Modélisation et résolution du problème de transport de gaz: application au réseau principal français

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Madeleine St-Louis
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1 Modélisation et résolution du problème de transport de gaz: application au réseau principal français Présentation des travaux de thèse GDF SUEZ - INPT - ENSIACET - LGC EMN 24 mars 2011

2 Le gaz en Europe Contexte du transport de gaz Le gaz en Europe Les "autoroutes" du gaz :

3 Contexte du transport de gaz Réseau principal de transport Réseau de transport principal français (partie GRTgaz) Présence sur une bonne partie du réseau français Plusieurs approvisionnements Plusieurs consommations Maillé Stations d'interconnexion Impossible de prévoir le sens du gaz dans le réseau Des réseaux étrangers, du gaz liquide Les réseaux régionaux, des gros industriels, des stockages

Plusieurs consommations Maillé Stations d'interconnexion Impossible de prévoir le sens du gaz dans

4 Contexte du transport de gaz Problématique abordée Problématique Vérication de la faisabilité d'un scénario d'entrées-sorties en régime permanent Scénario décrivant des conditions extrêmes pour le réseau physique Exemple : Hiver froid, approvisionnement russe partiel, etc... Implication mathématique : problème de faisabilité, pas de fonction objectif déni

conditions extrêmes pour le réseau physique Exemple : Hiver froid, approvisionnement

5 Contexte du transport de gaz Stations d'interconnexion Station d'interconnexion Carrefours du gaz Regroupement d'ouvrages agissant sur le gaz : Orientation Compression (souvent 0 ou 1 station de compression) Détente Structurant le réseau

d'ouvrages agissant sur le gaz : Orientation Compression

6 Contexte du transport de gaz Hypothèses simplicatrices Hypothèses Gaz unique sur le réseau, même densité, même pouvoir calorique Stations de compression approchées par un compresseur équivalent

7 Modélisation du réseau Modèle Réseau Modélisation du réseau par un graphe de ots Diérence majeure avec un problème de ots : débit sur les arcs mais aussi pression sur les n uds Corrélation très forte entre le débit et la pression Impossibilité de négliger la pression

les arcs mais aussi pression sur les n uds Corrélation très forte

8 Modèle Phénomènes Phénomènes régissant le transport de gaz 4 phénomènes : Equilibre des entrées et des sortie ( loi des n uds ) Frottements dans les canalisations : perte de pression du gaz ( perte de charge ) Compression du gaz : augmentation de la pression du gaz Détente du gaz : diminution de la pression du gaz

canalisations : perte de pression du gaz ( perte de charge ) Compression du

9 Variables Modèle Variables Réseau représenté par un graphe G = (V, E) P i pression du gaz au n ud i V Q i,j débit du gaz sur un arc (i, j) E Sens du débit indiqué par le signe de la variable Q i,j Fausse variable W i,j travail d'un compresseur situé entre i et j Bornes : 0 < P i P i P i 100 Q i,j R 0 W i,j W i,j W i,j 10 7

indiqué par le signe de la variable Q i,j Fausse variable W i,j travail d'un

10 Loi des n uds Modèle Equations Au n ud i Q i,j = s i d i (1) j E s i quantité entrante au n ud i d i quantité sortante au n ud i Equation linéaire, c ur du problème de ots

11 Perte de charge Modèle Equations Pour une canalisation situé entre les n uds i et j. P 2 i P 2 j = c i,j Q i,j Q i,j (2) Coecient c i,j représentant la géométrie de la canalisation et le phénomène d'écoulement c i,j = αd 0.T.Z m (P i, P j ).λ(q, D) L i,j D 5 i,j Souvent considéré comme constant et proportionnel à L i,j Di,j 5 première approximation Ranement possible en prenant en compte Z m Non linéaire et non convexe en

phénomène d'écoulement c i,j = αd 0.T.Z m (P i, P j ).

12 Détente du gaz Modèle Equations Rôle crucial dans le problème Pour un gaz allant de i à j P i P j (3) Modélisation bilatérale Q i,j (P i P j ) 0 (4) Réduction du nombre d'inéquations au total mais augmentation du nombre d'inéquations non linéaires.

bilatérale Q i,j (P i P j ) 0 (4) Réduction du nombre

13 Compression Modèle Equations Un phénomène mais 2 équations Le travail (( ) γ2 Pj W i,j = γ 1 Q i,j 1) P i γ 1 0, 136 γ 2 0, 231 Non linéaire et non convexe Le taux de compression admissible (5) 1 P j P i τ i,j < 3 (6)

