运筹学在天然气管网气源调度中的运用和分析

白金峰

摘要：天然气在经济社会发展中应用较为广泛，为实现天然气稳定、高效的运输，需要对天然气管网气源进行合理的调度。运筹学在天然气管网气源调度中能够发挥其积极的意义，因此，本文从运筹学含义出发，对天然气管网计划调度系统进行深入分析，以某天然气管网气源的调度为例，旨在为降低天然气的运营成本提供参考依据。

关键词：运筹学；天然气；管网气源调度

引言：运筹学作为管理科学，能够通过建立模型的方式，对气源调度进行科学安排，有利于提高资源的利用效率。天然气在输送过程中为有效降低成本、避免资源浪费，将运筹学应用到管网气源调度中，进一步推动行业的可持续发展。

1运筹学含义

运筹学在发展过程中主要经历了以下5个阶段的发展变化：第一阶段，通过构建所要解决问题的数学模型，使得实际的问题转化为运筹学问题。第二阶段，通过仔细的分析，找到问题的最优解的过程。第三阶段，对问题求解进行算法的设计，同时，对其性能进行合理分析。第四阶段，对算法进行相应的编程后，对模拟数值的结果进行有效的分析。第五阶段，对模型以及解法的有效性进行科学、合理的判断后，进而提出相应的解决办法并提出相应的方案。运筹学分为模型、理论以及算法3个部分。运筹学在解决实际问题上具有积极的作用，解决问题的主要步骤有：确定目标、制定相关方案、制定模型和方法。作为基础理论中不可或缺的方法和工具，应用较为广泛，在新时代的背景下发挥着重要的积极作用。

2天然气管网计划调度系统分析

2.1系统结构组成

监控中心、网络通信、传感器共同组成了天然气管网计划调度系统，可将其划分为现场监测、监控中心以及网络通信层三个部分。监控中心层主要是保证网络和监测站点之间建立相应的联系，从而实时获得管网的运行数据。对获取数据进行分析与处理后，形成相应的报表系统，从而实现对天然气管网集输和调配提供相应的数据的目的，现场监测层是指借助现场监测仪表实现对天然气管网的运行数据进行监测，及时将监测到的数据发送到监控中心层进行分析并处理，从而确保监测站点的数据采集工作能够独立完成，实现闭环控制功能。网络通信层则是指依据不同的网络规模，为保证数据的顺利传输所搭建的安全、稳定的通道。网络通信层由广域和局域两个部分组成。

2.2系统管理软件功能

通常情况下，天然气管网结构复杂，增加了人工管理调度的难度。因此，需要利用管理软件实现管网调度的科学合理安排。主要包括采集、处理和分析天然气管网运行的压力和流量。较为直接的显示天然气管网的运行状态的同时，显示监测站点的动态数据，方便操作人员对管网的整体运行进行全方位的了解和掌握。采集实时的动态信息，实现数据的查询、归档以及管理，通过列表的方式对监测站点数据进行有效监控。采集和处理天然气管网运行历史数据，为实际工作提供相应的数据支持。借助不同颜色对天然气管网运行高、低压力进行有效监测。

2.3系统保护功能

系统的保护主要分为以下三个方面：第一，接地保护。为防止调度管理系统受到雷电等自然因素的影响，应对电气和自控等设备进行相应的接地措施，并保持电阻在一定的范围之内。第二，浪涌保护。为使浪涌影响控制处于合理范围内，应在电源的接口位置进行相应的保护，并确保保护措施具有一定的抗浪涌能力。第三，防爆需求。在人员值守的位置，应将电器设备放置在非防爆位置^[1]。

