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天然气运输系统优化问题——文献综述
摘要
本文回顾了通过管道系统解决天然气运输问题的最紧密相关的研究工作。文献揭示了三大类天然气管道系统，即采集、传输和分配系统。在这项工作中，我们主要详细讨论了优化天然气输送线路所做出的努力。
在过去的几年里，对天然气工业中的许多决策问题，特别是在管网优化方面进行了大量的研究。在这项工作中，我们提出了一项关于特定类别的最近的研究现状调查，其中包括短期基础储存（包装问题），气体质量满意度（池化问题）和压缩机站建模（燃料成本最小化问题）。我们讨论了稳态和瞬态优化模型，突出了建模方面以及迄今为止已知的最相关的解决方案。
尽管有关天然气输送系统问题的文献相当广泛，但据我们所知，这是从运营研究的角度，对天然气输送这一特定研究领域进行的第一次全面审查或调查。本文包括了对本领域最重要和最有前途的研究领域的讨论。因此，本文可以作为一个有用的工具，以深入了解许多现实生活应用的演变，以及由决策问题这个令人兴奋、具有挑战性的研究领域，所产生的解决方法方面的最新进展。
关键词：行动调查; 天然气; 管道优化; 传输系统; 非线性规划; 混合整数线性规划; 混合整数非线性规划; 稳态模型; 瞬态模型; 行包装问题; 合并问题; 燃料成本最小化问题。
- 介绍
天然气被认为是未来的重要能源，其丰度与环境的适配性以及所有部门的多种应用相结合，意味着天然气将在许多国家满足能源需求方面，继续发挥越来越重要的作用。
虽然短期因素可能对天然气的需求产生显著影响，但长期需求因素反映了未来天然气使用的基本趋势。
为了分析那些影响天然气长期需求的因素，按部门审查天然气需求是最有效的。三个最重要的部门审查是：住宅和商业需求、工业需求和发电需求。
住宅和商业：根据美国能源信息署（EIA）的资料，例如美国住宅和商业部门的能源需求预计将在2009年至2035年间增长6％。住宅部门的天然气消费量占美国消费总量的21％。
未来的住宅供热应用，可能是住宅领域天然气需求的最重要的长期驱动因素。从1991年到1999年，66％的新房和57％的多户住宅建筑使用天然气加热。2010年，54％的新建单户住宅使用天然气。预计未来20年使用天然气取暖的新住房数量的增加，预计会为居民
天然气需求提供强劲的推动力（见图1）。
图1：2000 - 2007年采暖燃料新房（来源：EIA - 美国天然气市场：2008年天然气供应中期展望）
关于商业部门的能源需求，EIA预计到2035年以年均1.1％的速度增长。商业地板面积预计将在同期以每年1.2％的速度增长，所以商业地板面积的单位面积能源需求实际上预计每年会下降0.1％，这反映了能源效率的提高。目前天然气供应商业部门消耗的能源的15％，并将在2035年实现。
工业：EIA预测，到2035年，工业能源需求将以每年平均0.9％的速度增长。这个估计值代表了能源密集型制造业（预计会下降），以及非能源密集型制造业（预计会增长）的能源需求。工业需求占天然气需求量的27％。塑造工业领域天然气需求的主要动力，是远离能源密集型制造工艺。这种转变背后有两个驱动力：工业部门使用的设备和工艺的能源效率提高，以及转向生产需要较少能源投入的商品。预计这种趋势将持续下去，并且是工业部门能源需求适度增长的原因。
发电：环境影响评估预测到2035年每年平均增长1％。为了满足这种不断增长的需求，EIA预测到2035年需要223千兆瓦的新发电量。由于建设天然气 - 燃烧联合循环发电厂的资本要求相对较低，并且减少了使用天然气而不是其他化石燃料所能获得的排放量，EIA预计到2035年，新发电量的60％由天然气联合循环或燃气轮机发电。尽管2002年天然气发电量占全部发电量的16％，但EIA预测其在2035年将占全部发电量的24％。除了天然气驱动的中央电站发电需求增加之外，分布式发电（如针对住宅，商业和工业部门所讨论的）可能有助于未来增加天然气用于发电目的的需求。
EIA在其2011年度能源展望中预测，到2035年，美国的天然气需求可能达到26.55万亿立方英尺（Tcf）。这比2009年的需求水平增加了16％。相比之下，到2035年，能源消费总量预计将增长20％（从94.79万亿英热单位到114.19）。EIA预测未来26年每年的能源需求将增长0.7％。
