一种流体管网系统的流体参数优化配置方法及管网系统
技术领域
本发明涉及一种管网运行领域，特别是关于一种流体管网系统的流体参数优化配置方法及管网系统。
背景技术
海上平台以海上油气水处理为主，配置相应的工艺处理设施。与陆地上不同，海上油气田未经处理的天然气并不能满足用户使用或运输的要求，需要经过压缩、脱水等一系列处理后，方能成为合格的天然气，一部分用于平台上生产，其余通过长距离的海底管线输送到陆地终端。
目前，国内外对陆上管网运行优化的研究已经比较成熟，其中动态规划法(Dynamic Programming，DP)是比较经典的最优化方法。但是，随着输气管网的规模不断扩大，基于贝尔曼最优性原理的动态规划算法会因枚举的离散可行解越多，求解过程中“维数灾”问题日益突出，计算效率会大幅下降。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种流体管网系统的流体参数优化配置方法及管网系统，其能在减少可行解维数的同时提高了计算效率。并可以简单有效地对管网系统中的流体参数进行有效配置。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种流体管网系统的流体参数优化配置方法，所述流体管网系统包括输入节点、中间节点和输出节点，所述方法包括：根据所述管网系统的输出节点的流体参数，计算所述输出节点的前一级中间节点的输出端流体参数，其中所述输出节点的所述前一级中间节点的输出端与所述输出节点直接连通；从与所述输出节点直接连通的中间节点至与所述输入节点直接连通的中间节点，根据所述中间节点的输出端的流体参数以及所述中间节点的管网参数，计算所述中间节点的输入端的流体参数以及所述中间节点的前一级中间节点的输出端的流体参数，其中，所述中间节点的所述前一级中间节点的输出端与所述中间节点直接连通。
进一步，所述流体参数包括流体的压强。
进一步，还包括：根据所述中间节点的设备参数、所述中间节点的前一级输入节点的设备参数和/或所述前一级中间节点的管网参数计算所述中间节点的管网参数。
进一步，从与所述输出节点直接连通的中间节点至与输入节点直接连通的中间节点，根据所述中间节点的输出端的流体参数、所述中间节点的设备参数以及所述中间节点的管网参数，计算所述中间节点的输入端的流体参数以及所述中间节点的前级节点的输出端的流体参数，包括：根据预定的离散值计算所述中间节点的输入端的流体参数。
进一步，从与所述输出节点直接连通的中间节点至与输入节点直接连通的中间节点，根据所述中间节点的输出端的流体参数、所述中间节点的设备参数以及所述中间节点的管网参数，计算所述中间节点的输入端的流体参数以及所述中间节点的前级节点的输出端的流体参数，包括：根据最小能量消耗原则计算所述中间节点的输入端的流体参数。
进一步，所述管网系统中至少一个节点包括第一级压缩机和第二级压缩机，所述第二级压缩机的输出端与所述第一级压缩机的输入端连接，所述方法包括：
根据所述节点的输出端的流体参数计算所述第一级压缩机的配置和所述第一级压缩机的输入端流体参数；
根据所述第一级压缩机的输入端的流体参数计算所述第二级压缩机的配置和所述第二级压缩机的输入端流体参数。
一种流体参数优化配置的流体管网系统，其包括：多个节点；流体参数优化配置单元，与所述多个节点连接，在所述流体参数优化配置单元中预设有流体参数优化配置程序，当所述流体参数优化配置程序被执行时，流体参数优化配置单元执行上述的方法。
进一步，所述多个节点包括生产站节点和加压站节点。
进一步，所述多个节点中的至少一个节点包括：
第一级压缩机；
第二级压缩机，其输出端与所述第一级压缩机连接。
