天然气管道运行优化模型及其寻优方法研究

论文摘要

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。

论文目录

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