在国际舞台上，天然气需求、产量和储量评估预计未来几十年将持续增长。根据EIA在其2011年国际能源展望中提供的全球预测，到2035年，天然气消费每年平均增长1.6％。用于产生这些预测的模型基于宏观经济假设，并服从经济合作与发展组织成员国（经合组织）和非成员国（非经合组织）。经合组织国家分为三个小组：经合组织美洲（美国，加拿大和墨西哥/智利），经合组织欧洲和经合组织亚洲（日本，韩国和澳大利亚/新西兰）。非经合组织国家分为五个区域小组：非经合组织欧洲和欧亚大陆（包括俄罗斯）; 非OECD亚洲（包括中国和印度）; 中东; 非洲; 和中南美洲（其中包括巴西）。图2显示了经合组织和非经合组织成员的天然气消费量的全球预测。结果表明，天然气消费增长主要集中在非经合组织
国家，占全球天然气消费总量的76％。
图2：经合组织和非经合组织成员到2035年世界天然气消费量的年度预测值（来源：“石油天然气”杂志和环境影响评估报告）
图3：按用途部门和燃料计算的世界能源消耗量（资料来源：环境影响评估 - 国际能源统计数据库，2011年3月）
图3显示了最终用途部门的能源消耗和到2035年的燃料的世界预测。图4分别显示了电力部门的预测，并增加了核电预测。数据显示，大部分天然气消费集中在工业和电力行业，占世界天然气消费总量的87％。数据表明，与其他碳氢燃料相比，到2035年天然气仍然是首选燃料。工业和电力行业的天然气消费量年均增长率分别为1.7％和2.0％。
图4：电力行业的世界能源消耗量预测（来源：EIA - 国际能源统计数据库，2011年3月）
诸如温室气体排放量低和资本成本相对较低等因素，使得天然气在大多数行业和其他能源中具有竞争力，尤其是对于新的发电设施。此外，全球天然气市场储量水平预测到2035年持续增长。图5显示了按地理区域划分的天然气储量的全球预测。图中欧亚和中东地区的比例最高，截至2011年1月，四个非经合组织中东重要生产国，即卡塔尔、伊朗、沙特阿拉伯和阿拉伯联合酋长国，共计有40多个国家已探明世界天然气储量的百分比。
关于世界天然气产量的估算，经合组织和非经合组织国家分别显示，到2035年每年平均增长率为0.9％和2.0％（见图6-7）。非经合组织国家的预测值还表明，产量增长占世界天然气总产量增长的81％以上，超过了其自身预计的消费增长率。因此，经合组织国家的出口贸易也预计到2035年增长。
在经合组织分组中，尽管挪威天然气产量预计增加84％，但欧洲经合组织的预测将下降，从2008年的10.6万亿立方英尺下降到2035年的8.3万亿英尺。经合组织亚洲地区在经合组织地区天然气产量增长之中最为强劲，平均每年4.5％。
在非经合组织分组中，中东项目的天然气产量增幅最大，同时其价值从2008年的13.5万亿立方英尺增加到2035年的28.8万亿立方英尺。
图5：按地理区域预测的世界天然气储量（兆亿立方英尺） - 来源：“石油与天然气杂志”和EIA
欧洲和欧亚大陆的天然气产量也极速增长，从2008年到2035年的增长率为32％，其中俄罗斯是占主导地位的天然气生产国，占产量预测的75％以上。有兴趣详细分析天然气需求，产量和储量的全球趋势的读者可参考[122]。
图6：经合组织分组预测的世界天然气产量（兆亿立方英尺）
需要指出的是，随着气候变化立法对清洁天然气等低碳燃料的需求增长，预计全球天然气需求、生产和储量水平稳步攀升。尽管不同联邦机构对天然气全球趋势的预测可能会有所不同，但其中一个结果是各研究报告反复出现的：天然气消费量、产量和储量在可预见的未来将继续增加。
以下几个阶段涉及将天然气排出地面并驱动到最终目的地的过程。
图7：非经合组织分组预测的世界天然气产量（兆亿立方英尺）
勘探：在这个阶段，解决了天然气如何被发现以及公司如何决定在哪里钻井的问题。
提取：这个阶段处理钻井过程，以及天然气是如何从地下储层带到地面的。
生产：在这个阶段，天然气的加工一次从地下带出。
运输：在这个阶段，天然气通过管道网络从加工厂运送到当地分销公司。
储存：这个阶段是天然气的储存。
分布：在这个阶段，天然气从主要管道输送到最终用户。
营销：这一阶段涉及天然气营销商的购买/销售活动。
天然气从生产地区到消费地区的有效行和有效的流动，需要一个广泛和精细的运输系统。在许多情况下，从特定井产生的天然气必须经过很长的距离才能达到使用的目的地。天然气运输系统由复杂的管道网络组成，旨在快速有效地将天然气从其原产地运输到高天然气需求地区。天然气的运输与其储存密切相关：如果运输的天然气不是马上需要的，可以在需要时将其储存在储存设施中。
