بخشی از مقاله
خلاصه
عملیات بهینه و برنامهریزی یک شبکه گاز طبیعی متکی بر پیش بینی دقیق مصرف گاز مشتریان می باشد، و مصرف گاز هر مصرف کننده یک اغتشاش است که مقدار پیش بینی شده آن و هم چنین عدم قطعیت مربوط به آن باید در نظر گرفته شوند. بر این اساس، داشتن پیش بینی مناسبی از نیازهای مشتریان می تواند اطلاعات ارزشمندی جهت برنامه ریزی کارآمد برای آینده را فراهم نماید. مدل های گوناگونی در پیش بینی خواستههای مشتریان مختلف استفاده شده است. بارهای ناشی از نیروگاههای گازی نیز به علت ماهیت ناگهانی آنها به همان اندازه چالشزا می باشند. راهبران شبکه گاز نمی توانند تا تغییر تقاضا از طرف مشتریان تصمیم گیری خود را به تعویق بیندازند، و آنها باید اقدامات پیشگیرانهای با تغییر فشار در بخشهایی از شبکه برای پک کردن گاز در لولهها در موقعیت مکانی مناسب را انجام دهند.
البته این در حالی است که سعی می شود میزان مصرف انرژی کمپرسور به حداقل ممکن برسد. سپس گاز پک شده را می توان برای تامین نوسانات ساعتی در تقاضای مشتریان مورد استفاده قرار داد. در این کار، یک چارچوب بهینه سازی تصادفی برای برنامه ریزی روزانهی شبکههای انتقال گاز طبیعی ارائه شده است. مصرف یک مشتری توسط تعدادی پارامتر دارای عدم قطعیت، با توزیع نرمال با میانگین و کوواریانس مشخص بیان شده است. با داشتن عدم قطعیت پیش بینی مصرف، تبدیل unscented برای بدست آوردن میانگین و کواریانس تابع هدف و قیود استفاده می شود. سپس چارچوب بهینه سازی تصادفی، یک استراتژی مناسب برای مجموعهی نقاط مقرر برای راهبری کارآمد و قابل اعتماد سیستم پیشنهاد می دهد.
در یک مطالعه موردی، دبی جریان محاسبه شده برای منبع در شرایط مختلف با هم مقایسه شده و نتیجه می شود که رویارویی با شرایط آینده با عدم قطعیت نیازی به منابع اضافی گاز طبیعی ندارد و مدیریت پک خط، نقش اصلی را بازی می کند. تفاوت بین کل مصرف انرژی برای رویکرد تصادفی و شرایط متوسط در مطالعه موردی برای شرایط مختلف مقایسه شده است. هزینه اضافی برای آمادگی برای شرایط همراه با عدم قطعیت، 0,84 برای مصرف نیروگاهی نسبت به شرایط متوسط می باشد که در ازای تامین مطمئن نیاز مشتریان، هزینه ناچیزی می باشد. این امر برنامه ریزی تصادفی را به یک ابزار ارزشمند برای برنامه ریزی شبکههای گاز - انتقال و توزیع - تبدیل می نماید.
کلمات کلیدی: شبکه انتقال گاز، بهینه سازی تصادفی، نیروگاه گازی، عدم قطعیت
.1 مقدمه
گاز طبیعی هزاران مایل از سایت های تولیدی و از طریق خطوط انتقال تا رسیدن به شبکه توزیع محلی را طی می کند .[1] مشتریان بزرگ صنعتی از قبیل نیروگاههای گازی نیز از این خطوط انتقال تامین می شوند. مسئولیت اپراتورهای مرکز نظارت و کنترل خطوط لوله - به عبارتی راهبران - * عبارتست از حصول اطمینان از اینکه تمام مشتریان گاز به میزان کافی و در سطح فشار مورد نیاز خود - ویا بالاتر - را دریافت میکنند. پیش بینی دقیق نیازهای مشتریان قادر است اطلاعات ارزشمندی را که می تواند در جلب رضایت مشتری مفید واقع شود، برای مدیران ارائه دهد. از این رو، این شرکتها تلاش زیادی برای به دست آوردن دید مناسبی از نیازهای آینده مشتریان خود، با حل مسئله پیش بینی مصرف گاز به صورت هرچه دقیقتر دارند . [2] این امر آنها را قادر به راهبری هموار، کارا و کم هزینه سیستم میکند.
