بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بهینه سازي مصرف سوخت در شبکه خطوط انتقال گاز
چکیده
در شبکه خطوط لوله گاز طبیعی, در حالی که گاز از طریق خط لوله انتقال مییابد، به دلیل اصطکاك بین گاز و سطح داخلی لوله و تبادل گرما با محیط, فشار و انرژي گاز کاهش مییابد. براي جبران این افت فشار، ایستگاههاي تقویت فشار در فواصل منظمی از خط لوله قرار داده شدهاند. تجهیزات موجود در این ایستگاهها جهت فشردهسازي گاز انرژي زیادي نیاز دارند که اغلب آن را از طریق سوزاندن مقداري از گاز عبوري تامین میکنند, با توجه به حجم گاز مصرفی هزینه آن میتواند قابل توجه باشد, از طرفی سوختن گاز طبیعی مقدار زیادي از گازهاي گلخانهاي(عمدتا (CO2 را وارد جو و محیط زیست میکند. در عملیات خطوط لوله, میزان مصرف انرژي در ایستگاههاي تقویت فشار به عنوان یکی از بزرگترین هزینههاي خطوط انتقال مورد توجه میباشد. در این طرح بخشی از شبکه انتقال گاز کشور به عنوان شبکه مورد بررسی انتخاب شده است, شبیهساز استفاده شده براي شبیه سازي شبکه, نرمافزار SGNS است. براي بهینهسازي ابزار بهینه ساز الگوریتم ژنتیک موجود در برنامه MATLAB مورد استفاده قرار گرفته و جهت ارتباط میان شبیهساز و بهینهساز یک محیط میانی طراحی شده است که براي وارد کردن وروديها و مشاهده نتایج از این محیط استفاده میشود. متغیرهاي در نظر گرفته شده براي بهینهسازي شبکه نسبت تراکم ایستگاهها و روشن و خاموش بودن ایستگاه ها می باشند. نتایج نشان میدهد که براي شبکه مورد نظر بهینه عمل کردن شبکه میتواند تا 85 درصد توان مصرفی توسط کمپرسورها را کاهش دهد. براي کاهش زمان بهینهسازي از ترکیب الگوریتم ژنتیک با روش گرادیانی SQP استفاده شده و نتایج رضایت بخشی به دست آمده است.
کلمات کلیدي: شبکه خطوط انتقال گاز - ایستگاه تقویت فشار - نرم افزار – SGNS بهینهسازي - الگوریتم ژنتیک
-1 مقدمه
یکی از مهمترین روشهاي انتقال مقادیر زیادي از گاز طبیعی در ایران وجهان, شبکه خطوط لوله میباشد. شرکت ملی گاز ایران در قالب 10 منطقه عملیاتی انتقال گاز، داراي بیش از 32000 کیلومتر خطوط لوله ، 65 ایستگاه تأسیسات تقویت فشار و 215 واحد توربو کمپرسور میباشد. این ایستگاهها بر روي 10 خط لوله سراسري قرار دارند که به ترتیب از پالایشگاههاي بیدبلند، کنگان، پارسیان و پارسجنوبی گاز را به مبادي مصرف در کل کشور میرسانند. یکی از دغدغههاي اصلی مهندسین طراحی و عملیات، بهینه بودن عملکرد خطوط لوله گاز و اطمینان از راندمان بالاي آنها میباشد. از جمله مسائل مورد مطالعه بهینه سازي میزان مصرف سوخت در ایستگاههاي تقویت فشار به عنوان یکی از بزرگترین هزینههاي خطوط انتقال گاز میباشد.