进一步，所述管网系统应用于海上平台的天然气传输。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明根据海上平台特点，跳出了动态规划算法对所求问题的序列要求，将若干有连接关系的元件合并，用一个虚拟混合元件替代，虚拟元件的特性与其所替换元件组合的最优特性一致。元件替换后原有模型满足了“顺序”特性，从而继续使用动态规划算法求解，减少可行解维数的同时提高了计算效率。该方法可以简单而有效地对管网系统中的流体参数进行有效配置。2、本发明的流体管网系统，包括多个节点以及与多个节点连接的流体参数优化配置单元，系统利用前述方法可以简单有效的对管网系统中的流体参数进行优化配置，使得该管网系统中的流体参数处于较佳配置状态。
附图说明
图1是本发明的流体参数优化配置方法流程示意图；
图2a是应用本发明方法的一个管网系统的拓扑示意图；
图2b是一个管道分支结构的示意图；
图2c是一种管网系统的局部结构的拓扑示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例来说明本发明所公开的实施方式，有关“流体管网系统的流体参数优化配置方法及管网系统”，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容了解本发明的优点与效果。本发明可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不偏离本发明的精神下进行各种修饰与变更。另外，本发明的附图仅为简单示意说明，并非依实际尺寸的描绘，予以声明。以下的实施方式将进一步详细说明本发明的相关技术内容，但所公开的内容并非用以限制本发明的技术范围。
应理解，虽然文中可能使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件或信号等，但这些元件或信号不应受这些术语限制。这些术语乃用以区分一元件与另一元件，或者一信号与另一信号。另外，如本文中所使用，术语“或”视实际情况可能包括相关联的列出项目中的任一个或者多个的所有组合。
如图1所示为本发明的一个实施例，该实施例提供一种流体管网系统的流体参数优化配置方法，其包括以下步骤：
步骤SB，根据流体管网系统输出节点的流体参数，计算该输出节点的前一级中间节点的输出端流体参数。其中，该输出节点的前一级中间节点的输出端与该输出节点直接连通。
步骤SC，从与输出节点直接连通的中间节点至与输入节点直接连通的中间节点，根据该中间节点的输出端的流体参数、该中间节点的管网参数，计算该中间节点的输入端的流体参数及该中间节点的前一级中间节点的输出端的流体参数。其中，该中间节点的前一级中间节点的输出端与为与该中间节点直接连通。
如图2a所示，为应用本发明配置方法的一种管网系统，该管网系统包括第一输出节点Q1、第一中间节点P1、第二中间节点P2、第一输入节点C1、第二输入节点C2和第三输入节点C3。其中，第一输出节点Q1与第一中间节点P1连接，第一输出节点Q1还与第一输入节点C1连接。第一中间节点P1的输入端分别与第二中间节点P2、第二输入节点C2连接。第二中间节点P2的输入端还与第三输入节点C3连接。第一中间节点P1为第一输出节点Q1的前一级中间节点，第二中间节点P2为第一中间节点P1的前一级中间节点。
本发明配置方法应用于图2a所示出的管网系统时，步骤SB还可以包括以下步骤：
步骤S120，根据第一输出节点Q1的流体参数，计算第一中间节点P1的输出端流体参数。
步骤SC可以包括以下步骤：
步骤S130，根据第一中间节点P1的输出端流体参数，计算第一中间节点P1的输入端流体参数。
步骤S140，根据第一中间节点P1的输入端流体参数，计算第二中间节点P2的输出端流体参数。
步骤S150，根据第二中间节点P2的输出端流体参数，计算第二中间节点P2的输入端流体参数。
该配置方法还可以包括：
步骤S125，根据第一输出节点Q1的流体参数，计算第一输入节点C1的输出端流体参数。
步骤S135，根据第一中间节点P1的输入端流体参数，计算第二输入节点C2的输出端流体参数。
