英语原文共 15 页
摘 要
天然气通常通过由三个独立管网组成的管道基础设施从生产区域传输到消费区域，即传输，输送和分配。传输管网在主要消耗区域附近输送高压气体，输送和分配管网通过城市门站（CGS）和城市基站（TBS）分两阶段降低气体压力，然后将其输送给消费者。城市燃气管网由传输和分配网络组成。本研究提出了城市燃气管网拓扑设计的数学模型。该模型确定具有最低可能成本的管网的TBS的拓扑和容量。针对小管网问题提出了一种算法，以获得管网管道的直径，同时考虑到燃气管网的压力和速度限制。此外，提出了一种混合蚁群算法来解决大管网问题。最后，在案例研究中确定了所提出的模型和提出的算法的可用性。
关键词：城镇燃气管网；燃气分配管网；燃气运输管网；最优化；城市门站；城镇基站；蚁群优化
绪论
天然气占世界能源消耗的很大一部分。在欧洲，能源消耗的比例约为25％，并通过一个超过10万公里的管网向消费者提供。此外，世界上的天然气消费量为直到2030年，清洁燃料预计将以2.4％的年增长率增长。这些事实证明了研究该行业各个方面的重要性。它解释了天然气管网的整个过程，包括供应，运输，储存，和销售和营销。在所有各种天然气运输模型中，本研究涉及通过管道基础设施的运输，分为输电，供电和分配网络。在天然气输送管网中，气体通过主要管道从生产站到消耗区域以高压（2400-9600kPa）传输，并且由于消耗和摩擦而产生的压降由消费者在前往消费者的途中补偿。在城市附近的城市门站（CGS），压力降至约1700 kPa。从CGS起飞的分支机构将天然气输送到城镇站（TBS），通常位于城市周围。将CGS连接到TBS的管道称为运输管网。该管网内的压力通常在1000至1700kPa之间.TBS进一步将气体压力降低至400kPa，然后通过形成分配管网的管道将其输送至最终消费者。该管网中的压力通常为275至400kPa。从CGS开始到终端消费者结束的管网被称为城市燃气管网，由供电和配电管网组成。
文献综述
鉴于该主题的范围，迄今为止已对燃气管网进行了许多研究。 Pfetsch等人（2015）和Hamedi等人(2011）已经完成了大量相关研究。由于传输管网的构建非常昂贵，许多这些研究都集中在这种管网上，并且已经开发了各种确定性，启发式和元启发式方法。例如，Riacute;os-Mercado等人（2006）提出了一种启发式方法用于最小化动态规划的环状传输管网中使用的压缩机的燃料消耗.Hamedi等人（2009）假设天然气管网为六级分层结构，为他们提出了混合整数非线性规划模型，并提出了分阶段工作的解决方案;在一个案例研究中评估了他们的模型的功效。 Chebouba等人（2009）还提出了一种数学模型，用于最小化传输网络中压缩机的燃料消耗，并使用元启发式蚁群优化（ACO）方法求解该模型。然后将他们的方法与梯度搜索和动态规划方法进行比较，显示出良好的结果。戴维森等人 （1993）认为分布问题属于非确定多项式时间完备（NP-complete）问题的类别，并通过计算气体压力和速度开发了一个模糊的乡村天然气管网设计决策模型，以及假设气体管网有一棵树的结构。
Cross技术是解决分配管网问题的最古老的技术之一，这种数值计算技术可以计算用于燃气和水管网设计的环状网络中的流量和压力。一些研究使用了这种技术或改进了它。 例如，Manojlovic等人（1994）提出了一种改进的Cross技术，其中在多次迭代中选择管网的直径，直到满足气体速度约束。 Brkic（2009）开发了用于环状空间分布管网的Cross算法。 de Meacute;loDuarteetal（2006）使用禁止的搜索算法进行分配网络，其中从所有商业管道直径中选择管道直径以满足压力约束，然后作者通过一个遗传算法和另外两个禁止的搜索算法获得的结果进行比较。
