由于长距离天然气管道输送需要依靠压缩机提供能量,而天然气管道的实际运行状态是不断变化的,稳态优化技术已无法满足管道的实际运行情况,瞬态优化技术应运而生。在满足用户需求的前提下,如何选择压缩机组合,制定最优运行方案,使压缩机能耗最低,是天然气管道运行管理的关键,因此研究天然气管道系统瞬态运行优化技术成为了管道输送至关重要的课题。为此,在调研大量文献的基础上,分别从目标函数、约束条件和优化变量三个方面总结了瞬态运行优化问题采用的数学模型及其特点和局限,分析了模型的主要算法、典型算例及其应用效果。本文针对天然气干线管道的瞬态运行优化问题,根据干线管道输气过程中的特点,进行了天然气干线管道的瞬态运行优化模型的建立、求解方法的理论研究以及工程实例的计算分析,研究主要完成内容及取得的成果和认识如下:(1)建立了以干线管道系统的能耗最低为优化目标的优化模型。模型以压缩机站的出口压力以及压缩机的开机数目为优化变量,分别从压缩机站和管道两个方面设置约束条件,包括压缩机的特性、管道的运动方程和状态方程、管道的边界约束条件等,是一个混合整数非线性规划模型。(2)根据瞬态优化模型的特点,以一个压缩机站及其后连接的管道为一个计算单元,采用隐式中心差分法对管道的偏微分方程进行离散化。由于模型中含有较多非线性项,增加了求解的难度,必须先对非线性项进行处理,采用第二类和第三类特殊序列集合法(Special order sets,简称SOS)分别对管道连续性方程和动量方程中的一维和高维非线性函数进行线性化处理。(3)天然气干线管道瞬态运行优化变量包括连续变量和离散变量。为了对优化模型进行求解,首先枚举压缩机运行数目得到压缩机出口压力范围。在此基础上,采用随机搜索法得到的解作为初始可行解,采用切割算法对SOS条件进行分支和预处理,根据最优性条件消除多余的分支,确定原问题的上下界,这样对简化后的模型进行分支切割计算,直到求出最优解为止。(4)本文选择西气东输一线东段从中卫站到92#阀室段的管线作为研究对象,首先确定基础数据,包括各时间层压气站的进站压力和流量、压缩机的特性参数、以及管道的管径、沿线高程、里程、粗糙度和初始时刻管道的流量等。通过对数据的拟合及优化计算,得出能耗最低的运行方案,包括其对应的运行压缩机的数目和压缩机出口压力值随时间变化的情况。提取计算过程中通过随机搜索得到的可行解为方案一,优化计算过程中的中间优化解为方案二,优化计算得到的最优解为方案三,分别对三个方案的各项计算结果进行对比分析,证明了最优解方案的优化效果显著。