步骤S155，根据第二中间节点P2的输入端流体参数，计算第三输入节点C3的输出端流体参数。
可选地，步骤S125可以设置于步骤S120之前，也可以设置于步骤S155之后，还可以设置于步骤S120～S155中任意两个步骤之间。
可选地，步骤S135可以设置于步骤S130之后的任意一个位置。
可选地，步骤S155可以设置于步骤S150之后的任意一个位置。
可选地，上述流体参数可以包括流体压强。
如图2b所示，为管道的分支结构示意图，根据管道热力学公式可以得到
其中，fA为A点的流量，PA为A点的流体压强，PC为C点流体压强，DA为A点管道直径，LAC为点A与点C之间的管道长度，KA为点A与点C之间的管道系数；fB为B点的流量，PB为B点的流体压强，DB为B点管道直径，LCB为点B与点C之间的管道长度，KB为点C与点B之间的管道系数。
由公式(1)(2)可以得到：
由公式(3)(4)可以得到：
如图2a所示，由于管网中各个节点的流量相对稳定，所以可以根据式(5)和第一输出节点Q1处流体压强PQ1，得到第一输入节点C1的输出端压强PC1和第一中间节点P1的输出端压强PP1。
可选地，步骤SB可以包括：根据输出节点的流体压强，利用式(5)计算与该输出节点的前一级中间节点的输出端流体压强。
如图1所示，可选地，步骤SC可以包括，从与输出节点直接连通的中间节点至与输入节点直接连通的中间节点，以管网中的总能源消耗最小化作为优化目标，根据该中间节点的输出端的流体参数、该中间节点的管网参数，计算该中间节点的输入端的流体参数，及该中间节点的前一级中间节点的输出端的流体参数。
进一步地，步骤SC也可以用其他优化目标计算中间节点输入端流体参数，及该中间节点的前一级中间节点的输出端的流体参数。
如图1所示，可选地，本发明的配置方法还可以包括：
步骤SA，根据该中间节点设备参数、该中间节点的前一级输入节点的设备参数和/或前一级中间节点的管网参数，计算该中间节点的管网参数。步骤SA可以设置于步骤SB之前。
在该中间节点的输入端只连接输入节点时，步骤SA为，根据该中间节点设备参数、该中间节点的前一级输入节点的设备参数，计算该中间节点的管网参数。
在该中间节点的输入端只连接前一级中间节点时，步骤SA为，根据该中间节点的设备参数、和前一级中间节点的管网参数，计算该中间节点的管网参数。
在该中间节点的输入端既连接输入节点也连接前一级中间节点时，步骤SA为，根据该中间节点设备参数、该中间节点的前一级输入节点的设备参数、和前一级中间节点的管网参数，计算该中间节点的管网参数。
具体地，本发明的配置方法应用于图2a所示出的管网系统时，步骤SA可以包括：
步骤S110，根据第二中间节点P2的设备参数、第三输入节点C3的设备参数，确定第二中间节点P2的管网参数。
步骤S115，根据第一中间节点P1的设备参数、第二输入节点C2的设备参数和第二中间节点P2管网参数，确定第一中间节点P1的管网参数。
更具体地，以图2a所示的管网系统为例，在流体参数包括流体压强，优化目标为管网中的总能源消耗最小化时，存在以下关系：
PC32-PP2i2＝CP2(6)
SP2＝θC3(PC3)+θP2(PP2/PP2i)(7)
其中，PC3为第三输入节点C3的输出端流体压强；PP2为第二中间节点P2的输出端流体压强；PP2i为第二中间节点P2的输入端流体压强；CP2相对稳定，为第三输入节点C3至第二中间节点P2之间管道流量与管道参数的关系式，即式(5)等号左侧部分；θC3为第三输入节点C3的能源消耗函数，包含于第三输入节点C3的设备参数；θP2为第二中间节点P2能源消耗函数，包含于第二中间节点P2的设备参数；SP2为第二中间节点P2以及第三输入节点C3的总能源消耗。
