地下空间管廊内燃气管道稳态运行技术优化
郭 戈
(北京天兴燃气工程有限公司,北京 100071)
进入21世纪后，天然气逐渐成为生产生活中的支柱型能源。随着天然气管道数量的增多，管道网络结构逐渐复杂化，管网运行整体调节难度进一步增加[1]。如何保证燃气管道可靠稳定运行成为当前亟待解决的问题。
文献[2]提出采用层次分析法，利用GIS空间叠加技术对燃气管道系统展开优化布局，此方法在一定程度上保证了燃气管道运行的稳定性，但是其无法应对不断增加的设备能耗需求。文献[3]结合管网模型分割思路，将黄金分割算法与动态规划算法进行融合，形成了改进后的动态规划和黄金分割混合算法。该方法提高了管道的运行效率，增加了管网的管存量，但是其安全性尚未验证。
基于以上研究的成果与不足，本次研究设计了地下空间管廊内燃气管道稳态运行技术优化方法，主要对运行技术的能耗问题展开优化，并构建仿真实验环节验证优化后技术的应用效果。希望通过本次研究，为日后的能源管理提供经验与技术支持。
针对能耗的具体优化内容如图1所示。由图1可知，本次研究将使用多种算法完成优化过程，涉及大量技术部分，因此，将优化过程的运行平台设定为高精度计算机，以此保证技术优化结果的可行性。
1.1 燃气管道稳定流动方程构建
为保证技术优化后的可行性，首先对燃气管道中燃气稳定流动方案进行分析，以此为后续的设计提供基础。本次研究主要对均质燃气[4-5]的流动进行分析，其余状态燃气不计入本次研究过程。
图1 燃气管道稳态运行技术优化结构
将管内的燃气流动情况设定为稳态运行状态，则其运动参数可表示为
(1)
设定η、G、L为常数，则燃气管道内燃气压力计算公式可体现为
(2)
式中：E1为管道起点处的压力测量值,Pa；
E2为管道终点处的压力测量值；
E0为正常状态下大气压强,Pa；
S为待测管道长度,m；
ω为管道内阻力,Pa/m；
z为天然气传输管道直径,mm；
Y0为燃气管道流量,m3/h；
ρ0为燃气密度,kg/m3；
G为燃气管道中气体平均温度,℃；
G0为标准大气压下燃气管道内温度,℃；
L为天然气气体的平均压缩因子,m3/h；
L0为标准大气压下燃气管道内气体压缩因子,kg/m3；
?为气体流动计算系数。根据式(2)，可得到燃气传输过程中的压力损失计算公式：
(3)
(4)
式中：n、z为常数。使用上述公式可得到燃气传输过程中的压力损失，将此公式与常规运行技术中的燃气管道数学模型相结合，则可得到管道中的能量变换方程：
RY(n+1)=-Y
(5)
式(5)为燃气管道稳定流动方程，根据此公式对管道运行状态进行模拟与分析，为后续的技术优化提供数据载体。
1.2 管道优化目标函数构建
在管廊数学模型以及燃气运动特征的基础上，根据文献[2]的研究结果，构建目标优化函数，同时根据动态规划法[6-7]设定函数约束条件，为技术优化提供数据支撑。
燃气管道运用优化问题可以理解为一种公式，即已知干线流量、压力以及温度等各项条件，求解管道的运行方程，使得全管道的总能耗为最低能耗。在对燃气管道进行分析后，将优化函数设定如下：
(6)
式中：D为单位长度管线中的总能量消耗，kW·h；
Ai为电动机的能量消耗，kW·h；
Aj为燃气机的能量消耗；
α1为管道运行过程中的电煤转换系数；
α2为管道运行过程中的气煤转换系数；
Rb为管道运行过程中的燃气转换量,kg；
Bi为目标管道内的燃气流量体积，kg/m2；
Si为目标管道长度,m；
χc为管道中第c个压缩机的运行功率以及运行时间,s。为保证本次设计中提出的目标函数具有应用价值，将其约束函数设定如下：
(7)
(8)
式中：n为管道燃气机的转速,r/s；
δ为管道内压力比,Pa；
J为目标管道内燃气流量,kg/m2；
W为管道压缩机出站压力,Pa。使用上述约束条件控制目标函数的计算过程，并将其作为优化过程中的主要参考内容。
1.3 燃气管道稳态运行多目标优化
分析上文中的优化目标函数后发现，稳态运行技术的优化内容为多目标优化，涉及多个领域的计算部分，为此，在技术优化的最后部分，根据设定的目标函数，完成多目标优化求解过程，具体求解过程如图2所示。
