Задача подготовки и транспортировки газа

Задача подготовки и транспортировки газа

Кочетов Ю. А., Легкоконец В. А., Панин А. А., Плясунов А. В., Сом Л. В.
Дискретный анализ и исследование операций, 29, 2, 5-23 (2022)
Скачать статью

УДК 519.8+518.25 
DOI: 10.33048/daio.2022.29.720

Аннотация:

Рассматривается новая задача подготовки и транспортировки газа. Особенность задачи заключается в совмещении процессов размещения и маршрутизации. На месторождениях известны скорости добычи газа. Известны расстояния как между месторождениями, так и до пунктов сдачи газа. Требуется разместить установки предварительной и комплексной подготовки газа на месторождениях и построить систему трубопроводов при наименьших финансовых затратах так, чтобы весь добытый газ был подготовлен (доведён) до состояния сухого очищенного газа (СОГ) и доставлен до пунктов сдачи газа. 

Для задачи построена математическая модель в терминах частично целочисленного линейного программирования. Для решения задачи разработан приближённый гибридный алгоритм, основанный на эвристических подходах. Эффективность алгоритма подтверждается сравнением с точными алгоритмами решения, реализованными в пакетах программ Gurobi, Cplex и Pulp на прикладных примерах с реальными месторождениями.
Табл. 5, библиогр. 14.

Литература:
  1. Ríos-Mercado R. Z., Borraz-Sánchez C. Optimization problems in natural gas transportation systems: A state-of-the-art review // Appl. Energy. 2015. V. 147. P. 536–555.
     
  2. Zheng Q. P., Rebennack S., Iliadis N. A., Pardalos P. M. Optimization models in the natural gas industry // Handbook of Power Systems I. Heidelberg: Springer, 2010. P. 121–148.
     
  3. Welch T. H., Smith J. G., Rix J. P., Reader R. D. Meeting seasonal peak demands for natural gas // J. Oper. Res. Soc. 1971. V. 22. P. 93–106.
     
  4. Contesse L., Ferrer J. C., Maturana S. A mixed-integer programming model for gas purchase and transportation // Ann. Oper. Res. 2005. V. 139, No. 1. P 39–63.
     
  5. De Nevers N., Day A. Packing and drafting in natural gas pipelines // J. Pet. Technol. 1983. V. 35, No 3. P. 655–658.
     
  6. Carter R. G., Rachford H. H., Jr. Optimizing line-pack management to hedge against future load uncertainty // Proc. 35th PSIG Annu. Meet. (Bern, Switzerland, Oct. 15–17, 2003). Houston: PSIG, 2003. PSIG-0306.
     
  7. Krishnaswami P., Chapman K. S., Abbaspour M. Compressor station optimization for linepack maintenance // Proc. 36th PSIG Annu. Meet. (Palm Springs, CA, USA, Oct. 20–22, 2004). Houston: PSIG, 2004. PSIG-0410.
     
  8. Frimannslund L., Haugland D. Line pack management for improved regularity in pipeline gas transportation networks // Safety, Reliability and Risk Analysis: Theory, Methods and Applications. V. 4. Leiden: CRC Press, 2009. P. 2963–2969.
     
  9. Borraz-Sánchez C. Optimization methods for pipeline transportation of natural gas: PhD Thes. Bergen: Univ. Bergen, 2010.
     
  10. You F., Pinto J. M., Capon E., Grossmann I. E., Arora N., Megan L. Optimal distribution-inventory planning of industrial gases. I. Fast computational strategies for large-scale problems // Ind. Eng. Chem. Res. 2011. V. 50, No. 5. P. 2910–2927.
     
  11. Lei L., Liu S., Ruszczynski A., Park S. On the integrated production, inventory, and distribution routing problem // IIE Trans. 2006. V. 38, No. 11. P. 955–970.
     
  12. Discrete location theory. New York: John Wiley Sons, 1990.
     
  13. Diakova Z., Kochetov Yu. A. A double VNS heuristic for the facility location and pricing problem // Electron. Notes Discrete Math. 2012. V. 39. P. 29–34.
     
  14. Кочетов Ю. А., Панин А. А., Плясунов А. В. Сравнение метаэвристик для решения двухуровневой задачи размещения предприятий и фабричного ценообразования // Дискрет. анализ и исслед. операций. 2015. Т. 22, № 3. С. 36–54.

Работа выполнена в рамках государственного задания ИМ СО РАН (проект № FWNF–2022–0019).