对于第二中间节点P2输出端的每一个输出端流体压强值PP2，根据式(6)和式(7)，均可以得到一个第二中间节点P2的输入端压强PP2im，使得在PP2i＝PP2im时，SP2的值最小，为SP2min。由此得到函数PP2im＝δ2(PP2)和SP2min＝ψ2(PP2)，其中，δ2是第二中间节点压强状态序列转移函数和ψ2是第二中间节点总能源消耗状态序列转移函数，在给定第二中间节点P2输出端流体压强为PP2，且SP2的值最小时，可以得到P2输入端压强和总能源消耗的集合；求解方法：根据PP2约束条件，以步长0.1Mpa，得到输出压强的状态序列集合；根据管道流量约束条件，以特定步长，得到流量的状态序列集合；分别代入式(6)、(7)的到P2输入端压强和总能源消耗的解，寻优组成解集合。
可选地，函数δ2和ψ2可以包含于第二中间节点P2的管网参数。步骤S110可以包括：
根据第二中间节点P2的设备参数θP2、输入节点的设备参数θC3确定第二中间节点P2的管网参数δ2和ψ2。
如图2a所示，存在以下关系：
PC22-PP1i2＝CP1a(8)
PP22-PP1i2＝CP1b(9)
SP1≥θC2(PC2)+θP1(PP1/PP1i)+ψ2(PP2)(10)
其中，PC2为第二输入节点C2的输出端流体压强；PP1i为第一中间节点P1的输入端流体压强；PP1为第一中间节点P1的输出端流体压强；CP1a和CP1b相对稳定，CP1a为第二输入节点C2至第一中间节点P1之间管道流量与管道参数的关系式，CP1b为第二中间节点P2至第一中间节点P1之间管道流量与管道参数的关系式，可以根据式(5)得到；θC2为第二输入节点C2的能源消耗函数，包含于第二输入节点C2的设备参数；θP1为第一中间节点P1能源消耗函数，包含于第一中间节点P1的设备参数；SP1为第一中间节点P1的以及与第一中间节点P1的输入端直接连通或者间接连通的所有节点总能源消耗，在图2a中，SP1为节点C3、P2、C2、P1的总能源消耗。
对于第一中间节点P1输出端的每一压强值PP1，根据式(8)(9)(10)均可以得到一个第一中间节点P1的输入端压强PP1im，在PP1i＝PP1im时，SP1的值最小，为SP1min。由此得到函数PP1im＝δ1(PP1)和SP1min＝ψ1(PP1)；δ1是第一中间节点压强状态序列转移函数和ψ1是第一中间节点总能源消耗状态序列转移函数。
可选地，函数δ1和ψ1可以包含于第一中间节点P1的管网参数。步骤S115可以包括：
根据第一中间节点P1的设备参数θP1、输入节点的设备参数θC2以及第二中间节点P2的管网参数ψ2，确定第一中间节点P1的管网参数δ1和ψ1。
更进一步地，在本发明配置方法应用于图2a所示出的管网系统时，步骤SB可以包括：
步骤S120，根据第一输出节点Q1的流体参数PQ1和式(5)，计算第一中间节点P1的输出端流体参数PP1。
步骤SC包括：
步骤S130，根据第一中间节点P1的输出端流体参数PP1和第一中间节点P1的管网参数δ1，计算第一中间节点P1的输入端流体参数。
步骤S140，根据第一中间节点P1的输入端流体参数PP1和式(5)，计算第二中间节点P2的输出端流体参数PP2。
步骤S150，根据第二中间节点P2的输出端流体参数PP2和第二中间节点P2的管网参数δ2，计算第二中间节点P2的输入端流体参数。
该配置方法还可以包括：
步骤S125，根据第一输出节点Q1的流体参数PQ1和式(5)，计算第一输入节点C1的输出端流体参数PC1。
步骤S155，根据第二中间节点P2的输入端流体参数PP2和式(5)，计算第三输入节点C3的输出端流体参数PC3。
步骤S135，根据第一中间节点P1的输入端流体参数PP1和式(5)，计算第二输入节点C2的输出端流体参数PC2。
可选地，步骤S125可以设置于步骤S120之前，也可以设置于步骤S155之后，还可以设置于步骤S120～S155中任意两个步骤之间。
可选地，步骤S135可以设置于步骤S130之后的任意一个位置。
