طراحی بهینه شبکه های توزیع پلی اتیلن در صنایع گاز با استفاده از الگوریتم ژنتیک

مسعود قاسم نژاد مقدم : دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه فنی مهندسی ، واحد تبریز، دانشگاه آزاد اسلامی، تبریز، ایران – Masoudmsm110@yahoo.com

رضا حسن نژاد قدیم : استادیار، دانشگاه تبریز، دانشکده فنی مهندسی مکانیک، تبریز، ایران – rhassannejad@gmail.com

مقاله حاضر در سومین کنفرانس بین‌المللی پژوهش در مهندسی, علوم و تکنولوژی در باتومی گرجستان و در تاریخ 16 خرداد 1395 ارائه شده است. چکیده امروزه با توجه به گسترش روز افزون استفاده از گاز طبیعی در دنیا، سرمایه گذاری در بخش شبکه های گاز اهمیت به خصوصی یافته است طراحی خطوط لوله با در نظر گرفتن انواع فاکتورها و شرایط محیطی موجود، و همچنین استانداردهای قانونی هر کشور دارای پیچیدگی خاصی بوده و بایستی اثرات آنها در نظر گرفته شود و راه حل بهینه ای جهت فائق آمدن بر مشکلات پیدا گردد که کاری بسیار طاقت فرسا و مشکل میباشد. از همه مهمتر عوامل اقتصادی دخیل در آن مانند هزینه های اجرا، سایزینگ مناسب، فرمول ها و محاسبات مربوط به طراحی، استانداردها، محلهای مصرف و فواصل آنها، طراحی ایمن شبکه کاری بسیار مشکل میباشد. استفاده از روشهای معمولی و سنتی طراحی خطوط لوله گاز، باعث انتخاب مسیرهای طولانی و عبور از نواحی غیر مجاز به دو چندان شدن هزینه های مالی و زمانی دامن زده است. کمینه سازی هزینه های گازرسانی با انتخاب مسیر مناسب و قطر مناسب لوله و با در نظر گرفتن محدودیت های عدم افت فشار در شبکه و حجم جریان انتقالی گاز، یکی از چالش های مهم در صنعت گاز میباشد که میتواند بصورت یک مساله بهینه سازی فرموله شود. بنابراین نیاز به یک روشی که بتواند تمام موارد ذکر شده را در نظر بگیرد بطور کلی احساس میشود. در این مقاله با استفاده از مفهوم شبکه (گراف)، مدل ریاضی برای شبکه انتقال گاز طوری طراحی خواهیم کرد که اولاً بهترین مسیر برای انتقال گاز از نظر فاصله انتخاب شود ثانیاً در مسیرهای انتخاب شده از لوله های پلی اتیلن موجود طوری استفاده خواهیم نمود که با رعایت استانداردهای موجود و تامین نیازهای منطقه تحت پوشش، هزینه استفاده از لوله های مذکور کمینه گردد. پس از طراحی مدل ریاضی، مساله را با الگوریتم ژنتیک نیز حل خواهیم نمود. مقدمه همراه با پیشرفت صنایع مختلف، صنعت گاز نیز پیشرفت کرده است و خطوط لوله گاز طبیعی بزرگ و پیچیده شده اند. به همین دلیل اهمیت بهینه کردن عملیات و برنامه ریزی این تسهیلات افزایش یافته است. هزینه سرمایه گذاری و مخارج عملیاتی شبکه انتقال خطوط گاز طبیعی بسیار زیاد میباشد بنابراین بهبود کوچکی در سیستم های بهره برداری موجب صرفه جویی زیادی میگردد. خدمات صنعت گاز شامل تولید، انتقال و فروش گاز میباشد که این تحقیق در خصوص عملیات انتقال گاز صورت گرفته است. مفهوم انتقال گاز حرکت دادن حجم زیاد و مشخصی از گاز با فشار خاص به منظور تامین نیاز مناطق خاصی در مسافت های زیاد از منابع تا مراکز مصرف میباشد. گاز طبیعی به وسیله فشار در سیستم شبکه خطوط لوله منتقل میشود. وقتی گاز در شبکه جریان مییابد بخشی از انرژی و فشار خود را از طریق اصطکاک گاز و جداره داخلی لوله و انتقال حرارت گاز و محیط اطرافش از دست میدهد. فشار (انرژی) از دست رفته گاز معمولاً بصورت دورهای توسط ایستگاه های کمپرسوری که در شبکه انتقال تعبیه میگردد، جبران میشود. در شبکه های انتقال گاز یکی از عمده ترین هزینه