با مطالعاتی که بر روي بسیاري از شبکه هاي انتقال گاز آمریکاي شمالی انجام گرفته، ثابت شده است که یک سیستم تقویت فشار زمانی که در حالت بهینه کار میکند حدود 0/25الی 0/35 درصد از گازي را که عبور میدهد، بصورت سوخت مصرف می کند. متاسفانه مشاهده شده بسیاري از ایستگاهها زمانی که در شرایط بهینه کار نمیکنند, مابین 2 الی3 درصد از گاز عبوري را بصورت سوخت مصرف میکننددر. این صورت یک خط انتقال گاز حدوداَ 1000 کیلومتري میتواند تا مقدار 20 تا 30 درصد از گاز عبوري را بصورت سوخت مصرف نماید، که براي شرکت هاي انتقال گاز بسیار پر هزینه خواهد بود. در مقاله حاضر سعی شده است با در نظر گیري پارامترهاي اساسی یک شبکه انتقال گاز بهترین استراتژي در جهت کاهش بهینه مصرف انرژي تعیین گردد که نتیجه آن جلوگیري از اتلاف مقدار زیادي هزینه سوخت میباشدضمناًَ, باعث کاهش ایجاد میزان گازهاي گلخانهاي نیز میشود.[1]
-2 مدلسازي و شبیهسازي شبکه خطوط انتقال گاز
پیشبینی و تعیین رفتار گاز در شبکه انتقال گاز نیازمند مدلسازي تجهیزات و المانهاي موجود در شبکه میباشد.
یک شبکه خطوط لوله سراسري میتواند شامل خطوط لوله متصل به هم، کمپرسور، گرمکن1 و سردکن2، شیرها، مصرفکننده3 و تغذیهکننده4 گاز باشد. لولهها و تجهیزات توسط گرهها5 از هم جدا میشوند.
-1 -2 مدلسازي شبکه انتقال گاز
در این قسمت کلیات مربوط به معادلات لازم براي مدل کردن شبکه انتقال گاز ذکر شده است.
بهمنظور شناخت حالت جریان یا به عبارت دیگر تعیین فشار، دما و نرخ جریان در هر زمان و در هر نقطهاي از خط انتقال، از معادلات هیدرولیکی استفاده میشود. این معادلات به شکل مجموعهاي از معادلات پارهاي نسبت به زمان و مکان 6(PDE) بیان میشوند. در صورتیکه فرض شود سیستم خطوط انتقال در شرایط پایاي عملیاتی کار میکند، تابعیت زمانی معادلات حذف شده و از حل این معادلات تنها توزیع ثابتی از حالت هیدرولیکی جریان در طول خطوط انتقال بدست میآید.
در حالت کلی دسته معادلات هیدرولیکی یک خط لوله شامل : معادله بقاي جرم , بقاي اندازه حرکت و بقاي انرژي است, بطوريکه این معادلات در کنار معادله حالت ترمودینامیکی و روابط لازم براي تعیین خواص فیزیکی سیال، قابل حل میباشند.
-2-2 مدلسازي تجهیزات اصلی ایستگاه تقویت فشار
این بخش شامل معادلات حاکم بر تجهیزات اصلی ایستگاه هاي تقویت فشار خطوط لوله انتقال گاز طبیعی، میباشد. در مورد کمپرسورها معادلات مربوط به محاسبه هد کمپرسور, توان کمپرسور و دماي خروجی از کمپرسور مورد توجه هستند.
-1-2-2 معادلات کمپرسور
با در نظر گرفتن زیرنویس s براي قسمت مکش و d براي قسمت تخلیه کمپرسور , معادله هد کمپرسور به صورت زیر قابل بیان است که در آن Z ضریب تراکم پذیري گاز, P فشار, T دما, σ مولفه آیزنتروپیک و γ وزن مخصوص گاز میباشد.
رابطه بین دبی حجمی استاندارد( (Q و دبی جرمی جریان (ṁ) عبارت است از:
ρst دانسیته گاز در حالت استاندارد است . ac مربوط به شرایط واقعی و st مربوط به شرایط استاندارد است. با استفاده از این رابطه براي توان مصرفی کمپرسور داریم :
به ترتیب مربوط به بازده مکانیکی و بازده آیزنتروپیک کمپرسور میباشند.