可选地，步骤S155可以设置于步骤S150之后的任意一个位置。
可选地，步骤SC可以包括，根据中间节点的输出端流体参数、该中间节点的管网参数以及预定的离散值计算该中间节点输入端流体参数。
其中，预定的离散值可以为0.1兆帕的整数倍，也可以是其他离散数值。
如图2c所示为一种管网系统的局部结构的拓扑示意图。其中，P3为第三中间节点，P4为第四中间节点、P5为第五中间节点。第五中间节点P5的输出端与第三中间节点P3，第五中间节点P5的输出端还与第四中间节点P4直接连通。第五中间节点P5为第三中间节点P3和第四中间节点P4共同的前一级中间节点。可选地，本发明的配置方法还可以应用于包含图2c所示出的拓扑结构的管网系统。
此时，步骤SA可以包括：
根据第三中间节点P3的输出端流体参数PP3、第三中间节点P3设备参数θP3、第四中间节点P4的输出端流体参数PP4、第四中间节点P4的设备参数θP4以及第五中间节点P5的管网参数ψ5，确定第三中间节点P3和第四中间节点P4的管网参数δ3&4(PP3、PP4)和ψ3&4(PP3、PP4)。
步骤SB可以包括：
根据第三中间节点P3的输出端流体参数PP3、第四中间节点P4的输出端流体参数PP4、第三中间节点P3和第四中间节点P4的管网参数δ3&4，计算第三中间节点P3的输入端流体参数PP3i和第四中间节点P4的输入端流体参数PP4i。
进一步地，第五中间节点P5的输出端也可以同时与两个或者两个以上的中间节点直接连通。
进一步地，第三中间节点P3和第四中间节点P4可以共同连接两个或者两个以上中间节点。第三中间节点P3和第四中间节点P4也可以共同连接一个或者一个以上输入节点。
可选地，可以循环执行步骤SA、步骤SB、步骤SC最终实现整个管网系统的优化配置。
可选地，应用该配置方法的管网系统可以包含一个中间节点，也可以包括两个或者两个以上中间节点。
可选地，应用该配置方法的管网系统可以包含两个或两个以上输出节点。
可选地，应用该配置方法的管网系统可以包括只包括一个输入节点，也可以包括两个或者两个以上输入节点。
如图2a所示，该配置方法所应用的管网系统的输出节点可以连接两个或两个以上中间节点。该配置方法所应用的管网系统的输出节点还可以连接两个或两个以上输入节点，该输出节点也可以不连接输入节点。
如图2a所示，该配置方法所应用的管网系统的中间节点的输入端可以连接两个或两个以上中间节点，该中间节点的输入端也可以不连接中间节点。该配置方法所应用的管网系统的中间节点的输入端可以连接两个或两个以上输入节点，该中间节点的输入端也可以不连接输入节点。
该配置方法所应用的管网系统中各个节点的流量也可以存在一定的波动。可以在该管网系统中各个节点的流量变化超过阈值时，重新执行该配置方法，重新优化配置该管网系统中各个节点的流体参数。还可以定时根据该管网系统中各个节点的实时流量，执行该配置方法，实时优化配置该管网系统各个节点的流体参数。
上述方法根据海上平台特点，跳出了动态规划算法对所求问题的序列要求，将若干有连接关系的元件合并，用一个虚拟混合元件替代，虚拟元件的特性与其所替换元件组合的最优特性一致。元件替换后原有模型满足了“顺序”特性，从而继续使用动态规划算法求解，减少可行解维数的同时提高了计算效率。该方法可以简单而有效地对管网系统中的流体参数进行有效配置。
本申请还提供另一种流体管网系统的流体参数优化配置方法。应用该配置方法的管网系统的任意一个节点，比如图2a中的第三输入节点C3，可以包括：第一级压缩机和第二级压缩机。其中第二级压缩机的输出端与第一级压缩机的输入端连接。
另一种配置方法包括前述配置方法所包含的步骤。同时，另一种配置方法还包括：
步骤S230，根据第一级压缩机输入端的压强确定第二级压缩机的输入端压强，以及第二级压缩机的配置。
该步骤与前述配置方法中的步骤SB相似，在此不做赘述。
