天然气运输系统优化问题研究综述
摘要：本文综述了通过管道系统解决天然气输送问题的相关研究工作。文献揭示了天然气管道系统的三大类，即集输系统、输配系统和输配系统。在这项工作中，我们将详细讨论在优化天然气输气线路方面所作的努力。
在过去的几年里，对天然气工业中的许多决策问题进行了大量的研究，特别是管网优化问题。在这项工作中,我们提出了一个最先进的调查集中在特定类别，包括短期基础存储(线路包装问题)，气体质量满意度(合用问题)，压缩站建模(燃油成本最小化问题)。我们讨论了稳态和瞬态优化模型，重点介绍了建模方面和迄今为止已知的最相关的解决方案方法。
虽然有关天然气输送系统问题的文献相当广泛，但据我们所知，这是第一次从运筹学的角度对天然气输送的研究领域进行了全面的回顾或综述。本文讨论了该领域最重要和最有前途的研究领域。因此，本文可以作为一个有用的工具来深入了解许多现实应用的演变过程，以及在这个令人兴奋和具有挑战性的决策问题研究领域中解决方法的最新进展，方法产生于这个令人兴奋和具有挑战性的决策问题研究领域。
正文：
1.介绍
天然气是未来必不可少的能源。它的优势包括低温室气体排放和相对降低的资本成本，这使得其在其他能源领域的地位具有竞争力，特别是在新的发电设施方面。全球对天然气储量的预测也清楚地表明，天然气将在支持2035年市场增长方面发挥越来越重要的作用。图1显示了按地理区域分列的全球天然气储量预测，其中欧亚大陆和中东的天然气储量最大。
天然气作为一次能源的表现在三个方面具有很强的代表性，即：(A)住宅/商业，(B)工业和(C)发电部门。图2显示了到2035年世界对最终用途部门和燃料消耗的预测.电力部门的预测，如图3所示，加上核能预测。这些数据显示，大部分天然气消费集中在(B)和(C)部门，占世界天然气消费总量的87%，到2035年，年均增长率分别为1.7%和2.0%。
天然气消费可以表示受到天气、燃料转换和价格/市场变动等短期因素的影响。然而，反映未来天然气使用基本趋势的是长期需求因素。例如，(A)部门天然气需求最重要的长期驱动因素是供热应用(见图4)。未来20年，使用天然气取暖的新家庭数量的百分比增长，预计将为住宅天然气需求提供强劲动力。
在(B)部门，由于远离能源密集型制造过程，可以观察到两种长期的驱动力，即：设备和工艺的能源效率提高，以及向制造需要较少能源投入的产品转移。尽管这些因素导致能源需求略有增加，但这一趋势预计将持续到未来。
在(C)部门，长期因素主要归因于天然气红色联合循环发电站，这些工厂需要相对较低的资本投资，并通过使用天然气来减少排放，而不是其他化石燃料。美国能源信息管理局(EIA)预计，到2035年，60%的新发电能力将用于天然气联合循环或燃气轮机发电。以对天然气消耗量预测模型感兴趣的读者为例。
图1.按地理区域分列的世界天然气储量预测
图2.按最终用途部门和燃料预测的世界能源消耗。
图3.预计世界电力部门的能源消耗。
图4.2000-2007年按取暖燃料类型分列的新住户。
例如，根据美国环境影响评估(EIA)的数据，到2035年，预计美国天然气需求量将达到26.55万亿立方英尺，与2009年的需求水平相比，增幅约为16%。这一预测与美国未来几十年的能源需求相关。例如，预计到2035年，美国的能源需求(A)、(B)和(C)分别约为6.0%、23.4%和25.8%。请注意，这些部门目前占美国天然气消费总量的21%、27%和16%。有兴趣详细分析全球天然气需求、产量和储量趋势的读者请参阅交通部环境影响评价技术报告DOE/EIA-0484(2011)。
天然气全球趋势可能与一个联邦机构向另一个机构提供的不同报告略有不同。然而，研究中反复出现的结果是，在可预见的将来，天然气的消耗量、产量、储量和依赖性将继续增加。这种日益增长的期望可能意味着需要更复杂的优化方法，能够在国家和国际领域处理更大和更复杂的问题。
天然气从产区到消费区的高效、高效的输送需要一个广泛而精细的运输系统。这种系统由一个包括管道、压缩机站、除尘器、阀门、城市大门等组件组成的复合网络组成。在许多情况下，从特定油井产生的天然气必须经过很长的距离才能到达使用点，这可能意味着更大和更具挑战性的管道系统。如果不立即需要输送的天然气，可在需要时将其放入储存设施。
我们可以区分三种主要的运输路线管道类型，即集输系统、州际管道输送系统和配电系统。与输送系统不同，输送系统的特点是长而大直径的管道工作在高压水平上，集散系统由低压、小直径管道组成。如果来自某一井的天然气含有较高的毛皮和二氧化碳含量(含酸气体)，则必须安装一条专门的含硫气体收集管，将原始气体从井口输送到加工厂。