عدم قطعیت ناشی از تخمین نیازها، اغلب نقش مهمی را در جهت دستیابی به این اهداف در صنعت گاز ایفا میکند. همچنین، شایان ذکر است که منابع بسیار دیگری از عدم قطعیت نیز وجود دارند که عبارت اند از: عدم قطعیت مدل سازی، عدم قطعیت اندازه گیری و عدم قطعیت ناشی از اغتشاشات خارجی .[3]داشتن برآوردی دقیق از خواسته های آینده مشتریان به همراه یک شبیه ساز پویای شبکه گاز می تواند در یک چارچوب بهینه سازی برای بدست آوردن دستورالعمل های عملیاتی استفاده گردد .[2] چارچوب بهینه سازی حاصل، با توجه به اثر قابل توجهی که نیازهای آینده در استراتژی برنامهریزی بازی می کند، میتواند نقش مهمی در راهبری موفق و ایمن سیستم انتقال گاز داشته باشد.
این چارچوب بهینه سازی از سه بخش اصلی تشکیل شده است: شبیه ساز پویا، ابزار پیش بینی تقاضا و بهینه ساز. [4]جنبه های مختلف شبیه سازی دینامیکی شبکه های انتقال گاز را می توان در مراجع [4-7] یافت. پیشبینی تقاضای گاز طبیعی، یک ابزار کمکی در توسعه آینده ، برنامه ریزی، راهبری، بهینه سازی و کنترل شبکه های گاز است. علاوه بر تامین نیازهای قراردادی شامل جریان مورد تقاضای مشتری و حداقل سطح فشار، چندین دلیل دیگر به عنوان مشوق برای شرکتهای - انتقال یا توزیع - به سمت توسعه روشهای کارآمدتر و دقیقتر پیشبینی مصرف گاز طبیعی وجود دارد . از میان آنها می توان به موارد زیر اشاره کرد:
-بهبود سودآوری، انعطاف پذیری و قابلیت اطمینان
-مدیریت ظرفیت و برنامه ریزی برای اوج سایی و تجهیزات ذخیره سازی گاز
-کاهش احتمال تغییر وضعیت ناگهانی بین حالت های مختلف کاری
-افزایش بهره وری عملیات روزانه
-برنامه ریزی برای تعمیر و نگهداری
شبکه های گاز طبیعی از نقطه نظرهای مختلفی از جمله مدل سازی [8]، شبیه سازی پایا و پویا [5,9,10] و بهینه سازی پایا و پویا [11-13] مورد مطالعه قرار گرفته است. یکی از کارهای اولیه در زمینه بهینه سازی پویای شبکه های گاز کار آقایان Marqués و [14] Morari است که درآن یک الگوریتم بهینه سازی سلسله مراتبی دو لایه ارائه شده است. لایه زیرین، نقطه مقرر بهینه فشار خروجی ایستگاه های تقویت فشار که به نقاط تحویل نزدیک می باشد را در فواصل زمانی از پیش تعیین شده در طول روز محاسبه میکند. از سوی دیگر، لایه فوقانی، نقاط مقرر روزانه بقیه ایستگاه های تقویت فشار را محاسبه میکند. هم چنین از یک مشاهدهگر برای جبران خطاهای پیش بینی تقاضا استفاده شده است.کار آقایان Carter و [15] Rachford ، اولین کاری است که عدم قطعیت میزان مصرف در برنامه ریزی عملیات شبکه گاز را در نظر گرفته است.