进一步地，第一级压缩机的输出端与第一级压缩机所在节点，比如第三输入节点C3，的输出端连通。另一种配置方法还可以包括：根据第三输入节点C3的输出端压强确定第一级压缩机的输入端压，以及第一级压缩机的配置。
更进一步地，第一级压缩机可以包括两台或者两台以上压缩机。另一种配置方法的步骤S230则可以包括：根据第三输入节点C3的输出端压强确定第一级压缩机的开机数量以及第一级压缩机中投入运行的压缩机。
第二级压缩机也可以包括两台或者两台以上压缩机。另一种配置方法的步骤S230则可以包括：根据第一级压缩机输入端的压强确定第二级压缩机的开机数量以及多台第二级压缩机中投入运行的压缩机。
可选地，第三输入节点C3可以包括第三级压缩机，其输入端与该第二级压缩机的输入端连接；……；第M级压缩机，其输出端与第M-1级压缩机的输入端连接，其中，M为正整数。此时，另一种配置方法可以包括：根据第二级压缩机输入端的压强确定第三级压缩机的输入端压强，以及第三级压缩机的配置；……；根据第M-1级压缩机输入端的压强确定第M级压缩机的输入端压强，以及第M级压缩机的配置。
上述方法根据海上平台特点，跳出了动态规划算法对所求问题的序列要求，将若干有连接关系的元件合并，用一个虚拟混合元件替代，虚拟元件的特性与其所替换元件组合的最优特性一致。元件替换后原有模型满足了“顺序”特性，从而继续使用动态规划算法求解，减少可行解维数的同时提高了计算效率。该方法可以简单而有效地对管网系统中的流体参数进行有效配置。
本申请还提供了一个实施例，一种流体参数优化配置的流体管网系统。该管网系统包括：多个节点；流体参数优化配置单元，多个节点连接，流体参数优化配置单元中预设有流体参数优化配置程序，当流体参数优化配置程序被执行时，流体参数优化配置单元执行前述方法。
可选地，管网系统中的多个节点可以包括输入节点、中间节点和输出节点。其中，输入节点可以包括生产站，中间节点可以包括加压站。
可选地，管网系统可以包含只一个中间节点，也可以包括两个或者两个以上中间节点。
可选地，管网系统可以包含只一个输出节点，也可以包括两个或两个以上输出节点。
可选地，管网系统可以只包括一个输入节点，也可以包括两个或者两个以上输入节点。
管网系统的输出节点可以连接只连接一个中间节点，也可以连接两个或两个以上中间节点。管网系统的输出节点可以只连接一个输入节点，也可以连接两个或两个以上输入节点，该输出节点还可以不连接输入节点。
管网系统的中间节点的输入端可以只连接一个中间节点，也可以连接两个或两个以上中间节点，该中间节点的输入端还可以不连接中间节点。管网系统的中间节点的输入端可以只连接一个输入节点，也可以连接两个或两个以上输入节点，该中间节点的输入端还可以不连接输入节点。
管网系统的多个节点中的任意一个节点可以包含第一级压缩机；第二级压缩机，其输入端与第一级压缩机的输入端连接。
进一步地，第一级压缩机的输出端可以与该节点的输出端连通。
更进一步地，该节点还可以包括第三级压缩机，其输出端与第二级压缩机连接；……；第M级压缩机，其输出端与第M-1级压缩机连接，其中，M为正整数。
再进一步地，第一级压缩机可以只包括一台压缩机，也可以包括两台或者两台以上压缩机；……；第M级压缩机可以包括一台压缩机，也可以包括两台或者两台以上压缩机。
可选地，管网系统应用于海上平台的天然气传输。
上述系统利用前述方法可以简单有效的对管网系统中的流体参数进行优化配置，使得该管网系统中的流体参数处于较佳配置状态。
需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本发明而非限制本发明的范围。本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的范围之内。此外，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。
