天然氣輸氣管道的優(yōu)化研究

周紅(勝利油田物資供應(yīng)處科技節(jié)能辦 山東東營 257000)

隨著我國能源需求量的不斷增加，煤炭和石油資源被不斷的開采，其儲(chǔ)量不斷的減少，而且煤炭和石油在使用的過程中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重污染，因此需要不斷的加強(qiáng)新能源和清潔能源的開發(fā)和使用的力度。天然氣作為重要的一種優(yōu)質(zhì)能源，對于緩解我國的能源危機(jī)，減少環(huán)境的污染具有重要的意義。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國的天然氣資源的儲(chǔ)量較大，但是天然氣資源主要分布在新疆、內(nèi)蒙、四川等西部地區(qū)，如何能夠?qū)⑦@些地區(qū)的天然氣資源輸送到需求量大的中東部地區(qū)，是目前重點(diǎn)研究和解決的問題。通過天然氣管道的輸送方式，可以有效的解決天然氣的輸送問題。如何不斷的提高天然氣管道的工作效率，需要開展天然氣管道優(yōu)化研究，合理的進(jìn)行天然氣管的設(shè)計(jì)和施工，選擇科學(xué)的管線布置和參數(shù)，開展天然氣管道運(yùn)行過程中參數(shù)優(yōu)化等工作。通過這些工作就可以有效的提高天然氣管道的運(yùn)行效率。

一、天然氣管道優(yōu)化設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀和參數(shù)分析

開展天然氣管道設(shè)計(jì)，首要需要建立天然氣管道設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，通過利用管道工作過程中的參數(shù)和相應(yīng)的邊界條件，對天然氣管道結(jié)構(gòu)和參數(shù)的改變，得到各個(gè)參數(shù)對于管道運(yùn)行效率的影響，從而得到天然氣輸氣管道的優(yōu)化參數(shù)，提高天然氣輸送的效率。現(xiàn)階段天然氣管道優(yōu)化設(shè)計(jì)大多數(shù)還是采用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)優(yōu)化的方法，隨著我國天然氣輸送項(xiàng)目的增多，關(guān)于天然氣輸送管道的建設(shè)和優(yōu)化問題，逐漸開展了深入的研究。通過采用先進(jìn)的天然氣管道輸送的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，利用合理的求解方法，得到天然氣管道輸送設(shè)計(jì)的優(yōu)化參數(shù)，是目前天然氣管道設(shè)計(jì)所采用的一個(gè)重要的方法。天然氣管道內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)的模擬指的是，在天然氣管道輸送天然氣的過程中，根據(jù)已知的流量、壓力、含水量等參數(shù)，對天然氣管線內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，通過模擬可以得到天然氣在管道內(nèi)流動(dòng)規(guī)律，從而更好的為管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。天然氣管道內(nèi)流動(dòng)規(guī)律的求解涉及到多個(gè)物理方程和邊界條件，還有初始條件，直接進(jìn)行天然氣管道內(nèi)天然氣流動(dòng)數(shù)學(xué)模型的求解具有一定的困難，根據(jù)實(shí)際的情況，可以簡化條件或者利用數(shù)值模擬的方法得到。天然氣管道優(yōu)化設(shè)計(jì)模型確立時(shí)，首要清楚影響到天然氣管道輸送模型的各個(gè)參數(shù)，利用基本的物理原理和已知的條件來對各個(gè)參數(shù)之間關(guān)系開展研究，得到各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系，進(jìn)而更好的得到精確的天然氣管道模型的數(shù)值解。在天然氣管道輸送的過程中，影響到管道流動(dòng)狀態(tài)的性質(zhì)主要包括，管道的形狀、管道的尺寸、輸送氣體的密度、輸送的壓力、輸送的流量等參數(shù)。這些參數(shù)之間會(huì)存在著一定的函數(shù)關(guān)系，這種關(guān)系可以分為兩種。一種關(guān)系式根據(jù)基本的物理原理可以得到，例如能量守恒定律、質(zhì)量守恒定律等。另外一種關(guān)系是根據(jù)實(shí)驗(yàn)或者模擬得到的一些關(guān)系式。通過結(jié)合這兩種關(guān)系，可以將影響到天然氣管流動(dòng)設(shè)計(jì)的各個(gè)參數(shù)結(jié)合起來，得到每個(gè)參數(shù)的變化規(guī)律，從而得到優(yōu)化的管道設(shè)計(jì)參數(shù)。

