不同工艺参数对高压天然气干线优化设计的影响
摘要
天然气作为一个主要能源和下游产业的原料在全球范围内迅速增长。因此，从生产区到天然气输送消费领域的需求不断增加。天然气输气管道是一种最古老、最常用的天然气输气方法。这些传输系统是非常密集的资本，因此，这种方法的运输的最佳设计似乎是不可缺少的。
在这项工作中，气体传输系统的优化设计，从技术和经济的角度进行了研究。优化的主要准则是气体传输系统的生命周期成本最小化。综合考虑各种影响因素对这些系统的生命周期成本的影响，建立了一个综合的数学模型，寻找最优的设计方案。鉴于模型的特点，包括连续和离散变量，使用了一个秩优化方法。基于所开发的优化方法，优化程序已编译。不同的变量对伊朗天然气主干线(IGAT-II)之一在生命周期成本的影响已调查。
关键词
天然气干线、高压、秩优化法、生命周期成本
1.引言
天然气作为一个主要的能源来源和作为一个下游原料在全球的重要性日益增长。近年来全球天然气消费量迅速增长，并且它的需求量作为主要能源在未来将继续增加。在全球天然气的需求量被预测以每年以百分之2.4的速度递增直到2030（国际能源展望，六月2006）。图1显示全球天然气消费直到2025趋势（常，2001）。目前，对于市场天然气运输有四种选择：1）由管道输送的气体，（管道天然气PNG），2)气体通过压缩体积到临时介质如（液化天然气，LNG），（压缩天然气,CNG）和（天然气水合物，NGH），3）转换为其他产品（气体液化，GTL）比如Fischere—Tropsch (Fe—T) 合成燃料和甲醇，4）转换为其他能量形式比如电流和信息通过电缆传递到市场(气体线, GTW)。然而，只有第二个是能量以气体形式输送的方法。如今,PNG和LNG是仅有的广泛用于气体运输的商业技术。而液化天然气主要用于长距离天然气输送，到目前为止，管道运输在国际天然气贸易上占主导地位(Najibi and Rezaei, 2009)。管道运输是从生产现场到最终用户运输天然气最常见，安全和经济的方法。当液化天然气技术的使用是具有挑战性的或不合算的，高压天然气输送管道就变得越来越受到关注（Graf等人。，2003）。通过高压主干线进行气体传输是一个资本非常密集的项目；因此，优化设计运输方法是至关重要的，优化准则反映了这些系统的总成本。高压输气管道系统的主要组成部分是主要由管段和压缩机站组成。因此，在任何优化方法中，这两者的成本扮演着一个主要角色。
2.优化模型
一个干线输气系统的主要组成部分是管道和压缩机站。在这项研究中考虑天然气干线的一个基本方案显示在图2中。这两个组成部分占了初始投资和整体项目的维护成本的大部分。对于这些系统要达到最佳的设计，要求定义一个目标函数。由于这个目标函数在结果上有很大的影响，它应该以一种所有重要的参数都包括的方式定义。在天然气管道设计的项目中，有很多在任何设计方案中都应该满足的技术上的限制。如前所述，这些传输项目是非常资本密集型的，因此，一个成本函数作为优化方法中的目标函数似乎是一个很好的选择。对于整个项目所有的组成部分最全面的成本函数是“生命周期成本”（阮等人，2009）。任何一件设备的生命周期成本（LCC）是去购买，安装，操作和维护该设备的总的“寿命”的成本。对于LCC在这项工作中的量纲是百万美元每标准立方米每公里的管道。
2.1.目标函数
对于整个气体传输系统，在这项研究中考虑了总寿命周期，包括所有的初始投资和管段和压缩机站的运行费用。它定义如下：
（1）
为了反映通货膨胀和银行利率的影响，所有的维护和操作的成本函数乘以以下方程(Eisenberger以及其他人，1977)：
（2） 其中，是一加上通货膨胀率，r是一加上银行利率。
2.1.1.管道初始投资
管道初始投资包括设计，采购材料，安装管道和其他所有辅助设备的支出。这些支出通常表示为一个函数的长度、直径、厚度和管道材料等级。要发展相关估计管道的初始投资，大量的数据已从NIGC（伊朗天然气公司）收集起来。这些数据包括不同长度和直径的不同管道的成本但是相同的管道材料等级(API-5LX-X60). 基于这些数据，下列关系估算为API-5LX-X60管材管道的初始投资。一直考虑对于更高的等级2-3%的增长(Mohitpoor 等人., 2003)。图3示意性地表示出了这种趋势。
（3）
其中，L，D0和wsteel是管道长度、管道外径和钢量。认为阀门系统的成本是下管道的成本。
2.1.2. 管道维护成本
管道的初始投资的百分之五作为每年的管道维修费用（阮等人，2009）。对于管道的寿命，这项支出表示如下：
（4）
2.1.3. 压缩机站初始投资
假定只有离心式压缩机来用于研究，因此，以下相关用于压缩机站的初始投资(Valiei, 2007):
（5）
N是由压缩机所消耗的功率来增加吸入压力以排出压力，并计算如下：
（6）