Wu等人（2007）提出了一个分布管网的数学模型，并使用全局优化方法对其进行求解，其中管道直径选自所有商业上可用的管道直径用来减少管网的费用，然后作者研究了两个样本管网模型的有效性。 El-Mahdy等人（2010）提出了一种数学模型，其类似于之前两项研究中提出的用于从可用直径范围中选择管道直径的数学模型，然后通过遗传算法求解该模型，并在案例研究中检验该算法的性能。 Mohajeri等人（2012b）使用ACO技术解决分销管网问题。 Mohajeri等人（2012a）将最小生成树（MST）技术应用于气体分配管网的设计，后两项研究没有考虑气体压力和速度限制。
问题陈述
举个例子，不同的设计可以被用来将气体供应到四个消耗区域（消耗区域，简称，一个区域包括一个或多个家庭，工业或商业燃气消费者，并且也指消耗区域或消耗节点），节点1-4，通过两个TBS，节点5和6，连接到CGS，节点7.图1显示了四个这样的方案，实际上是以CGS，TBS或消费者为节点的树形管网，以及管道以不同直径作为分支。在图形中，消耗区域用圆圈表示，TBS用三角形表示，CGS用长方形表示，粗线表示直径较大的管道。这里，术语arc也用于命名两个节点之间的连接，这实际上是一个管道。稍后，将在“数值结果”部分中检查该管网。
城市燃气管网本质上是一个定向管网。气体只能从CGS流向TBS，然后从TBS流向消费者，而不相反。在设计配送管网时，气流的方向可以是任何消费者到任何其他消费者。例如，在图1（a）中，流动方向是从消费者2到消费者4，但在图1中（ b），流动方向是从消费者4到消费者2.此外，在输送管网中，流动方向可以是从任何TBS到任何其他TBS。图1（c和d）显示了TBS之间的相反流动方向;但是，在任何特定管网中，流动方向在两个节点之间保持不变，并且不随时间变化。
建造天然气管网的总成本包括由于采购和安装管道而产生的成本。通常，管道安装成本与管道长度具有直接和线性关系，因此可以将采购和安装成本组合在一起，仅产生每单位长度的单个成本。构建管网的另一个主要成本是TBS的采购和安装成本，它们也可以组合在一起，另一个成本仍然与TBS的位置有关，由于城镇地区对TBS的安装施加了限制，在从预定义的候选地点列表中选择位置以最大限度地降低网络的总体成本时，还应考虑安装TBS并获得项目其他人员同意的土地购置成本。
研究方法和对象
与目前研究中仅关注输送管网的研究不同，在目前的研究中，分配和输送管网同时被考虑。实际上，作者的目的是针对现有研究，开发一种全面的城市燃气管网设计方法。与一些寻求优化现有天然气分销管网的研究不同，作者打算通过确定管网的主体和主要部件尺寸和容量来获得最便宜的城市燃气管网，包括管道直径和TBS容量。组件的尺寸和容量选自商业上可用的组件。
这项工作的其余部分安排如下。首先，讨论了有关气体管网设计的考虑以及满足最小气压和最大气体速度限制的必要性。然后，提出了针对小型管网问题的解决方案，介绍了一种使用模型的数学模型和算法。接下来，为了解决大型管网问题，提出了一种用于设计管网拓扑的ACO算法和一种将ACO算法与精确局部搜索相结合的混合算法。讨论了两种算法的验证，一节专门用于数值结果，包括用于比较算法的示例。最后，提出了一个案例研究，并给出了总结性评价。
管网设计注意事项
在燃气管网的设计中考虑以下事项：
- 基尔霍夫的现行法则保留在管网节点中。
- 不能使用任意尺寸的管道直径（因为商业出售的管道具有指定的直径）。
- 管道直径按降序使用，因此流量从较大直径的管道引导至具有相同或较小直径的管道，而不是相反（Wu等人，2007年）.市场上TBS的选择有限，因为TBS是以特定的容量生产的。
- 管道水平安装在同一水平面上，以便管道的两端具有相同的高度。
- 管网不包含活动元素比如压缩机。
- 在管网中假设稳态流; 也就是说，压力和速度不随时间而变化。
气体压力和速度约束