Кочетов Юрий Андреевич
  1. Институт математики им. С. Л. Соболева,  
    пр. Акад. Коптюга, 4, 630090 Новосибирск, Россия

E-mail: jkochet@math.nsc.ru

Легкоконец Владислав Александрович
  1. ООО «Газпромнефть НТЦ»,  
    наб. р. Мойки, 75–79 лит. Д, 190000 Санкт-Петербург, Россия

E-mail: legkokonets.va@gazpromneft-ntc.ru

Панин Артём Александрович
  1. Институт математики им. С. Л. Соболева,  
    пр. Акад. Коптюга, 4, 630090 Новосибирск, Россия

E-mail: aapanin1988@gmail.com

Плясунов Александр Владимирович
  1. Институт математики им. С. Л. Соболева,  
    пр. Акад. Коптюга, 4, 630090 Новосибирск, Россия

E-mail: apljas@math.nsc.ru

Сом Людмила Васильевна
  1. Институт математики им. С. Л. Соболева,  
    пр. Акад. Коптюга, 4, 630090 Новосибирск, Россия

E-mail: milisom@mail.ru

Статья поступила 3 июля 2021 г. 
После доработки — 7 декабря 2021 г. 
Принята к публикации 9 декабря 2021 г.

Abstract:

The paper considers a new problem of gas treatment and transportation. The specific feature of this problem is the combination of location and routing processes. The rates of gas extraction in gas fields, as well as the distances both between gas fields and to gas delivery points are known. It is required to place preliminary and complex gas treatment units at the fields and to build a pipeline system at the lowest financial cost so that all extracted gas would be prepared (brought) to a quality of dry purified gas (DOP) and delivered to gas delivery points. 

We build a mathematical model in terms of mixed integer linear programming was constructed. An approximate hybrid algorithm based on heuristic approaches was developed to solve the problem. The efficiency of the algorithm is confirmed by comparison with exact algorithms of solution implemented in Gurobi, Cplex and Pulp on applied instances with real gas fields. 
Tab. 5, bibliogr. 14.

References:
  1. R. Z. Ríos-Mercado and C. Borraz-Sánchez, Optimization problems in natural gas transportation systems: A state-of-the-art review, Appl. Energy 147, 536–555 (2015).
     
  2. Q. P. Zheng, S. Rebennack, N. A. Iliadis, and P. M. Pardalos, Optimization models in the natural gas industry, in Handbook of Power Systems I (Springer, Heidelberg, 2010), pp. 121–148.
     
  3. T. H. Welch, J. G. Smith, J. P. Rix, and R. D. Reader, Meeting seasonal peak demands for natural gas, J. Oper. Res. Soc. 22, 93–106 (1971).
     
  4. L. Contesse, J. C. Ferrer, and S. Maturana, A mixed-integer programming model for gas purchase and transportation, Ann. Oper. Res. 139 (1), 39–63 (2005).
     
  5. N. de Nevers and A. Day, Packing and drafting in natural gas pipelines, J. Pet. Technol. 35 (3), 655–658 (1983). 
     
  6. R. G. Carter and H. H. Rachford, Jr., Optimizing line-pack management to hedge against future load uncertainty, in Proc. 35th PSIG Annu. Meet., Bern, Switzerland, Oct. 15–17, 2003 (PSIG, Houston, 2003), PSIG-0306.
     
  7. P. Krishnaswami, K. S. Chapman, and M. Abbaspour, Compressor station optimization for linepack maintenance, in Proc. 36th PSIG Annu. Meet., Palm Springs, CA, USA, Oct. 20–22, 2004 (PSIG, Houston, 2004), PSIG-0410.
     
  8. L. Frimannslund and D. Haugland, Line pack management for improved regularity in pipeline gas transportation networks, in Safety, Reliability and Risk Analysis: Theory, Methods and Applications, Vol. 4 (CRC Press, Lieden, 2009), pp. 2963–2969.
     
  9. C. Borraz-Sánchez, Optimization methods for pipeline transportation of natural gas, PhD Thesis (Univ. Bergen, Bergen, 2010).
     
  10. F. You, J. M. Pinto, E. Capon, I. E. Grossmann, N. Arora, and L. Megan, Optimal distribution-inventory planning of industrial gases. I. Fast computational strategies for large-scale problems, Ind. Eng. Chem. Res. 50 (5), 2910–2927 (2011).
     
  11. L. Lei, S. Liu, A. Ruszczynski, and S. Park, On the integrated production, inventory, and distribution routing problem, IIE Trans. 38 (11), 955–970 (2006).
     
  12. Discrete Location Theory (John Wiley Sons, New York, 1990).
     
  13. Z. Diakova and Yu. A. Kochetov, A double VNS heuristic for the facility location and pricing problem, Electron. Notes Discrete Math. 39, 29–34 (2012).
     
  14. Yu. A. Kochetov, A. A. Panin, and A. V. Plyasunov, Comparison of metaheuristics for the bilevel facility location and mill pricing problem, Diskretn. Anal. Issled. Oper. 22 (3), 36–54 (2015) [Russian] [J. Appl. Ind. Math. 9 (3), 392–401 (2015)].