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管道运输系统鲁棒优化设计(2)
图2 CO2管道运输系统优化设计程序流程图Fig.2 Flow diagram of optimization design for CO2pipeline transportation systems
为便于优化设计,对现有管径模型进行改进.管道内径计算公式如下[14]:
其中D为管道内径;ρ、μ分别为CO2的密度和黏度.
根据文献[15]提供的数据,采用最小二乘法进行参数辨识,得到CO2的密度和黏度计算公式:
其中Aρ、Bρ、Aμ、Bμ为系数,Cρ、Cμ为常数.则式(7)可转化为
系统鲁棒优化设计具体步骤如下:
Step 1 设定管道入口压力(p)的最小运行值;设置l=1.
Step 2 将p代入式(8)计算D.
Step 3 根据公称尺寸,选择管道外径(Do),将其代入公式t=pmaxDo/2SFE计算tcal.如果tcal≤tmax成立,执行下一步;否则,转Step 7.
Step 4 将满足tNPS≥tcal的tNPS代入公式Do=Di+2t,得到Di.如果Di≥D成立,确定tNPS的值;否则,转Step 7.
Step 5 将Di和p代入公式计算v.如果v<vmax成立,执行下一步;否则,转Step 7.
Step 6 将Di代入公式计算泵站数量(N).将已知和计算数值数据代入式(1)计算C.
Step 7 如果公称尺寸<36成立,转Step 3;否则,执行下一步.
Step 8 如果p<pmax,令p=p+Δp,转Step 2;否则,执行下一步.
Step 9 将l值代入式(4),形成线性不确定优化问题.
Step 10 采用Matlab提供的LMI工具箱对鲁棒对等问题(式(6))进行求解,得到Lg.
Step 11 如果l<n成立,令l=l+1,转Step 9;否则,执行下一步.
Step 12 在计算的Lg中,选择最小值将其作为Tl;根据Tl得到相应的Di、tNPS、N;程序结束.
表1给出了管道运输系统的基本参数设置,其他参数如表2、3所示.
令ξ1=0.2,n=100.按照图2给出的程序流程进行系统优化,得到不同质量流量条件下的鲁棒优化结果(如表4所示).与本文提出的鲁棒优化设计方法相比,采用文献[10]设计方法,虽然优化的管道内径、壁厚、泵站数量相同,但是管道入口压力较小.这说明传统设计方法在不考虑温度变化对系统优化设计的影响下,设计的管道入口压力偏小,难以克服CO2在运输途中因压力损失而导致的输送困难,不能满足实际工程要求.事实证明,鲁棒优化算法的性能优于一般管道运输优化算法,能够使系统设计更加合理.
表1 管道运输系统基本参数[5,8-9]Tab.1 Basic parameters of the pipeline transportationsystems[5,8-9]参数符号数值管道周围土壤温度(℃)tsoil17CO2管道入口压力(MPa)p8.6~15.3管道起始/终止点高度差(m)h1-p0管道长度(km)L400CO2质量流量(kg/s)Qm150CO2最大允许速率(m/s)vmax6驱油注入压强(MPa)pinject10资本回收系数H0.15
表2 管道参数[16-17]Tab.2 Parameters of pipeline[16-17]参数符号数值管材最小屈服强度X70(MPa)S483焊缝系数E1.0强度设计系数F0.72管材价格(/kg)材料成本因子fm22.4%管道运行维护费用占投资费用百分比fpo&m0.04
表3 压缩机和泵站参数[10,14,18]Tab.3 Parameters of compressor and boosting pumpstations[10,14,18]参数符号数值CO2压缩因子Z0.9942通用气体常数(J/(mol·K))R8.3145吸入温度(K)Tm313.15比热容比(cp/cV)γ1.294摩尔质量(g/mol)M44.01压缩系统压缩级数Nm4等熵效率ηiso80%机械效率ηmech99%压缩机站入出口压力比p1/p20.101/8.6压缩机参考费用(106)I021.9参考压缩机功率(MW)Wcomp,013比例因子y0.67增值系数nr0.9泵站运行维护费用占泵站投资费用百分比fbo&m0.04泵站效率η泵站数量N≤10欧元-人民币汇率rE8.5633美元-人民币汇率rD6.1913年运行时间(h)tB,tC8760电价(元/(kW·h))Cpe0.5
表4 鲁棒优化与传统优化方法比较Tab.4 Comparison results of robust optimized andtraditional methods方法Qm/(kg·s-1)p/MPaDi/mmtNPS/mmN文献[10]5........鲁棒优化5........
文章来源:《水力采煤与管道运输》 网址: http://www.slcmygdys.cn/qikandaodu/2021/0417/507.html