除了供应消费者所需的气体之外，在气体管网的设计中还应考虑管道中的最小可接受气体压力和最大允许气体速度。在分配管网中，对于消费者而言，最小可接受气压为275.6kPa，对于TBS的正常功能，最小可接受气压为1033.5kPa，相当于376.6和1134.5kPa（绝对值），个别的，最大平均气体速度不应该超过20m / s。 压力是使用一般流动方程计算的，尽管其他方程也可能用于此目的，包括气体技术研究所（IGT），Weymouth，Spitzglass，Panhandle A和Panhandle B方程（Menon 2005）。在这种情况下，简化的IGT用于燃气管网的设计。
气体速度可用下列简化后的方程计算：
小型管网问题的解决方法
在这里，提出了一种数学规划模型并且用于开发一种解决小型管网问题的算法。
数学模型
在该模型中，在每个分配和输送管网中使用二进制变量以示出在节点i和j之间以及每个TBS候选者之间具有直径p的管道。 连续变量用于显示任意两个节点之间的流速，“表示法”部分提供了参数和变量。
模型描述
使用二元和连续变量给出了具有线性和非线性约束的数学规划模型，目的是最小化城市总体燃气管网安装成本。
目标函数
该问题的目标函数包括四个陈述，分别表示分配和输送管网的成本，TBS位置的选择以及TBS的安装。
拓扑约束
约束公式（5）-（16）属于网络拓扑的设计。管网中的每两个给定节点与不超过一个管道连接。因此，此限制应适用于分配和输送管网。约束公式（5）显示了分配管网的这种限制。在两个管网中都应该考虑管道直径的降序。约束公式（6）在分配管网中显示了这一点。约束公式（7）表示分配管网中的每个TBS节点可以连接到只有一种类型的管道和约束公式的区域。（8）表明每个TBS节点可以连接到只有一种类型的管道的CGS节点。约束公式（9）显示每一个区域应该只有一个入口，它可以从另一个TBS或区域分支。约束公式（10）表明当TBS与区域或另一个 TBS之间存在连接管时，前一个TBS应具有可从另一个TBS或CGS分支的入口。 约束公式（11）表明，分布式管网中节点之间的管网弧或管道的数量与管网中的区域数量完全相同，并且公式（12）表明输送管网中的弧数等于活动TBS的数量。约束公式（13）表明不能将多于一个TBS分配给候选位置。约束公式（14）表明分配给候选位置的TBS应至少有一个管道作为其入口。约束公式（15）和（16）具有类似的限制，也就是说，应该在分配管网中选择至少一个TBS，并且在输送管网中，应该选择CGS。
流动约束
约束公式（17）-（23）与管网气体流量有关。约束公式（17）表达适用于消费节点的基尔霍夫定律，表明进入任何区域的天然气量等于区域消耗量和离开该区域的天然气总量。约束公式（18）对TBS应用相同的规则，并且表明离开每个TBS用于供应分配管网的气体加上用于供应其他TBS的气体等于进入该TBS的气体。这种进入的气体由TBS或CGS提供。约束公式（19）确保从候选TBS位置到消费节点的总供给量不能超过可以安装在该位置的最大TBS容量。应该连接管网中具有气流的任何两个节点。约束公式（20）显示了这对于分配管网。约束公式（21）表明，安装在候选位置的TBS的容量必须大于所有消费节点中的总消耗率.约束公式（22）确保如果存在从一个候选TBS位置到消费节点的流动，则应该为该位置选择一种类型的TBS。约束公式（23）表明候选TBS的总气体输出必须小于或等于安装的TBS的容量。
解决小型管网问题的算法
可以通过求解所提出的数学模型来确定管网的拓扑和管网中使用的TBS的容量。这里，提出了算法1来解决小型管网问题。该算法确定管道的直径，使用GAMS（版本24.3.3）和MATLAB（版本R2014b）实现。用MATLAB编写的程序调用GAMS来解决模型，然后将得到的结果作为输入MATLAB给出，并使用公式（1）-（3）来计算气体压力和速度。
如果满足消费者[376.6 kPa（abs）]和TBS [1,134.5 kPa（abs）]的最小可接受气体压力和最大平均气体速度（20m/s）约束
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
