天然气管道运行优化模型及其寻优方法研究

【摘要】：天然气是一种清洁、优质的能源，本世纪在我国将得到大力的开发和利用。天然气的主要运输手段是管道输送，随着天然气工业的快速发展，我国天然气管道工业也得到了发展。近年来，我国天然气管网规模和天然气用户不断地扩大，如何保证天然气管道经济、安全、合理地运行成为了管道管理者们的一个重要课题。一个好的运行方案不仅能够保证管道系统安全运行，保证用户的正常生产和生活，而且可以节省大量运行管理费用，增加经济效益和社会效益。 近年来国内外天然气管道运行优化研究学者们的主要研究方向是关于天然气长输管道压缩机能耗最小的稳态运行优化模型，而对于天然气的集输配气管网的最大运行经济效益模型和管网系统的最大流量模型研究较少。因此本文研究的重点是天然气集输配气管网系统的优化运行，建立天然气管网系统稳态运行优化模型和动态运行优化模型，在研究和对比各种优化算法的优化机理的基础上，引入和建立优化算法求解天然气管网系统的运行优化模型，并将优化后的方案用于指导天然气管网系统的日常调度和管理，以增加天然气管网系统的经济效益和充分地利用管网系统的输送能力。 本文的主要工作如下： (1)在研究天然气管网稳态仿真模型的基础上，建立了天然气管网系统稳态运行优化模型； (2)对比现有的各种优化算法的优缺点的基础上，引入改进复合形算法和混合遗传退火算法并改进了线性化算法，形成了改进线性化算法。通过求解天然气管网系统稳态运行优化模型，验证了这三种算法的可行性； (3)在研究混合遗传退火算法混合策略的基础上，形成了两种混合算法，混合退火复合形算法和混合遗传复合形算法。将混合退火复合形算法用于求解天然气管网系统稳态运行优化模型，实例结果证明了其可行性和收敛性；将混合遗传复合形算法用于求解PID参数整定模型，算例结果验证了其可行性和收敛性； (4)在研究天然气管网系统动态仿真模型的基础上，建立了天然气管网系统动态运行优化模型，在对管网优化模型在时间和空间上分解后采用了改进线性化算法求解了该动态运行优化模型； (5)在研究PID和调节阀工作原理的基础上，对天然气管网系统的调节控制系统进行了研究和分析，建立了调节过程的数学模型。并对管网系统中的离心式压缩机的防喘振控制进行了研究和模拟分析，建立了防喘振调节方案； (6)对本文的主要研究内容和成果进行了总结，并展望了今后的研究工作。 【关键词】：天然气 管网 运行优化 数学模型 优化算法 调节
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TE832
【目录】：

• 1 绪论10-25
• 1.1 天然气管网概述10-13
• 1.2 研究的目的及意义13-14
• 1.3 国内外天然气管输运行优化研究现状14-20
• 1.3.1 最优化概述14-17
• 1.3.2 天然气管输优化研究现状17-20
• 1.4 本文的主要内容及技术路线20-23
• 1.4.1 主要内容20-21
• 1.4.2 技术路线21-23
• 1.5 本文的研究成果及主要创新点23-25
• 1.5.1 主要研究成果23-24
• 1.5.2 主要创新点24-25
• 2 天然气管网系统稳态运行优化模型25-40
• 2.1 基本假设25-26
• 2.2 天然气管网系统稳态运行优化数学模型26-33
• 2.2.1 目标函数26-27
• 2.2.2 约束条件27-31
• 2.2.3 优化变量31
• 2.2.4 数学模型31-33
• 2.3 稳态运行优化模型分析33-39
• 2.3.1 非线性优化的基础知识33-37
• 2.3.2 模型分析37-39
• 2.4 小结39-40
• 3 天然气管网系统运行优化算法40-70
• 3.1 改进线性化算法40-42
• 3.1.1 改进线性化算法的基本思想40-41
• 3.1.2 改进线性化算法的求解步骤41-42
• 3.2 改进复合形算法42-44
• 3.2.1 一般复合形算法42
• 3.2.2 改进复合形算法42-44
• 3.3 混合遗传退火算法44-60
• 3.3.1 遗传算法44-51
• 3.3.2 模拟退火算法51-55
• 3.3.3 混合遗传退火算法55-60
• 3.4 混合退火复合形算法60-61
• 3.4.1 混合退火复合形算法的混合策略60
• 3.4.2 混合退火复合形算法的步骤60
• 3.4.3 混合退火复合形算法的性质60-61
• 3.5 混合遗传复合形算法61-62
• 3.5.1 混合遗传复合形算法的步骤61
• 3.5.2 混合遗传复合形算法的性质61-62
• 3.6 天然气管网系统稳态运行优化模型的求解62-64
• 3.6.1 改进线性化算法62
• 3.6.2 改进复合形算法62-63
• 3.6.3 混合遗传退火算法63
• 3.6.4 混合退火复合形算法63-64
• 3.7 实例分析64-69
• 3.8 小结69-70
• 4 天然气管网系统动态运行优化模型70-92
• 4.1 基本假设70
• 4.2 天然气管网系统动态运行优化数学模型70-78
• 4.2.1 目标函数70-71
• 4.2.2 约束条件71-76
• 4.2.3 优化变量76-77
• 4.2.4 数学模型77-78
• 4.3 动态运行优化模型分析78
• 4.3.1 优化模型分析78
• 4.3.2 模型求解78
• 4.4 实例分析78-91
• 4.5 小结91-92
• 5 天然气管输系统自动调节92-122
• 5.1 天然气管输系统自动调节概述92-93
• 5.2 PID控制93-102
• 5.2.1 PID控制原理93-95
• 5.2.2 PID控制算法95-96
• 5.2.3 PID参数整定96-102
• 5.3 调节阀102-104
• 5.3.1 调节阀流量系数102-103
• 5.3.2 调节阀流量特性103-104
• 5.4 天然气管输调节控制模拟分析104-113
• 5.4.1 数学模型105-107
• 5.4.2 调节系统模拟分析107-110
• 5.4.3 仿真算例110-113
• 5.5 压缩机自动调节控制分析113-120
• 5.5.1 压缩机调节方法113-115
• 5.5.2 离心式压缩机喘振115-117
• 5.5.3 离心式压缩机防喘振控制117-120
• 5.6 小结120-122
• 6 结论与建议122-125
• 6.1 结论122-124
• 6.2 建议124-125
• 参考文献125-132
• 致谢132-133
• 攻读博士期间参与的科研项目及发表的论文133-134
• 答辩委员会134

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