化工装置数值优化实时性提升算法探析

针对化工装置中大规模非线性操作优化出现的求解复杂度高、收敛难度大以及实时性差等问题,在原始滚动时域优化算法的基础上开发了一种基于灵敏度信息的数值优化求解实时性提升算法。该算法在克服优化计算不确定性的同时,可利用当前非线性规划问题优化结果的灵敏度信息实现在线预估未来优化时间段内操作优化问题的近似最优解,并且通过背景计算和离线矫正进一步提升预估解的精度,从而保证既快又精准地求解操作优化问题。文章选择了1个典型的化工装置作为仿真案例,优化计算耗时相比传统方法减少64.3%,验证了上述实时性提升算法的有效性。     

阶梯形水平井段等曲率双圆弧形设计问题的解析解

为了快速、精确地求解阶梯形水平井段等曲率双圆弧形三维井眼轨道设计问题,对设计约束方程组的解析求解方法进行了研究.利用三维井眼轨道设计问题的拟解析解理论,推导了圆弧曲率相等且同为未知数时的特征多项式的数学表示式;利用C++面向对象编程语言,实现了多项式的数值计算.利用构造理论模型计算出该模型的各种关键数据,再以此为已知设计数据、以圆弧曲率为未知数进行求解验证;设计约束方程组的解析法不仅能够正确区分出真解与增解,而且真解与已知数据完全相同.求出了阶梯形水平井段等曲率双圆弧形三维井眼轨道设计问题的解析解,解决了该问题有解、无解的判定问题,以及快速求解的问题.研究结果表明,设计约束方程组的解析法是一种可以用计算机实现的新算法,计算速度快、结果精确、可靠性高,可应用于钻井设计软件开发.      

基于改进随机扰动近似算法的油藏生产优化

油藏生产优化属于大规模系统最优控制问题,鉴于伴随梯度类算法求解该问题过于复杂的局限性,通过引入控制变量协方差矩阵,提出了一种改进随机扰动近似求解算法(GSPSA)。该算法可对控制变量进行同步扰动获得搜索方向,计算简便,便于和任意油藏模拟器相结合,且搜索方向恒为上山方向,保证了算法的收敛性。计算实例表明,该算法收敛速度快,优化所得方案有效的改善了注水开发效果,且便于实际操作,同时该方法还可被进一步应用于注气驱或三次采油等开发方案的优化及制定。     

三维定向井轨道设计新方法─恒装置角法

由于在恒装置角曲线井眼轨道的坐标增量计算中使用了定积分,致使相应的井眼轨道设计问题的求解非常困难,不仅计算时间长,且算法收敛性差。在假设弯曲井段为恒装置角曲线条件下,建立了新的三维定向井和侧钻井井眼轨道设计数学模型;使用幂级数展开方法计算井段坐标增量公式中的定积分,将井眼轨道设计模型中的多元非线性方程组求解问题降维转化为二元非线性优化问题,极大地降低了数值计算的复杂度。使用数值优化算法对恒装置角井眼轨道设计问题进行求解,不仅减少了计算时间,增强了算法稳定性,而且具有全局收敛性质。实际算例表明,新方法能够快速、有效地求解恒装置角型井眼轨道设计问题,所使用的幂级数展开方法适用于解决恒装置角井眼轨道计算的一系列问题,是一种有效的数学简化方法。     

网格逐次剖分算法在三维地震射线追踪中的应用

初至波走时计算与路径追踪是基于射线理论层析成像的关键,走时线性插值(LTI)算法具有较高的追踪精度和计算效率,在二维条件下应用广泛,但在三维情况下存在最小走时方程不能解析求解的问题。为此,在走时线性插值的基础上,提出了一种改进的网格逐次剖分方法。该方法基于原有的LTI网格界面剖分算法,在最小走时剖分点附近建立同样规格的剖分点阵列进行进一步的细分搜索,寻找最小走时,避免了增加剖分精度而进行的全局细化搜索,节约了计算时间。该方法解决了三维LTI最小走时求解问题,并且能够以较小的计算代价获得更高的计算精度。在给出算法原理与计算步骤的同时,通过模型及实例验证了新算法在计算精度与计算效率上的改进。     

求解天然气管网运行优化问题的TDDP算法

由于天然气管网运行优化问题的非线性和非凸性,且包含了管道流量和节点压力这两种连续变量,使得求解该问题非常困难。由于动态规划算法(DP)以及由其改进形成的非序列动态规划算法(NDP)对问题的非线性和非凸性不敏感,并且可以得到全局最优解,因而得到了广泛的应用。但是DP算法只能求解长输管道运行优化问题,NDP算法虽然可以求解天然气管网运行优化问题,但是受到管网拓扑结构的限制。在分析DP和NDP算法本质的基础上,文章提出了一种基于树分解的动态规划算法(TDDP),即利用树分解先将原问题划分成为若干互相关联的子问题,再利用DP算法求解子问题。通过与遗传算法的对比,TDDP算法具有较高的计算效率和结果最优性。     

无约束优化的并行坐标下降法

提出了一种求解无约束优化问题的并行坐标下降法．并给出了该并行算法的数值实验结果，进而讨论了该算法的加速倍数及并行效率。计算结果表明该并行算法是行之有效的。     

基于三维地形的气田星枝状管网路径优化研究

传统二维平面条件下研究管网布局难以贴近实际,本研究以三维曲面上两点间最短距离代替平面距离,建立三维地形星枝状管网分级优化模型,应用真实地形有限高程点数据,通过四格点样条函数内插法构建气田所在区域的真实地形,对三维曲面进行网格划分。采用蚁群算法和轮盘赌算法计算三维曲面上两点间最短距离;采用K-medoids中心点聚类法,以管线长度最短为目标进行井组划分和集气站站址确定;采用Prim算法求解支干管线布局的最小生成树,以流量长度之和最短为目标;采用弗洛伊德算法确定中心处理站站址。算例结果表明,三维管网优化管线长度比二维管网优化管线长度降低14.35%。该研究能够为天然气集输系统的工程建设与成本优化提供参考依据。     

基于改进粒子群算法的蒸汽驱注采方案优化

针对蒸汽驱注采方案优化问题,以累积油汽比为优化目标,建立了以注汽速率、蒸汽干度和注汽压力等为约束条件的蒸汽驱注采方案优化数学模型,采用改进粒子群算法对该模型进行了求解,并优化了蒸汽驱的主要注采参数。改进粒子群算法以进化停滞步数为依据,对个体历史最优值和邻域内粒子的最优值实施随机扰动,并且只接受使个体适应度增加的随机扰动操作,使记忆中的最优粒子跳出局部最优解,保证了种群的多样性,提高了算法的精度和稳定性。实例计算证明,该优化模型计算结果准确,优化算法有效。通过该优化方法可快捷准确地进行蒸汽驱动态优化和方案调整,以便于指导蒸汽驱高效运行。     

禁忌算法在集输管网布站设计中的应用

天然气集输管网的布站设计中引入了具有快速搜索能力的禁忌搜索算法,由于该算法在求解时不依赖于梯度信息,因而特别适合解决大规模复杂问题。禁忌算法克服了单纯形算法优化效果在优化过程中随函数维数的增加明显下降的缺点,并且将其成功应用于算例中。计算结果表明,禁忌算法优于单纯形算法,具有一定的可行性和有效性。