دماي تخلیه کمپرسور از رابطه زیر محاسبه میشود:
انرژي مکانیکی مورد نیاز کمپرسور براي چرخش محورش از طریق توربین تامین میشود. توربین این انرژي را از سوزاندن گاز و تبدیل انرژي حرارتی آن به انرژي مکانیکی تولید می کند. در اینجا روابط مربوط به محاسبه دبی سوخت مصرفی در توربین مورد توجه میباشد . براي خنک کردن گاز خروجی از کمپرسور نیز از کولرهاي هوایی در ایستگاه تقویت فشار استفاده میشود. کولر هوایی در واقع یک مبدل حرارتی است که سیال فرایند آن گاز طبیعی و سیال سرویسش هوا است. روابطی که فرایند خنک کاري گاز طبیعی را در کولر هوایی مدل میکند همان روابط انتقال حرارت در مبدلها است.[2]
-3-2 شبیهسازي شبکه انتقال گاز
معادلات عنوان شده براي مدلسازي شبکه در شبیهسازي شبکه و نرم افزارهاي شبیهسازي به کار گرفته شده است. نرمافزارهاي عمومی و تخصصی متعددي براي شبیهسازي خطوط انتقال گاز ارائه شده است, که از آن جمله میتوان نرم افزارهاي SIMONE- PIPEPHASE- Pipeline Studio و SGNS را میتوان نام برد. شبیهساز استفاده شده براي این پروژه, نرمافزار SGNS میباشد. این نرمافزار در حوزه شبکه گاز شهري و کشوري (کم فشار و پر فشار) به کار گرفته میشود و متشکل از دو ماژول پایا و پویا میباشد.[3]
-3 بهینهسازي
جوهر و اساس هر مسئله بهینهیابی، یک هدف کمی است که باید نمایانگر کاربرد و کارآیی سیستم تحت مطالعه باشد . به عنوان مثال میتوان به زمان عملیات انجام کار و مصرف انرژي اشاره کرد. به بیان دیگر، منظور از تابع هدف، تابعی است که دنبال مقدار بهینه براي آن میباشیم. هر مسئله بهینهسازي واقعی و عملی حداقل محدود به یک قید و یا دسته قیود میباشد که این دسته قیود اصولاً مسئله بهینه سازي را مشکلتر میسازد.[4]
-1-3 روشهاي بهینهسازي
روشهاي بهینه سازي را در چهار گروه کلی دستهبندي میکنند که شامل روش هاي شمارشی , محاسیاتی (جستجوي ریاضی) , ابتکاري و فرا ابتکاري هستند. روش هاي شمارشی و محاسباتی جزء روشهاي بهینه سازي عددي و کلاسیک میباشند, در مقابل روش هاي ابتکاري و فرا ابتکاري جزء روشهاي جدید بهینه سازي محسوب میشوند.[5]
روشهاي کلاسیک ریاضیات مانند روش هاي شمارشی داراي دو اشکال اساسی هستند. اغلب این روشها چون جستجو را از یک نقطه شروع میکنند, ممکن است نقطه بهینه محلی((Local Optima را به عنوان نقطه بهینه کلی در نظر بگیرند. همچنین این روشها براي حل هر مسئله منجر به یک فرمول یا دستورالعمل خاص می شوند که تنها براي همان مساله کاربرد دارد. در مقابل روشهاي هوشمند به ویژه روش هاي فراابتکاري, حتی اگر جستجو براي یافتن نقطه بهینه را از یک نقطه دور از بهینه کلی شروع کنند, به دلیل ویژگی جستجوي تصادفی در آنها شانس دستیابی به نقطه بهینه کلی (Global Optima) زیاد میباشد.