3运筹学在天然气管网气源调度中的应用

3.1工程概况

以某燃气公司天然气管网工程项目为例。该燃气公司拥有两座天然气的供应站，利用天然气管道能够实现为周围三座城市提供管道天然气，三座城市分别为Q1、Q2、Q3，其中，三座城市Q1、Q2、Q3的天然气需求量为两百八十万立方米、三百二十万立方米以及三百万立方米。两座天然气供应站的最大供应值为四百万立方米和四百二十万立方米。由于三座城市的天然气总需求量为九百万立方米，已超过气源供气的总体供应能力，天然气出现供不应求的局面。因此，燃气公司决定进行更改供气方式，对实际市场进行调查研究后得出如下供气方式：城市1为不可中断的用户，因此，需要确保城市1进行不间断的输送天然气，满足用户需求。城市2的供气量高于三百万立方米，确保城市基本需求。城市3的年供气量需高于两百六十万立方米。依据燃气公司的初步预算，天然气供应站以及单位供气成本如表1所示。

表 1 三座城市供应量、需求量以及单位供气成本

天然气供应站	城市1	城市2	城市3	供应量
供应站1	16	20	22	400
供应站2	20	22	18	420
燃气需求量	280	320	300	-

3.2问题解决

依据表1以及实际工程需求，求解两座供应站在供气量无剩余的状态下，最低天然气的输送成本调度方案。

3.3解决过程

依据工程情况，建立相关线形模型，从而获得最佳的调度方案，解决上述问题。依据题意，可设X_ar代表第a个天然气供应站向第r个城市输送天然气量，得到相关的最低输送成本函数：Minf=16X₁₂+20X₁₃+22X₁₄+20X₁₅+22X₂₀+18X₂₁。相关限制条件分别为：城市1的限制约束条件为280≤X12+X₁₄≤300，城市2的限制约束条件为X₁₃+X₁₅=260，城市2的限制约束条件为280≤X₁₄+X20≤310。两座天然气供应站的限制约束条件为，天然气供应站1的限制约束条件为：X₁₂+X₁₃+X₁₄≤400。天然气供应站2的约束限制条件为：X₁₅+X₂₀+X₂₁≤420。依据题目要求，天然气供应无剩余，表示供应站的输气量在三座城市全部输送完备的限制约束条件为：X₁₂+X₁₃+X₁₄+X₁₅+X₂₀+X₂₁≥420+400。将以上限制约束条件全部输入到编程程序中，可以得到相关的变量并进行求解，得出三座城市的天然气输送量为：X₁₂、X₁₃、X₁₄，X₁₅、X₂₀、X₂₁。则每一座城市实际获得的天然气供应量为：城市1=X12+X15，城市2=X₁₃+X₂₀，城市3=X₁₄+X₂₁。

3.4结论分析

通过某燃气公司天然气管网工程项目的案例，可以得出：运筹学的相关原理应用于工程管理实践中，能够有效的通过对实际问题的分析和整理后，将其建立成相应的数学模型，再借助数学的解题方式对实际数据进行定量化的分析和比较，从而获得相应的数据，满足人力、物力以及财力等物资调配的最佳调度方案。在项目的应用过程中，可以将其步骤分为：目标的确认、问题的分析以及模型的选择。再借助相关的数据参数与模型相结合，通过科学、合理的方式求出最优解，有利于项目管理效率的提高、实现最大化的经济效益。在上述案例燃气调度方案中应用运筹学原理，能够有效的解决三座城市对天然气的需求问题，同时将三座城市之间的天然气供气管线的流量进行精确的计算，满足不同城市的需求基础上，使得管径最小化，对降低成本具有积极的意义^[2]。

结论：总而言之，运筹学在天然气管网调度中的有效应用，有助于解决天然气供应站与城市输气量间分配的问题，保证供应站和城市间供气管线的流量。对管线投资的科学化、合理化投资做出重要贡献，从而有效降低工程成本。

参考文献：

[1]郭琎.天然气管网设施独立开放的国内外实践与启示[J].宏观经济管理,2021(06):26-33.

[2]梁术清,王俊.基于压力能的天然气管网智能控制系统研究[J].自动化应用,2021(01):19-20+24.