沿着运输路线有三种主要类型的管道：集合系统、州际管道系统和分配系统。该收集系统由低压直径小管道组成，可将原始天然气从井口输送至加工厂。如果特定井中的天然气含硫量和二氧化碳含量较高（酸性气体），则必须安装专门的酸性气体集气管。酸性气体具有腐蚀性，因此必须谨慎从井口运输到甜味剂工厂。过去40年，运筹学领域在天然气工业中发挥了重要作用，在设计、开采、生产、运输、储存、分配和销售方面的许多重要和相关问题，已通过OR模型和技术成功解决。郑等人最近对天然气工业中的优化模型进行了调查，同时关注三个特定方面：生产、运输和市场。作者基本上讨论了一个潜在问题的数学公式，并提供了解决它的现有优化技术的文献修订。他们的研究涵盖了六个一般问题，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受监管和放松管制的市场问题。我们在本文中的目标，是从运营研究的角度讨论天然气运输行业中最相关的研究工作。本文涵盖了天然气运输行业在优化其传输系统时提出的三个特定优化领域的工作。这涉及短期基础储存，管道阻力和气体质量满意度，以及通过管道传输网络的燃料成本最小化方面的问题。
本文结构安排如下。我们接下来会对天然气行业进行更深入的了解。特别是，我们强调了天然气输送管道系统的主要组成部分，并强调了定义目前工作重点阶段。本文也讨论了关于天然气运输问题建模和优化的一些概念。在第3节中，我们讨论了优化理论在天然气运输和储存方面对合约需求满意度的有效应用。本节特别讨论了关于天然气沿输电线路的有效运输和短期基础储存的现有问题，也被称为生产线包装问题。在第4节中，我们讨论天然气运输系统中的管道阻力和气体质量问题。这里讨论的研究工作是基于管道阻力研究，包括管道中的最大流量，以及满足气体质量要求的气体混合型约束，也称为池化问题。在第5节中，我们讨论如何以最低成本通过管道网络输送天然气，这被称为管道优化。第6部分介绍了该领域主要挑战的最终评论和讨论。
2背景：网络属性和分类
天然气工业是一个快速增长的基础设施。它为消费者提供了几乎免费前端的天然气通道。通过简单地打开用于从管道系统输送气体的主阀（抽头），最终用户可以使用各种家用或工业用燃气器具。尽管如此，天然气从井口（作为原材料）到达住宅或企业（作为清洁和有效的能源来源，即我们所知道的，参见图8）的漫长旅程需要相当多的数量复杂的任务。这些任务对应于天然气的不同过渡阶段，可以分为两大类：
- 天然气的勘探，钻探，开采，生产和长期储存。
- 收集，短期储存，运输和分销天然气。
这种分类服从服务所用的关键工具，即管网系统。与（a）组不同，对于组（b）动态，基本上需要各种直径的长管道。
图8：天然气。
此外，20世纪，商业巨头的爆发，捕获了天然气从井口到最终用户的大部分过渡阶段。然而，天然气基础设施的不断变化的性质要求新的升级。如今，中小型公司正在改变全球的天然气工业。与以前的公司不同，这些公司通过把它们的工作重点放在天然气的一个或两个特定的过渡阶段上而获得利润。因此，上个世纪对天然气工业的垄断控制在一定程度上正在下降。
在这项研究中，我们主要关注与天然气运输行业问题有关的工作。特别是，我们讨论了处理天然气管网系统的短期存储，质量和压缩机燃料成本的优化领域中最相关的工作。因此，我们接下来提供一些管道天然气运输的见解。
2.1通过管道输送天然气
天然气运输是天然气工业的关键活动，天然气必须从一个地方转移到另一个地方。有几种运输工具可能用于运输天然气，但众所周知，管道是运输大量天然气的最经济的方式。此外，随着冶金改进和焊接技术的出现，加上全球管道网络在过去几十年的指数增长，使得通过管道的天然气运输更具经济吸引力。
目前，管道在岸上和岸上都有使用，在安全和建筑价格方面有显着差异。 在海底建造管道系统成本高昂且技术要求高，远远超过陆上。例如，根据俄罗斯天然气工业公司，北溪（41英寸）管道项目预计耗资约148亿欧元，其中40.5％对应于俄罗斯和德国领土上965.7公里长的岸上管道系统，而剩下的59.5％注定是项目259.4公里长的岸上管道系统。因此，当财政，政治或环境问题出现时，天然气运输经营者会寻求不同的替代方案来完成这项任务。这包括油轮和浮船，天然气可以作为LNG（液化天然气），MLG（中等程度液化天然气）或CNG（压缩天然气）运输
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