-1-1-3 روشهاي فراابتکاري((Metaheuristic
الگوریتمهاي فراابتکاري مجموعهاي از الگوریتمها براي حل مسایل بهینهسازي میباشند که به صورت تصادفی اما ساده و هدفمند به جستجوي جواب بهینه مطلق در فضاي جواب مسایل میپردازند و قابلیتهاي فراوانی براي حل مسائل دشوار بهینه سازي دارند. این الگوریتمها در حل مسائلی که روشهاي مبتنی بر مشتق، قادر به حل آنها نیستند عملکرد خوبی از خود نشان دادهاند. از جمله این روشها می توان الگوریتم ژنتیک1، الگوریتم بهینهسازي ذرات2،جستجوي تابو3 و الگوریتم مورچگان4 را نام برد که در ادامه الگوریتم ژنتیک معرفی میشود.[6]
-2-1-3 الگوریتم ژنتیک((Genetic Algorithm
الگوریتم ژنتیک از اصول انتخاب طبیعی داروین براي یافتن فرمول بهینه جهت پیشبینی یا تطبیق الگو استفاده میکند. بعدها این روش را در بهینهسازيهاي مهندسی مطرح کردند. ایده اساسی این الگوریتم انتقال خصوصیات موروثی توسط ژنهاستمختصراً. گفته میشود که الگوریتم ژنتیک یک تکنیک برنامهنویسی است که از تکامل ژنتیکی بهعنوان یک الگوي حل مسئله استفاده میکند. براي توضیحات کامل تر درباره الگوریتم ژنتیک به مرجع [7] مراجعه شود.
-2-3 بهینهسازي با استفاده از الگوریتم ژنتیک در شبکه انتقال گاز
در این پروژه جهت بهینهسازي از الگوریتم ژنتیک نرمافزار Matlab استفاده شده است. انتخاب الگوریتم ژنتیک از میان دیگر روش هاي گرادیانی و غیر گرادیانی به دو دلیل انجام شده استاولاً. فضاي مسئله (ایستگاه تقویت فشار و خط لوله انتقال گاز) به گونهاي است که یک محیط جستجو با ماهیت غیر خطی که داراي ناپیوستگی نیز هست, ایجاد میکند و به همین دلیل بهتر است از روشهاي غیر گرادیانی استفاده گردد. ثانیا استفاده از این روش نتایج مثبتی را بر روي شبکههاي پیچیده انتقال گاز ارائه نموده است.[8]
-4 تشریح روند شبیهسازي و بهینهسازي در پروژه حاضر
هدف این تحقیق بهینهسازي و مینیمسازي مصرف انرژي در شبکه انتقال گاز است که در آن با تغییر متغیرهاي تصمیمگیري در نظر گرفته شده, تابع هدف بهینه میشود. همچنانکه در شکل1 مشاهده می گردد, در شبکه پارامترهاي تصمیمگیري زیادي وجود دارد که به تبع آن تابع هدف انتخابی میتواند بهینه گردد. چند مورد از پارامترهاي تصمیمگیري که میتواند در نظر گرفته شود به شرح زیر است:
-1 میزان تغییرات فشار یا جریان در یک یا چند منبع تغذیه ورودي -2 میزان تغییرات فشار یا جریان در یک یا چند نقطه خروجی -3 باز یا بسته بودن شیرهاي بینراهی -4 خاموش یا روشن بودن ایستگاه تقویت فشار
-5 نسبت تراکمی که هر ایستگاه تقویت فشار بر روي گاز عبوري ایجاد می کند
در این قسمت بخشی از شبکه گاز ایران به عنوان شبکه تحت مطالعه انتخاب شده که کلیت آن در شکل1 قابل مشاهده است. شبکه مورد نظر شامل 44 خط لوله، 4 ایستگاه تغذیه، 7 محل تحویل، 14 ایستگاه تقویت فشار، 58 شیر انسداد و 11 شیر رگولاتور است. شدت جریان کل شبکه (178 MMSCMD) 6300 MMSCFD میباشد. کمپرسورها داراي بازده آدیاباتیک و مکانیکی ثابت بوده و قطر و طول لولهها نیز متفاوت میباشند.