عملیاتی سیستم، هزینه لوله پلی اتیلن انتقالی گاز میباشد هزینه انتقال با انتخاب کوتاه ترین مسیر و سایز لوله های پلی اتیلن استفاده شده در شبکه میتواند بطور قابل توجهی هزینه های مربوطه را کاهش دهد. در این قسمت تحقیق مروری بر تحقیقات انجام شده می پردازیم. (هاشمی و همکاران، 1393 ) اقدام به طراحی شبکه های گاز رسانی با استفاده از الگوریتم استعماری پرداخته اند که در آن در مرحله نخست یک ترکیب جدید الگوریتم رقابت استعماری با استفاده از عملگر جهش مبتنی برتئوری موجک ارائه شده است. تئوری موجک برای افزایش بیشتر کارایی جستجو در فضای راه حل و ارائه یک راه حل بهتر به فاز انقلاب الگوریتم رقابت استعماری اولیه اضافه شده و نتایج حاصل از این بهبود با ICA اصلی، ICA متعامد و ICA آشوب مقایسه شده است. (فرداد وهمکارانش، 1388 ) اقدام به طراحی شبکه های گاز با استفاده از الگوریتم ژنتیک نموده و در روش مذکور اقتصادی ترین طراحی شبکه، از جمله اندازه خطوط لوله و مکان و توان ایستگاههای تقویت فشار مورد بررسی قرار گرفت. (فنایی و همکاران، 1383) به شبیه سازی دینامیکی خطوط لوله انتقال گاز در جهت انجام عملیات گاز رسانی به چهار منطقه در کشور به دو صورت پایا و دینامیکی پرداختند. درشبیه سازی صورت گرفته، خط لوله اصلی انتقال گاز از پالایشگاه خانگیران تا ایستگاه تقویت فشار را مسیر بطول 1065 کیلومتر همراه با ایستگاههای تقویت فشار موجود در مسیر رضوی، فاروج، قلعه جیق، نکا درنظرگرفته شده است. همچنین از مقادیر متوسط مصرف شهرهای موجود در مسیر انتقال مربوط به زمستان 1385درشبیه سازی استفاده شده است. ( قلیزاده و همکارانش، 1383 ) به ارائه روشی نوین در جایابی بهینه پست های توزیع به روش الگوریتم ژنتیک پرداختند در این پروژه روشی نوین در جایابی بهینه پست های توزیع بر پایه الگوریتم ژنتیک ارائه شده است. در این روش محل و ظرفیت بهینه پست های توزیع و حوزه تغذیه بهینه آنها با در نظر گرفتن حداقل تلفات و ملاحظات اقتصادی تعیین گردید. (مقدم و مستقیمی، 1375 )به تحقیق درباره آرایش مجدد شبکه های توزیع بوسیله الگوریتم ژنتیک به منظور کمینه کردن یک تابع هزینه مشخص روی آن پرداختند. روش بهینه سازی الگوریتم ژنتیک درسال 1985 توسط گلدبرگ معرفی گردید (گلدبرگ، 1985 ). (لتنیوفسکی، 1993 ) به مدلسازی ایستگاه تقویت فشار در شبکه انتقال گاز پرداخت. (محیط پور، 1996 ) ازشبیه سازی پویا برای طراحی و بهینه سازی سیستم خطوط لوله انتقال استفاده کرد. (ریوزمرکادو، 2001 ) تکنیک کاهشی برای مسائل بهینه سازی شبکه های انتقال گازطبیعی ارائه شد که در آن موارد نرخ جریان درهرآرک (قطعات خط لوله) و میزان فشار در هرگره ازخط لوله مورد بررسی قرار گرفتند. (چاپمن وع باسپور ، 2005 ) بهینه سازی عملکرد ایستگاهها را در شرایط غیر هم دما و ناپایا، بوسیله روش برنامه ریزی غیرخطی را مورد مطالعه قراردادند . هدف آنها مینیمم کردن هزینه های شبکه طراحی بوده است. هدف این مقاله بررسی مسیرهای ممکن برای انتقال گاز با استفاده از مفهوم گراف به منظور پیدا کردن بهترین مسیر جهت انتقال از نظر مسافت و همچنین بهترین لوله پلی اتیلن ( از نظر قطر و سایز آن) به منظور تامین نیازهای منطقه پوششی مورد نظر با در نظر گرفتن استاندارهای ملی خواهد بود. مدل ارائه شده با الگوریتم ژنتیک نیز حل خواهد شد. متن کامل مقاله طراحی بهینه شبکه های توزیع پلی اتیلن در صنایع گاز با استفاده از الگوریتم ژنتیک را از پایگاه سیویلیکا دانلود نمائید

