1、1城镇燃气管网优化设计中的几个问题摘要：在对天然气管网优化问题进行描述和分析的基础上,介绍了自 20 世纪 80 年代以来国内外的研究成果。针对传统优化方法收敛速度慢、易于陷入局部最优解等缺点，建立能够覆盖管网规划，设计和运行管理，开拓新的思路等多阶段的优化模型,将来的研究方向肯定是天然气管网优化问题。 关键词:天然气；管网优化设计；研究 中图分类号： TF526+.4 文献标识码： A 文章编号： 引言 20 世纪中期,一些国家就开始了对天然气管网系统最优化的理论研究与应用探索。初期的研究工作都是在假定一些变量为已知的情况下,求解问题中的部分设计变量，就是对问题的局部进行优化。现针对天然气管
2、网系统最优化研究的典型理论方法进行分析。 一、天然气管网优化设计问题的描述 按照工程项目的循环过程,天然气管网系统的优化包括管网的布置、设计、运行管理以及后期的改革扩建等阶段，所以天然气管网系统的优化是一项复杂的系统工程。管网的优化设计通常是指在管网的布局规划已经确定的条件下,主要解决最优化的管径组合问题,即通过管网的水力计算来确定有关的技术参数,通过优化设计找到价钱最低的设计方案。管2网的优化设计就是要使管网(包括管道和压缩机网络站)的投资建设费用最小化。管网的建设应该要求管道的强度能承受最大的工作压力；进出站气压必须满足条件，可以保证气体在管道中正常流动；需要考虑管道的稳定性，为了防止管道
3、的径向失稳；另外还需要满足设计变量的边界条件等所构成的物理关系。 因此,天然气管网的优化设计问题基本可以归结为:根据管道出现的一系列约束限制条件,以建设管网费用最小为目标函数进行优化计算,得出最优管径组合以及相关的技术参数。 二、天然气管网优化设计方法研究概况 从 20 世纪 60 年代起,一些发达国家就开始了输气管道系统最优化的理论研究和应用,在对输气管道干线研究基础之上,研究人员也开始了对天然气管网优化设计的研究。国内的研究起步比较晚,但发展很快，部分人做了研究并取得了相应的劳动成果。由于管网优化设计被非线性有约束的混合离散设计变量优化问题这个条件制约,所以为了得到快捷的优化结果，就必须要
4、选择合理的优化方法。 1、变尺度法 变尺度法不要求精确一维搜索就有二次截止，对目标函数性质不做太多要求等优良特性，因为变尺度法具有统一的公式，变尺度法已被推广成为控制优化问题的一个求解方式。 集输管网的多目标优化设计中,针对替换模型的特点，将多目标优化问题转化为标量优化问题并给出替换模型,有约束优化问题转为无约束优化问题需要用罚函数,采用变尺度法求解，综合上面的思想对长距离输气3管道的经济模型进行了优化设计，将设计变量(管径)考虑为连续变量,通过罚函数将问题转化为无约束优化问题，用变尺度法对天然气管网系统工艺参数和树枝状天然气管网的优化设计进行了研究。 但是,计算机的存储量会限制其在求解高位问
5、题上，而且需要目标函数具有可导性等因素影响，从而限制了其在优化设计中的应用。 2、复合形法 复合形法不需要跟变尺度法一样需要一维搜索，因此相对于变尺度法就相对适应范围广、编程简单，没有特殊的要求。 建立了管道结构模糊优化模型,求解时将多目标模糊优化模型转为单目标模糊优化模型,采用此方法进行了求解。但是这种方法不能用于解决具有等式约束优化问题、因为收敛速度过慢等缺点，特别是处理混合或离散设计变量优化问题时必须将离散设计变量作为连续变量来处理。现在广泛采用的是基于复合形法为主的混合离散复合形法，在一定程度上解决了这一问题。此方法提出一种约束条件和设计变量比较少的输气管道优化设计新模式,被应用到输油
