受用户用气量波动、启停压缩机、开关阀门等因素影响,输气管道常以非稳态工况运行。针对由用户用气量波动引起的非稳态工况,本文研究了管道的优化运行问题:已知气源供气条件与用户用气量随时间的变化规律、管道设备参数、环境参数、运行参数约束等,求解总能耗费用最低的管道运行方案。首先,建立了该问题的数学模型,包括管道级优化模型与站级优化模型两部分。其中前者以整条管道的总能耗费用最低为目标计算压气站最优出站压力。假设压气站出站压力不随时间变化,将非稳态优化运行问题看作依次确定各压气站出站压力的多阶段决策过程,在每个阶段通过非稳态仿真处理管流控制方程约束,并求解站级优化模型以计算压气站能耗费用,提出了管道级优化模型的动态规划算法。将非稳态优化运行问题转化为序列稳态优化运行问题并求解,根据求解结果压缩动态规划算法状态空间,加速了该算法。另外,还提出了管道级优化模型的混合模拟退火算法。首先以最小化管道能耗费用与压气站出站压力在非稳态过程中的累计变化量加权和为目标,使用模拟退火算法求解非稳态优化运行问题转化而来的序列稳态优化运行问题。然后基于两条启发式规则,包括降低压气站出站压力波动幅度、压气站压比应保持在合理范围内,调整求解结果,以得到原非稳态优化问题的可行解。站级优化模型描述了压气站站内优化问题:给定压气站进站压力、流量、出站压力,计算能耗费用最低的开机方案。根据运行参数是否随时间变化,分为稳态优化运行问题与序列开机方案优化问题。将稳态优化运行问题看作压气站总流量在压缩机组之间的资源分配问题,提出了能够求得该问题全局最优解的动态规划算法。在给定压缩机进口压力、温度、出口压力的条件下,使用线性方程逼近压缩机组能耗费用与流量的关系,提出了序列开机方案优化问题的混合整数线性规划算法。将序列开机方案优化问题看作依次确定压气站在各时步的运行方案的多阶段决策问题,提出能够求得问题全局最优解的动态规划算法。通过算法测试发现,基于压缩机组能耗费用线性化的混合整数线性规划算法计算时间为动态规划算法的1.52%~67.20%,最优解目标函数值比全局最优解高0.22%~1.18%。