耗压缩机组、空冷器及其配套系统消耗的能源。直接生产能耗直接生产能耗沿线站场工作人员的生活和办公产生的能耗、储备电源用电、电厂区照明等。生活能耗生活能耗天然气长输管道能耗流向示意图10 能耗的分类能耗的分类 11 能耗的影响因素能耗的影响因素 传统指标评价方法传统指标评价方法周转量直接能耗单位周

6、转量生产能耗电单耗（输气周转量电耗）气单耗（输气周转量气耗）耗气输量比耗电输量比耗能输量比基于管网仿真能源优化方法基于管网仿真能源优化方法国内部分油气管道已开始尝试利用油气管网节能降耗相关的商业软件进行工况模拟功能，分析、计算管道能耗，并参照计算结果提出优化运行的方案。利用仿真软件计算管网能耗的流程图12 能耗的计算方法能耗的计算方法 模型的基本假设模型的基本假设输气管网运行能源优化模型输气管网运行能源优化模型运行能耗优化运行能耗优化约束条件约束条件运行能耗优化运行能耗优化数学模型数学模型13运行能耗优化运行能耗优化目标函数目标函数假定管网运行的能耗仅受直接生产能耗影响地形起伏地区的输气管网，

7、根据管网敷设的倾角将管道划分成段，仅考虑管段起、终点间的高程差对输气量的影响水力摩阻系数在管道长度方向上不变气体在管内的流动视为等温流动气体在管内的流动视为稳定流动 14 模型的基本假设根据管网系统运行能耗的分类，管网运行能耗可表示为： 式中：f1直接生产能耗， f2辅助生产能耗， f3场站生活能耗， f4天然气损耗。输气管网运行能耗最优化问题的目标函数可表示为：式中： 压缩机为天然气所提供的压力能， 管网运行过程中机组损耗。输气管网运行能源最优化问题的目标函数可简化为：式中：NS 压缩机实际所需功率（轴功率）。4321ffffFCWWffffFccNjUjNjCj114321minCjWUj

8、WCNFcNjSj1min15 目标函数进（分）气量的约束进（分）气压力的约束压缩机站处理能力的约束管道强度的约束管道压力降方程压缩机功率方程离心式压缩机的组合方式管网节点流量平衡的约束16 约束条件进（分）气量的约束式中：Qi第i节点进（分）气量，m3/d；Qimin第i节点允许的最小进（分）气量，m3/d；Qimax第i节点允许的最大进（分）气量，m3/d。进（分）气压力的约束式中：Pi第i节点压力，Pa；Pimin第i节点允许的最小压力，Pa；Pimax第i节点允许的最大压力，Pa。压缩机站处理能力的约束式中： Nj第j个压缩机站的功率；Njmin第j个压缩机站允许最小功率，W；Njma

9、x第j个压缩机站允许最大功率，W。niiiNiQQQ, 2 , 1maxminniiiNiPPP, 2 , 1maxmincjjjNjNNN, 2 , 1maxmin17 约束条件管道强度的约束式中：Pk管道运行压力，Pa；Pkmax 管道最大运行操作压力，Pa。管道压力降方程式中：Q通过管道的天然气质量流量，m3/s；C常数， 0.0384 ；分子项 (1+aS) 输气管道终点与起点的高差对流量；分母项 输气管道沿线地形对流量的影响。管网节点流量平衡的约束式中：Ci与第 个节点相连的元件集合；aik系数，当k元件中流量流入i节点时为+1，当k元件流量流出i节点时为-1；Mik元件k流入（出）

10、i节点流量的绝对值；Qi节点与外界交换的流量（流入为正，流出为负）。PkkNkPP,.,2 , 1maxiniiiZQLSSLaTLZDSaPPCQ11522211kgKsm/2niiiiLSSLa11 -210iikCkikQMai18 约束条件压缩机功率方程气体经过离心式压缩机增压理论功率： 实际所需功率：气体经过往复式压缩机增压理论功率： 实际所需功率：式中：NA离心式压缩机机械损失所耗的功率； 、 压缩机机械效率、传动损失 。离心式压缩机的组合方式串联时的特性： ；并联时的特性： 。 11-111kkQRZTkkNASNNN121-1121111ZZZVPkkNkkcgSNNgc19

11、约束条件CNFcNjSj1minniiiNiQQQ, 2 , 1maxminniiiNiPPP, 2 , 1maxmincjjjNjNNN, 2 , 1maxmin2114522SaZRTLDPSaPMZQ0iikCkikQMai离心式压缩机11-111kkQRZTkkNASNNN串联时comNnn1comNnnQQ1并联时往复式压缩机121-1121111ZZZVPkkNkkcgSNN输气管网运行能源优化的数学模型： 20 管网运行优化数学模型 优化问题可写成如下的标准形式： xfmin Mixhtsi,.,2 , 10. Lixgi,.,2 , 10M为等式约束条件数，L为不等式约束条件数

