[01129843]长输天然气管网系统调度及控制技术研究与应用

本成果来源于中石油创新基金项目《天然气长输管网动态优化运行技术研究》,编号2010D-5006-0602,及西气东输管道分公司《天然气管道分输自适应控制系统研究》、中油龙慧《油气管网智能调控技术研究和程序开发》横向课题。本成果系统研究了简化天然气管道机理模型、管网优化模型的最优算法、基于动态规划方法的分段控制和最优控制的天然气管网调度方法、多种长输管网分输站的压力控制策略,设计开发了适合天然气分输站的自适应控制系统软件。可以提高天然气管网的动态仿真速度和调度控制手段,新的控制系统实施方便、安全,改造时间短,成本低,在十多个天然气分输站进行了测试,具有非常好的推广意义。 天然气作为一种优质高效的清洁能源和化工原料,具有巨大的潜力,目前天然气需求的年增长速度为2%,中国已进入天然气管道建设的高峰期,为了提高管道运营的安全性多条长输管道相互连通,管网规模不断增加,管网动态仿真难度和计算量增加,影响了调度人员的应用;管网中的压缩机功率巨大,受管道运行参数影响可能导致能耗的增加,经济效益降低;同时用户用气性质多样,用气量波动成为常态,长输管网分输站压力控制复杂性提高,稳定性变差,更换新的控制设备投入很高。针对上述生产问题,开展天然气长输管网动态仿真、优化控制研究及应用,对实现天然气输送企业实现安全生产管理、提高生产效益和可持续发展具有重大意义,主要工作如下： 1.系统开展了简化天然气管道机理模型的方法 该项目系统开展了管道输入输出模型、脉冲响应模型的研究,与传统的管网机理模型相比,提高了长输管网动态仿真速度;初始状态可以为非稳态,可以实现在线动态仿真,明确了模型误差的影响原因,提出了消除误差的方法,保证了长时间仿真的精度。同时可以作为SCADA系统数据采集故障的判断依据,有望用于状态预估和泄漏诊断工作中。 2. 研究求解管网优化模型的最优算法,改进了管网动态运行优化模型 研究了管网运行中的主要优化目标和多种智能优化算法,对长输管网的燃气最小优化模型,提出了包括混合遗传算法、智能模式搜索算法、动态规划法等多种优化算法,提高了稳态优化最优解的精度和求解效率;将管网优化模型中的流量方程等式约束松弛为不等式约束,扩大搜索范围,结合管道脉冲响应模型和智能模式搜索算法提出了新的动态优化策略。 3、研究多种适合长输管网分输站的压力控制策略 明确了分输用气量波动、调节阀非线性、工艺参数对压力控制的的影响;设计开发了自适应控制系统软件,新的系统实施方便、安全,改造时间短,具有非常好的推广意义。 4、研究了基于动态规划方法的分段控制和最优控制的管网调度方法 首先确定管网在不同稳态条件下的最佳工作点,根据当前状态和目标状态之间的差值确定各压气站的控制方式,以当前状态和目标状态平方差之和为目标函数的优化模型,保证过度过程的平稳性,最后利用动态规划方法进行求解,得到最优控制策略。 5、开发了自适应控制软件系统 通过在计算机上开发分输站自适应控制软件,与PLC控制器进行通讯,采集现场数据并将计算结果发送给PLC,间接控制现场调节阀,替代PLC中的PID控制模块,该方案实施简单,不需要更换设备、不需要更改仪表接线,投资小,周期短,同时效果明显,可以大幅度提高压力控制的稳定性,适合用气量波动较大,原PLC系统控制效果不好的站点。 该项目以集成的技术在长输管线累计推广十个分输站,节约投资504万元,经济、社会和生态效益显著。项目实施过程中,获得国家发明专利1项,发表论文7篇。