天然气运输行业在过去几十年发生了变化，以及它的模型和需求。它发展得很快，并且一个天然气市场竞争因国家而异。例如，在几个国家，包括美国，加拿大，和在巴西，管道系统完全私有化。，它们是私有的公司所有，因此独立经营。因为放松管制始于80年代，这些管道公司都没有更长的时间里，天然气的主要拥有者。他们只是负责运输阶段，并专注于效率气体系统的良好可操作性。在这些场景中，模型是这样的如第5节所述的燃料成本最小化问题对天然气运营商来说非常重要。然而，事实并非如此这种情况在大多数欧洲国家都很常见实践证明，选址、施工和运营自然天然气管道系统由联邦和州的法规管理。例如，在北欧国家，如挪威和丹麦压气站通常位于输电线路沿线长时间保持它们的最大容量，因此燃料成本最小化模型要么被完全忽略，要么被完全忽略变得不那么重要。在这样的国家，因为他们的自然天然气在很大程度上是出口到周边国家的具体产品根据天然气质量要求，对混凝式天然气质量模型进行了预评价，第4节所述内容被认为是相关的和完全适用的。
此外，天然气运输的动态过程，包括每天连续一致的承诺，鼓励天然气运营者使用第三节中提出的天然气管道包装模型。这些模型基本上集中在输电线沿线的天然气短期规划存储，作为满足客户需求的一种策略。所有这些需求无疑对燃气行业和社区都构成了巨大的挑战。
运筹学在天然气工业中扮演着重要的角色，在过去的40年里，OR模型和技术成功地解决了设计、开采、生产、运输、储存、分配和销售等一系列重要的相关问题。郑等人介绍了最近对天然气工业优化模型的调查，同时着重于三个方面：生产、运输和市场。本文主要讨论了基本问题的数学表达式，并对现有的优化技术进行了文献修正。他们的研究涉及六个一般问题，即生产调度问题、最大恢复问题、网络设计问题、燃料成本最小化问题以及管制和放松管制的市场问题。
本文的目的是从运筹学的角度探讨天然气运输行业的相关研究工作。本文涵盖了天然气输送工业构成的三个方面的优化领域的工作-在优化其传输系统时的尝试。这涉及到短期基础储存、管道阻力和气体质量满足方面的问题，以及通过管道传输网络将燃料成本降至最低。
这篇论文组织如下。接下来，我们将更深入地了解天然气工业.特别强调了天然气输气管道系统的主要组成部分，并着重介绍了目前工作重点所在的几个阶段。文中还讨论了天然气运输问题的建模和优化的一些概念。在第三节中，我们讨论了天然气运输和储存优化理论在满足合同需求方面的有效应用。这一节特别讨论了现有的、尽管非常有限的关于输电线沿线天然气的有效运输和短期基础储存的文献，也称为线路包装问题。在第四节中，我们讨论了天然气输送系统中的管道阻力和天然气质量问题。本文所讨论的研究工作都是在管道阻力研究的基础上进行的，也称为管道的最大流量，以及满足天然气质量要求的天然气混合型约束，也称为汇集问题。在第五节中，我们讨论了如何以最小的成本通过管网输送天然气的问题，称为管道优化。结束语和对的主要挑战的讨论载于第六节。
2.背景:网络属性和分类
天然气工业是一个快速发展的基础设施.它为消费者提供了几乎免费的前端天然气供应。通过打开管道系统输送气体的主阀门(水龙头)，最终用户可以使用大量的家用或工业燃气设备。然而，天然气从井口(作为一种原材料)到住宅或企业(作为一种清洁、高效的能源，即我们所知的)的长途输送，需要相当多的复杂任务。这些任务对应于天然气的不同过渡阶段，可分为两大类：
(A)勘探、钻探、开采、生产和长期储存天然气
(B)天然气的收集、短期储存、运输和支流
这类应用遵循了服务可达的关键工具，即管道网络系统。与(A)组不同，(B)组动力学本质上需要各种直径的长管道。
请注意，长期规划问题通常被细分为两个不同的阶段，即：长期规划和扩展计划。第一阶段的重点是在考虑产品质量和不确定性的情况下，设计几十年来成本的网络协作和不确定性，这可能需要通过多场景、多阶段追索权方法来使用随机模型。在此阶段，基础负荷储存能力也可考虑每年的周转率，即在低高峰季节(夏季)输入和在高峰季节(冬季)输出。第二阶段重点研究了成本策略和确定需要改进的网段，同时考虑到现有的网络协商、均衡和给定的负载支持。最后阶段可能会考虑到长期规划的结果。
此外，20世纪爆发了商业巨头占据了从井口到最终用户的天然气的大部分过渡阶段。然而，天然气基础设施的变化要求进行新的升级。目前，世界各地的中小型企业都在改变着天然气工业的格局。与以前的公司不同，这些公司通过将精力集中在天然气的一个或两个过渡阶段来获得天然气。因此，上个世纪以来对天然气行业的垄断控制有所下降。