12、。 xf为目标函数一般形式， xhi等式约束条件， xgi为不等式约束条件，21 管网运行优化数学模型模型的最优化方法求解模型的最优化方法求解22优化问题的标准形式：p该模型属于非线性规划问题p既有等式约束，又有不等式约束，既有线性约束，也有非线性约束p采用线性逼近法来对数学模型进行求解 23 优化方法选择 xfmin Mixhtsi,.,2 , 10. Lixgi,.,2 , 1024 优化过程配置天然气组分管道控制参数水力平衡条件进（分）气点条件压缩机控制参数稳态计算线性化计算单纯形法计算最优运行参数压缩机组能耗值计算程序主要模块示意图25 优化程序设计天然气物性计算；管道沿途压降、起终点

13、压力的计算；压缩机进（出）口压力、出站温度、压缩机压比的计算；压缩机功率计算；管网最优运行方案确定。所有的项目文件均以XML数据文件的形式自动存储；中英文界面切换；可以通过点击按钮或者划屏两种方式，及时响应用户的需求和操作指令，以便作出迅速反应；以表格和图形两种形式来反馈最终结果。26 优化程序设计管网运行能源优化实例管网运行能源优化实例27榆济管线（陕西管理处管段）走向图国内某天然气长输管网陕西管理处管段全长209.5km，管径D71114.2，设计压力10.0MPa，全段截断阀室10座，配备有压缩机组的首站1座，分输站1座。榆济管线（陕西管理处管段）沿途高程示意图28 管网概况进/出站压力

14、(MPa)进/出站温度()单台保证点流量(Nm3/h)压缩机台数压缩级数电机功率(kW)3.84.0/9.51045/50130188095348000首站压缩机组的基本参数表编号起、终点高差(m)长度(km)外径(mm)壁厚(mm)设计压力(MPa)摩阻系数Pipe1首站-F1-31.5921.6771114.210.00.01Pipe2F1-F281.3121.5971114.210.00.01Pipe3F2-F3-161.3817.0471114.210.00.01Pipe4F3-F4-120.5823.7871114.210.00.01Pipe5F4-分输站85.6114.897111

15、4.210.00.01Pipe6分输站- F5-310.557.1271114.210.00.01Pipe7F5-F685.271.4871114.210.00.01Pipe8F6-F7143.2518.4071114.210.00.01Pipe9F7-F8207.1322.7671114.210.00.01Pipe10F8-F9-43.3318.8171114.210.00.01Pipe11F9-F10194.1621.0171114.210.00.01Pipe12F10-末站-245.6120.9371114.210.00.01榆济管线（陕西管理处管段）管道参数表29 管网概况组份含量（%

16、）组份含量（%）CH492.4316nC5H100.1460C2H63.8546C6+0.1278C3H80.9758He0.0323iC4H100.2186H20.0110nC4H100.2971N20.5533iC5H120.1943CO21.1576管网输送天然气的气质组份表气源点最大压力(MPa)最小压力(MPa)最大流量(104m3/d)最小流量(104m3/d)首站9.53.8821.92570.61管网气源参数表供气用户最大压力(MPa)最小压力(MPa)最大流量(104m3/d)最小流量(104m3/d)末站9.57.5821.92570.61陕西管理处管段用户参数表30 气源

17、概况调研陕西管理处管段的耗能现状，选取管网较典型的12组运行工况的数据。数据选自2012年-2013年的实际运行生产报表。进（出）站压力、进（出）站温度所指的场站均指管网的首站。工况编号进站压力(MPa)出站压力(MPa)末站压力(MPa)输送流量(104m3/d)进站温度()出站温度()平均温度()14.088.357.74662.441.738.35.424.068.357.75650.001.638.75.334.068.357.75643.401.633.75.344.048.307.76615.0513.334.312.153.968.177.67570.6116.139.67.86

18、3.938.527.68742.3711.435.712.974.319.088.21805.282.938.26.384.259.118.26808.043.236.36.794.279.078.22805.423.038.06.5104.239.038.19795.032.834.56.2114.249.038.16802.122.536.45.9124.118.557.87615.311.539.05.2榆济管线（陕西管理处管段）实时运行数据表31 运行能耗计算 计算程序数据输入界面 计算程序结果输出界面32 运行能耗计算 榆济管线（陕西境内管段）仿真模型33 运行能耗计算将管网较典型的

19、12组运行工况的数据代入自行编制的计算程序，利用PNS管网仿真软件模拟管道的典型工况，核算运行能耗。工况序号PNS计算结果(kW)程序计算结果(kW)绝对误差(kW)相对误差17089.596984.48105.11-1.48%26974.066896.7477.23-1.11%36879.686818.0761.61-0.90%46559.26647.4588.251.35%56365.666435.4769.811.10%68678.928641.1837.74-0.43%78667.368670.573.210.04%88938.168962.9724.810.28%98805.218811.286.070.07%108707.778757.4949.720.57%118773.078771.531.54-0.02%126394.806486.4191.611.43% 程序与仿真软件计算管网运行能耗的结果对比表程序计算结果与PNS计算结果相对误差示意图34 运行能耗计算程序计算结果与PNS计算结果相关性散点图最优化方案计算程序输出结果管网沿线压力、流量分布图35 最优化运行方案确定站名出站压力(MPa)输送流量(104m3/d)压缩机