14 Modèle Equations C ur du problème de transport de gaz Trouver P, Q tel que j E Q i,j + s i = j E P 2 Q j,i + d i i Pj 2 = c i,j Q i,j Q i,j (( ) γ2 Pj W i,j = γ 1 Q i,j 1) P i (P ) Q i,j (P i P j ) 0 1 P j P i τ i,j combinatoire liée aux interconnexions bornes (7) Non linéaire, non convexe et en nombres entiers

i,j = γ 1 Q i,j 1) P i (P ) Q i,j (P i P j ) 0 1 P j P i τ i,j combinatoire

15 Modélisation des stations d'interconnexion Modélisation en nombres entiers Modélisation en nombres entiers Modélisation classique : LEGENDE : une station de compression une vanne de détente Sur le réseau français : possibilités

Modélisation classique : LEGENDE : une station de

16 Exercice 1 Modélisation des stations d'interconnexion Modélisation en nombres entiers Soit une interconnexion I V V, écrivez les diérentes équations qui décrivent les phénomènes et les choix possibles à l'aide de variables binaires, des variables, P i, P j, Q i,j, W i,j, (i, j) I et des paramètres précédemment cités. Barème : 5 points

décrivent les phénomènes et les choix possibles à l'aide de variables binaires, des

17 Modélisation des stations d'interconnexion Transformation Transformation du modèle en nombres entiers Transformation du modèle possible due à 2 facteurs Modélisation des détentes Nombre limité du nombre de compresseur par interconnexion

du modèle possible due à 2 facteurs Modélisation des

18 Modélisation des stations d'interconnexion Modèle non linéaire Modélisation continue de la station d'interconnexion Relier tous les n uds entre eux à l'aide de vannes Placer le compresseur à un niveau "supérieur" Relier le compresseur à tous les n uds Détente bidirectionnelle Compresseur Détente unidirectionnelle Détente unidirectionnelle Modélisation continue de la station d'interconnexion

niveau "supérieur" Relier le compresseur à tous les n uds Détente bidirectionnelle Compresseur

19 Exercice 2 Modélisation des stations d'interconnexion Modèle non linéaire Soit une interconnexion I V V, écrivez les diérentes équations qui décrivent les phénomènes et les choix possibles à l'aide des variables, P i, P j, Q i,j, W i,j, (i, j) I et des paramètres précédemment cités. Barème : 5 points

décrivent les phénomènes et les choix possibles à l'aide des variables, P

20 Modélisation des stations d'interconnexion Comparaison des 2 modélisations Comparaison Critères Nombres entiers non linéaire continue Nombre de variables = = Complexité - + Optimum + - Meilleurs résultats de la formulation non linéaire sur des petits réseaux réalistes

continue Nombre de variables = = Complexité - + Optimum + -

21 Méthodes de résolution Méthode des moments Méthode d'optimisation polynomiale basée sur les travaux de Jean-Bernard Lasserre En faisant l'approximation γ 2 = 0.25 et en posant comme variable intermédiaire Z 4 i = P i Transformation en problème polynomial Résultats encourageants mais ne convient pas à un problème de taille industrielle, limitation pratique à 50 variables.

22 Linéarisation Méthodes de résolution Utiliser la puissance des solveurs en nombres entiers pour résoudre la conguration des interconnexions Linéarisation par morceaux : Combinatoire des morceaux rapidement importante devant celle des interconnexions Linéarisation successive : Temps de calcul extrêmement long par rapport à un solveur non linéaire classique.

23 Méthodes de résolution Méthode de résolution Résolution brute du problème peu ecace Suite de relaxations construites par ajout de contraintes Exemple : min f(x) c1(x) 0 x solution du problème ci-dessus, point d'initialisation du problème ci-dessous min g(x) c1(x) 0 c2(x) 0

24 Choix sur l'objectif Méthodes de résolution Discussion sur la méthode de résolution Quel objectif prendre pour le sous problème i? min 1 min c i+1 (x) min c i+1 (x) Objectif métier, max P i, min W i,j Pseudo objectif métier min (s i S i ) 2

25 Méthodes de résolution Choix sur l'ajout des contraintes Discussion sur la méthode de résolution Dans quel ordre ajouter les contraintes c i Aléatoire Géographiquement Egalité puis inégalité Par phénomène et par nombre décroissant

26 Résultats Résultats Instances de 1600 variables pour 1500 contraintes Solveur : Ipopt via l'interface GAMS Intel Duo-Core 2,26Ghz 2Go de RAM 36 cas tests Objectif Relaxation Réussite Temps moyen (sec) min W i,j max P i min(s i s i )

27 Conclusion et perspectives Conclusion & Perspectives Grâce à un travail sur la modélisation, obtention de résultats encourageants sur un problème de taille industrielle Étendre le modèle an de coller aux problèmes des opérationnels, gaz diérents en fonction des provenances, stations de compression réelles Regarder la possibilité de transformer une classe de MINLP en NLP

28 Conclusion et perspectives Questions en suspens Ordre d'ajout des contraintes lors de la sous création des problèmes Quelle fonction objectif choisir Solveur plus approprié que IPOPT? Autre méthode de résolution

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