根据图2，在本次研究中选用NSGA-II算法[8-9]作为技术优化多目标优化函数求解算法。当迭代次数为0时，对目标函数求解中需要的数据进行初始化处理，生成求解所需数据种群，并对此种群选择、交叉，得到子种群Bi，融合父种群与子种群数据，得到优化数据目标种群[10]。
图2 燃气管道稳态运行技术多目标优化求解流程
目标种群可表示为
(9)
(10)
(11)
为保证此目标种群具有使用价值，对其等量条件进行验证，得到新的计算种群，则有
(12)
(13)
对上述公式进行分析后，保证其子种群中的数据落入指定区间内，得到可得到最优解的种群。具体计算公式如下：
(14)
将采集到的管道参数代入上述计算公式中，得到管道稳态运行的低能耗最优解。将上述计算过程引入常规燃气管道稳态运行技术中，至此，燃气管道稳态运行技术优化设计完成。
2.1 实验准备
为验证本次研究技术优化结果的应用性，构建实验环节。将实验对象设定为某一城市内X路段综合管廊，在此管廊中收容了给水管、中水管、电力电缆、电信电缆以及燃气管等7种管线，管廊内部空间设定如图3所示。
图3 管廊内部结构
为了仔细分析此管廊，且不对管廊的运行造成影响，使用MATLAB对此管廊进行模拟，生成管廊模型作为本次实验载体，分别使用文献[2]技术、文献[3]技术与本文优化后技术控制燃气管道稳态运行。同时，通过预先构建的实验对比指标分析三种技术的应用性能差异。
2.2 实验方案
为获取更具代表性的实验结果，将X路段综合管廊中的燃气管道设定为8段燃气管线，并获取此部分管线的详细配置信息作为实验数据集，具体数据如表1所示。
表1 燃气管道区段详细配置信息
表1中数据为实验对象的关键参数，本次研究将主要分析上述区段的稳态运行情况。将实验对比指标设定为燃气管道运行稳定性、燃气管道运行能耗波动性以及燃气管道内部压强变化。使用此三组实验指标对三种技术的使用效果加以分析，并由此确定三种技术的性能优劣性。
2.3 实验结果分析
表2为运用优化技术后，燃气管道运行参数。
表2 燃气管道运行稳定性
由表2可知，本文优化技术应用后管道运行稳定性为85.14%～86.71%，文献[2]技术的管道运行稳定性为80.26%～81.18%，文献[3]技术的管道运行稳定性为79.19%～81.29%，本文优化技术应用后管道运行稳定性更高。本文优化后的技术可将管道运行的稳定性控制在固定的区间内，避免不同区间运行稳定性出现波动后造成管线整体波动的问题。因此，在日常的燃气管道管理中应使用本文优化后技术保证管道运行稳定性。
由表3可知，本文优化技术应用后管道运行能耗波动性为5.08%～5.79%，文献[2]技术的管道运行能耗波动性为8.11%～9.91%，文献[3]技术的管道运行能耗波动性为8.29%～9.75%。对上述实验数据进行分析后可以看出，在多次实验中，本文优化后技术可有效保证燃气管道的运行效果，并有效降低管道运行能耗。燃气管道的运行安全性与稳定性得到了质的提升。
表3 燃气管道运行能耗波动性
燃气管道运行问题可理解为燃气管道运行压强变化问题。因此，将实验中的最后一组指标设定为燃气管道内部压强变化。由图4可知，使用本文优化技术后，燃气管道内部压强变化较小，说明管道内运行效果较为稳定，如果外界环境不发生变化，管道内部压强将固定在指定区间内。
图4 燃气管道内部压强变化
与优化后技术相比，文献[2]技术与文献[3]技术使用后，管道内部压强波动较大，容易影响管道的运行稳定性。综合上述实验结果可知，优化后技术对于燃气管道运行状态具有较高的控制能力。
对本次实验中的三组实验结果进行分析后可以发现，在不同指标的对比过程中，本文优化后技术的使用效果明显优于其他技术，能够保证管道稳态运行，提高管道传输的安全性。
燃气管道稳态运行对于燃气使用安全与运输安全具有直接的影响。本文设计的地下空间管廊内燃气管道稳态运行技术优化方法通过多目标优化的方式实现了管道的稳态运行。虽然，本次研究具有一定的科研价值，但依然存在一些问题，在日后的研究中还需对其进行深入研究。
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