در کار آنها، حالات مختلف برای بارهای آینده در نظر گرفته شده، و همچنین یک نقطه تصمیم گیری به نمایندگی از زمانی که در آن، عملیاتی شدن یک نیروگاه - به عنوان یک مشتری - مشخص میشود، فرض شده است. در نهایت، استراتژی های مختلف، توسط بهینه ساز برای هر سناریو محاسبه می شود که همگی آنها تا نقطه تصمیم گیری با هم مشترک هستند ولی بعد از این نقطه، یک استراتژی مناسب مطابق با هر سناریو پیشنهاد می شود. آنها پس زمینه ریاضی کار خود را ارائه ندادهاند ولی با این حال، تجزیه و تحلیل مفهومی نتایج به ویژه تغییرات پک خط در سیستم با جزئیات انجام شده است. [16] Zavala، یک مدل کنترل بهینه تصادفی مبتنی بر سناریو برای بهینه سازی شبکه های گاز همدما تحت عدم قطعیت بار را ارائه داده است که درآن یک تابع هدف ریسک متوسط وزندار در نظر گرفته شده است. و هم چنین افزایش تاباوری در بهرهبرداری از سیستم در یک مطالعه موردی نشان داده است.
در کار حاضر، مسئله برنامه ریزی روزانه برای سیستم های انتقال گاز طبیعی تحت عدم قطعیت میزان تقاضای مشتریان مد نظر می باشد. تعدادی پارامتر همراه با عدم قطعیت با متوسط و کوواریانس مشخص، برای توصیف نیاز کاربران استفاده شده است. سپس، تبدیل [17] unscented به عنوان ابزاری برای انتشار متوسط و کواریانس پارامترهای نامشخص از طریق یک تبدیل غیرخطی - به عبارتی تابع هدف و قیود - استفاده می شود. در این مرحله ، یک مسئله بهینه سازی بر اساس مدل غیر همدما از شبکه انتقال گاز فرموله می شود که حل آن، برنامه ریزی روزانه شبکه و به طور خاص نقطه مقرر فشار خروجی ایستگاه های تقویت فشار را نتیجه میدهد . مجموعه نقاط مقرربدست آمده ، ما را قادر به مدیریت پک خط به منظور دستیابی به برخی اهداف از پیش تعیین شده با کمترین هزینه و رعایت محدودیت های عملیاتی خواهد ساخت.
.2 بافر فشار
شرکتهای انتقال گاز باید حداقل فشار مورد نیاز مشتریان را فراهم نمایند. بافر فشار به صورت اختلاف بین فشار گاز تحویلی به مشتری و فشار تحویلی قرارداد شده تعریف شده است. . بافر فشار دارای یک رفتار گذرا به نام بافر فشار گذرا است که می تواند به عنوان یک فاکتور ایمنی، توسط اپراتورها در بهره برداری از سیستم در نظر گرفته شود. اهمیت این پارامتر به این دلیل است که مقادیر بالاتر آن، در ازای هزینه عملیاتی بالاتر در واحدهای افزایش فشار، می تواند تضمین کننده رضایت مشتریان باشد. از سوی دیگر، بافر فشار کمتر به معنی مصرف کمتر انرژی در واحدهای افزایش فشار است ولی با این حال، با توجه به اغتشاشات پیش بینی نشده، امکان عدم توانایی در تامین خواستههای مشتریان، افزایش می یابد. استفاده از مفهوم بافر فشار گذرا و محاسبه مقدار بهینه آن در مطالعات موردی بیشتر مورد بحث قرار خواهد گرفت. مفهومی مشابه به نام منطقه راحتی - comfort zone - توسط Nguyen و همکاران [18] تعریف و استفاده شده است.
.3 انواع مصرف کنندگان گاز طبیعی
همانطور که توسط [1] Vitullo بیان شده است میتوان مصرف کنندگان گاز طبیعی را به پنج نوع اصلی دسته بندی کرد: مشتریان مسکونی، مشتریان تجاری و مشتریان صنعتی، تولیدکنندگان برق و وسایل نقلیه با سوخت گاز طبیعی. خلاصه ای از ویژگی های کلیدی تقاضا توسط این مشتریان را میتوان در 0جدول 1 یافت که تقاضای هر نوع مشتری، دارای ویژگی های منحصر به فردی می باشد .[19] با وجود گستردگی در ویژگیها، برای بررسی روش پیشنهادی برای در نظر گرفتن عدم قطعیت در میزان تقاضای گاز طبیعی در برنامه ریزی شبکه گاز در این پایاننامه، مطالعه تنها برای مشتریان مسکونی به دلیل نوسانات شدید ساعتی [2] و نیروگاههای گازی به دلیل ماهیت ناگهانی بارشان [20] محدود شده است.