在本研究中，我们主要关注与天然气运输行业问题相关的工作.特别讨论了天然气管网系统短期稳定期、质量和压缩机燃油成本优化中最相关的工作。因此，我们接下来提供一些关于管道输送天然气的见解。
2.1.天然气管道输送
天然气运输是天然气工业的一项重要活动，天然气必须从一个地方转移到另一个地方。天然气运输可以采用多种运输方式，但众所周知，管道是输送大量天然气的最经济手段。此外，冶金技术和焊接技术的出现，再加上近几十年来世界各地管道网络的指数增长，使得管道输送具有更大的生态吸引力。
目前，在海上和岸上使用管道，在安全和建筑价格方面有显著差异。在海底建造管道系统的成本很高，而且技术要求也很高，远比陆上高得多。例如，与俄罗斯天然气工业股份公司达成协议，北溪(41 In)管道项目预计耗资约148亿欧元，其中40.5%相当于俄罗斯和德国领土上965.7公里长的陆上管道系统，其余的59.5%将用于项目的259.4公里长的离岸部分。因此，当金融、政治或环境问题出现时，天然气运输运营商会寻找不同的替代方案来完成这一任务。这包括晒黑船和平底船，天然气可以作为液化天然气、中等条件液化天然气或压缩天然气运输。关于商业上适用的天然气储存和运输方法的更详细资料见[10-13]。
请注意，天然气网络系统的规模可能因国而异。
例如，在美国，一个大型的天然气网络系统可能会通过数百条管道(加起来达几十万英里)，以及数十个压缩机站沿输电线路战略地分布。然而，从市场的角度来看，这些大型网络通常被划分为子网络，并分配给天然气运营商，这些运营商在帝力温和联合地工作，以满足所有的天然气合同。相反，与美国和俄罗斯相比，比利时的天然气传输网络由相对较少的管道(20-40管道)和压缩机站(4-8)组成。
然而，从天然气管道系统的规模对天然气网络流问题的求解起着重要的作用，正是由于网络拓扑结构的复杂性，例如循环网络比其(枪管和树状)网络拓扑结构更容易求解。目前关于稳态天然气传输网络问题的研究现状可以通过应用网络约简和分解技术或混合启发式算法(见第4节和第5节)来科学地处理大型天然气系统(见第4节和第5节)，然而，这些算法大多没有最优性的保证，这就加强了科研团队对现有方法的改进。
2.2.输气管网组件技术要点
2.2.1. 管道
在运输线路上，基本上有三种主要类型的管道(通常埋在地下)，直径从4英寸到48英寸(100至1220毫米)不等：集散系统、传输系统和配电系统。集输管道系统从生产井收集原始天然气。输气管道系统向世界各地输送数千英里的天然气，将天然气从预处理厂或储存设施输送到配送系统。在社区中可以找到输气管道系统，并向家庭和企业输送天然气。
这些管道系统的主要区别在于它们的物理特性(例如直径、刚度和材料)以及它们的最大和最小上下游压力的值。例如，集输线路是由钢管建造的，而配电线路则可以用钢或现代塑料管建造。集输系统中的流线由狭窄的管道组成，通常埋在地下4英尺处，在大约250 磅的压力下工作。根据环境保护局(EPA)的一项研究，由于甲烷泄漏，流线是天然气工业中最大的排放源之一。与通常在大约200磅至1400 磅的压力下工作的压缩机站所在的传输系统不同，分配系统通常在其容量以下工作，并且出于安全原因在压力约为0.5磅至200 磅的情况下工作。
2.2.2.压缩机站
压缩机站通常由几个串联或平行连接的压缩机单元组成，在天然气工业中起着至关重要的作用。压气机是一种通过减小天然气体积来增加天然气压力的装置，从而提供所需的推进力或助推力，使天然气沿着直线运动
压缩机站作为天然气运输行业的重要资产，在输气线路沿线进行战略布置，为天然气输送提供足够的能量。更准确地说，压缩机站是一个大型的机械设备，在压力从200 磅到600 磅的压力下接收气体，并将其压缩到1000磅到1400 磅。(作为参考，典型的汽车轮胎在每平方英寸30至50磅的压缩空气中工作。)因此，天然气克服了摩擦损失，并保持了所需的压力，以保持通过运输路线，以另一个压缩机站或最终用户。
我们可以在天然气工业中使用几种类型的气体压缩机。最常见的是那些以离心动力运动或往复式正位移为特征的压缩机。后者是一种压缩机，其中压缩元件是在气缸中具有往复运动的活塞。关于选择离心式或往复式压缩机机组的决定需要对操作条件、水力管道研究、排放要求和一般生命周期成本估算进行透彻的分析。此外，管道系统的压力极限和流量特性也影响这一选择。对天然气输送系统中压缩机站的设计和布置感兴趣的读者请参阅Akh
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资料编号：[3217]
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