式中，是压缩比。在压缩机站的成本中包含了气体冷却系统的成本。
2.1.4. 压缩机站维护成本
百分之五的压缩机站的初始投资认为是压缩机站每年的维护成本（阮等人，2009）。对于寿命，这种支出表示如下：
（7）
2.1.5. 压缩机站能耗成本
输气系统的压缩机通常由燃气涡轮机和其所需的燃料驱动的约0.5%的总的气体传输(Tabkhi, 2007) 。每个压缩机站的燃料消耗的寿命成本表示如下：
（8）
2.2. 技术约束
有一些技术上的限制应该采取设计阶段。考虑的主要制约因素研究如下：
2.2.1. 流动制度约束
在这项研究中，在高压天然气管道的流态认为是完全粗糙的。这个流态是在非常高的雷诺数前提下，其中管道表面粗糙度延伸超出了层流边界层。雷诺数在这个流态应该高于临界雷诺数(Coelho and Pinho, 2007)。这个约束是写如下：
（9）
其中
（10）
2.2.2. 液压约束
压缩机站之间的每一个管道段必须满足一个流动方程。在这项研究中应用了改正后的Colebrooke-White方程。这是一个在天然气工业最有启示最常见的方程(Coelho and Pinho,2007)。此方程的一般形式如下：
（11）
其中
（12）
2.2.3.强度约束
对于一个给定的壁厚Barlow方程确定管道内最大允许压力(Mohitpoor 等人.,2003)。工作压力等于90%本设计压力，如下方程表示（Ruan 等人，2009）：
（13）
（14）
其中Df.Lf.Jf.Tf用于安全的各种因素，根据ASME标准。
2.2.4. 稳定性约束
对管道的稳定性要求造成的直径的厚度比小于指定值。本研究中所用的稳定约束如下(Ruan 等人, 2009):
（15）
2.2.5. 压缩比约束
根据工业经验，确保压缩机运行在逻辑和经济权力范围内，压缩比应在下列范围(Ruan 等人,2009):
（16）
压缩比对整个工程的经济有很强的影响。
2.2.6. 速度约束
为了保护管道不受腐蚀，必须控制气体流速。下面的经验公式，用于限制本研究(Mohitpoor 等人, 2003):
（17）
（18）
根据经验常数C值（Salama，2000）的使用，这个经验公式可用于洁净（无腐蚀条件和无砂）和非洁净管道。在这项研究中，假定管道是清洁工作和值100用于常数C（Mohitpoor 等人，2003）。
2.2.7. 尺寸和等级约束
不同管道制造商生产的公称管道尺寸、厚度和管材等级，具有一定的数值。这一系列的描述和使用如下（Europipe）：
（19）
（20）
（21）
2.2.8. 放电温度约束
气体压缩机排出的气体温度有一个限制。这个温度不应高于一些冶金和操作限制（Mohitpoor 等人，2003）。在这项研究中所使用的约束如下：
（22）
3. 方法
有许多不同的数学方法用于天然气干线设计优化(Wong and Larson, 1968;Peretti and Toth, 1982; Carter, 1998; Li, 2001; Kang, 2001)。在一般情况下，这样优化问题最常用的方法是基于梯度的程序，动态规划或遗传算法。动态规划是有限的简单的网络拓扑结构和基于梯度的程序是很难找到一个全局最优，并强烈依赖于初始值。 在大多数情况下，遗传算法可以找到全局最优解，具有很高的概率，但是，找到全局最优解，并不能保证对于所有的情况(Rao, 2009)。在这项工作中，建立了一个全面的数学模型，以找到最佳的设计。在这一模型中，包括直径、厚度、压力、长度、压缩比等因素对气体传输系统的寿命周期成本有很强的影响。针对模型的特点，包括连续性和离散变量，秩优化方法已经使用。在这种方法中，现有的组合将从技术和经济的角度验证。将拒绝不满足任何技术约束的任何组合。唯一的组合，满足所有的约束将出来，作为技术上可行的组合。对于所有可行的组合，将计算生命周期成本并且计算值最小的一个是最佳的设计。使用这种方法，开发的优化模型可以描述如下：
（23）
考虑方程组（9）（22）中定义的约束。图4示意性地示出本程序。
基于上述方法，优化程序的编制。此程序的流程图如图5所示。已经调整了一些技术，以尽量减少所需的运行时间。
4. 结果与讨论
所编制的优化算法为管道气体输送系统的不同可能组合对于研究不同参数对生命周期成本的影响提供了一种媒介。从该算法所获得的结果表明对于直径，工作压力和管道材料为固定值的系统，通过增加气体流量，管道的LCC将减少，压缩机站的LCC将增加，总的LCC将有一个最小值。图6所示的大致形状。
基于LCC的工作压力对管道输气系统的影响如图7所示。这表明增加工作压力会增加最佳流量并且将会减少输气系统最低的寿命周期成本。这意味着设计可能的更高压力的管道气体传输系统是更好的。管径对LCC
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