6、管道优化设计，并采用了 MDCP 法求解，改进的 MDCP 法不仅提高了收敛的速度，还提高了求解的成功率。 3、遗传算法 天然气管网设计参数优化就是要在当管网布置已确定时寻找一组使目标函数最小的管段经济性管径组合,管径选自于标准系列(离散值)。根据天然气管网结构特点,构建了遗传算法中重要的适应度函数,给出了管道编码的方法。 多相流动管网模拟优化计算的模型方程的建立，求解模型方程采用4的是遗传算法，对油田地面集输管网优化计算进行了研究；针对传统优化方法对管网优化模型进行求解时，普遍的方法是先要假设管子的直径是连续变量，同时在求解过程中还可能要对目标函数求导等不好的因素存在，采用遗传算法对城市燃气
7、管网进行了优化设计。但是，遗传算法存在的缺陷就是针对于大型的非线性系统优化的求解，例如局部收敛速度慢、达不到收敛全局最优解等。为了弥补这些缺陷，许多文献尝试了其他算法来配合遗传算法求解优化问题。MontoyaSJ 等用遗传算法与哈迪-克劳斯(Hard-Cross)方法相结合对所建立的天然气管网优化设计模型进行了求解，并且把这种优化技术应用到实际中，结果非常好，管网的建设运行费用减少了很多，这样既可以保证全局最优解，还节省了经济。 收敛速度快需要利用遗传算法的广义简约梯度法和全局的优化，将2 者有机的结合起来，构造出一种混合遗传算法。应用于优化设计新建的环状集水管网，根据收敛速度的提高，证实了这
8、种算法的可行性。但是，还没有完全解决的是遗传算法的全局优化收敛性理论。目前，该领域的研究热点依旧在克服遗传学算法的早熟问题上。 4、启发式算法 启发式算法包括模拟退火、神经网络、禁忌搜索、进化计算和拉格朗日松弛等算法,这些算法涉及到神经系统、生物进化、人工智能等概念,都是倚靠着直观基础而构造的算法。启发式算法具有简单易行、比较直观、速度快、多数情况下程序设计比较简单等优点，尤其是进化计算中遗传算法的推广应用引起了广大设计者的兴趣。目前,进化计算已经广泛应用到工程项目优化设计当中,其中对遗传算法的研究比较集中,主要针对其5早熟收敛等问题。 5、混沌优化 混沌运动具有多样性、遍历性、随机性等特点，
9、但是混沌优化方法的搜索过程按混沌运动自身的规律和特性进行。混沌优化的搜索率高正是因为这三个特点,可以避免优化陷入最优解。其缺点是效果不是很理想。想要解决这个难题,如与线性搜索相结合来解决非线性约束优化问题等。另外,利用混沌算法做到好的效果的典型就是解决遗传算法早熟收敛的问题。 6、其他优化理论和方法 对于天然气管网优化设计这类有非线性约束混合离散变量优化问题,传统的方法无论是将离散变量连续化,还是将连续变量离散化均不易求得最优化的解决。另外,许多方法还存在着对目标函数可导性收敛速度慢、要求比较严格、计算量超大等缺点,使其应用在一定程度上受到了限制。近年来,随着计算机智能优化的计算方法，为优化设
10、计提供了新的方向。 结束语 天然气管网系统优化是一项复杂的系统工程,分级优化所得到的结果只是各级问题的最优解,并不一定能使整个系统达到最优。天然气管网优化设计模型复杂,给求解带来一定困难。天然气管网优化设计问题中设计变量数量和类型多,约束条件复杂。天然气管网优化设计技术还不尽成熟,所以还应不断深入研究优化模型的特点并与多种优化方法相结合,从而不断发展和完善天然气管网优化设计技术。 参考文献： 61白建辉.天然气管网最优化设计概述J.2006(06). 2陈进殿，汪玉春.天然气管网系统最优化研究J.油气储运.2006（02）. 3李卫华.天然气管网系统设计优化研究J.2012（03）. 4王鑫.城镇天然气管网优化设计研究J.2010（05）. 5王同华,王磊,张春波,卢守卫.燃气管网设计中的模拟与优化研究进展J.城市燃气.2005.