خلاصه عناوین مقاله

– کنترل محدودیتهای فشار و سرعت گاز در لوله های پلی اتیلن – تجزیه و تحلیل مدل ریاضی – حل مدل ریاضی با الگوریتم ژنتیک – ایجاد جمعیت اولیه – مکانیزم نمونه‌گیری – روش تورنامنت – روش چرخ رولت – عملگرهای ژنتیکی – عملگر جهش – انتخاب براساس بهترینها – استراتژی برخورد با محدودیت‌ها – معیار توقف الگوریتم – حل مثال عددی ( مطالعه موردی شهرک سهند تبریز استان آذربایجان شرقی ) – نتایج تحقیق – منابع

نتایج تحقیق در این مقاله، از روش برنامه ریزی عدد صحیح مختلط برای مدلسازی مساله گازرسانی استفاده کرده ایم. با استفاده از مدل ریاضی مذکور بهترین مسیر از نظر مسافت برای عملیات گاز رسانی انتخاب میشود. در این مدل ریاضی تمام استاندارهای شرکت ملی گاز ایران رعایت میگردد. در طراحی مدل برخی از نقاط تقاضا علاوه براینکه خود دارای تقاضای معینی هستند خود نیز به عنوان نقطه پخش به نقاط مجاور مورد استفاده قرار گرفته است. به دلیل اینکه مدل ریاضی مذکور غیر خطی و پیچیدگی آن بیش از حد میباشد نرم افزارهای بهینه سازی مثل لینگو قادر به حل آن نمیباشند) مدل غیر خطی بوده و در حل آن به نرم افزارهای بهینه سازی حل بهینه به دلیل اینکه مساله در بهینه موضعی گیر میکند بدست نخواهد آمد(.  لذا برای این منظور از الگوریتم ژنتیک استفاده نموده ایم. جهت حل مدل ریاضی با الگوریتم ژنتیک بایستی مدل از فضای فنوتیپ به فضای ژنوتیپ انتقال داده شود. لذا بدین منظور قالب مدل ریاضی را در قالب الگوریتم ژنتیک بازنویسی کردیم و مراحل طراحی کروموزم و حل را به تفصیل مورد تحلیل قرار دادیم. در عملیات انتقال گازرسانی میتوان داده‌های اولیه را به مدل ریاضی و نرم افزار طراحی شده در چارچوب الگوریتم وارد کرد سپس بهترین مسیر عملیات انتقال گاز و نوع لوله های مورد استفاده در مسیرها، فشار و سرعت متوسط و همچنین هزینه عملیات گاز رسانی را مشاهده نمود. بنابراین یافته‌های تحقیق را بطور خلاصه بصورت زیر بیان می کنیم:

1. ارائه مدل ریاضی با استفاده از روش برنامه‌ریزی عدد صحیح مختلط 2. ارائه شبکه گازرسانی با بهترین مسیر از نظر اقتصادی 3. پیش بینی هزینه عملیات گازرسانی با استفاده از این روش 4. امکان شناسایی گلوگاه‌های شبکه گازرسانی 5. مقدار مورد نیاز از هر نوع لوله جهت انجام عملیات گاز‌رسانی 6. شناسایی محل تامین تقاضای هر نقطه از بین نقطه‌های مجاور 7. و مهمتر اینکه میتوان با این روش، امکان سنجی عملیات گازرسانی را قبل از انجام آن بخوبی انجام داد.