二、天然氣管道優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

天然氣管道優(yōu)化是在已知參數(shù)的條件下，如何去更好的做好管道的設(shè)計(jì)，為管道設(shè)計(jì)獲得更好的優(yōu)化方法和理論。最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可以根據(jù)管道設(shè)計(jì)實(shí)際問題，依據(jù)影響到天然管道設(shè)計(jì)的各個(gè)參數(shù)，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，再對建立好數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，得到適合的求解方法，通過將方法輸入到計(jì)算機(jī)中，利用計(jì)算機(jī)計(jì)算的方法得到優(yōu)化的解。現(xiàn)階段在天然氣管道的設(shè)計(jì)方面，天然氣管道輸送的流體力學(xué)和熱力學(xué)模型已經(jīng)有很多，而且基本上可以滿足現(xiàn)有天然氣輸送的設(shè)計(jì)要求，但是如果只注重水力和熱力兩個(gè)方面的影響，還是不夠的，還要考慮天然氣管道輸送經(jīng)濟(jì)性問題。在輸氣總量一定的條件下，管道設(shè)計(jì)可以存在多個(gè)輸送和設(shè)計(jì)方案，如何在這些方案中，尋求最為經(jīng)濟(jì)有效的方案，就需要開展考慮到經(jīng)濟(jì)性條件下管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。將實(shí)際的天然氣管道問題化為抽象的數(shù)學(xué)模型，數(shù)學(xué)模型建立的準(zhǔn)確與否，直接關(guān)系到求解結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性。為了最為經(jīng)濟(jì)有效的完成既定的天然氣的輸送任務(wù)，需要對天然氣管道輸送的成本費(fèi)用分析，將天然氣管道在建設(shè)中用到成本，和天然氣管道在輸送天然氣的過程中用到的成本相加，以它們兩者之和作為天然氣管道數(shù)學(xué)模型的目標(biāo)函數(shù)，建立考慮經(jīng)濟(jì)性條件下的天然氣管道輸送的數(shù)學(xué)模型。為了能夠簡化模型的建立和求解的難度，根據(jù)實(shí)際的條件進(jìn)行了一些合理的假設(shè)。假設(shè)天然氣輸送管道為水平的，而且流動(dòng)過程是連續(xù)的，流動(dòng)的過程中天然氣的輸送量是不變的。在實(shí)際的建設(shè)和運(yùn)行過程中，天然氣管道的成本主要包括四個(gè)方面，一是天然氣管道工程的建設(shè)成本，二是天然氣管道的維護(hù)成本，三是天然氣管道壓縮機(jī)站的建設(shè)成本，四是天然氣管道壓縮機(jī)站的運(yùn)行成本。其中最初成本最高的是天然氣管道的建設(shè)成本，但是隨著天然氣管道運(yùn)行時(shí)間的增長，天然氣管道的運(yùn)行成本將不斷的增加。因?yàn)樘烊粴夤艿赖慕ㄔO(shè)成本是一次性投入的，而天然氣管道的運(yùn)行成本則是每年支出的，所以兩者之間如果是簡單的加和，是不能夠直接進(jìn)行比較的，一般情況下會(huì)將管道的建設(shè)成本，根據(jù)管道的工作壽命而換算成每一年的建設(shè)成本，這樣就可以進(jìn)行對比和優(yōu)化分析。

三、結(jié)束語

天然氣是一種非常重要的能源，對于環(huán)境的污染小。天然氣管道建設(shè)關(guān)系到國計(jì)民生，需要不斷的提高天然氣輸送管道質(zhì)量和運(yùn)行效率。開展天然氣管道設(shè)計(jì)，需要建立天然氣管道的設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，通過對天然氣管道結(jié)合和參數(shù)的改變，得到各個(gè)參數(shù)對于管道運(yùn)行效率的影響，從而得到天然氣輸氣管道的優(yōu)化參數(shù)。天然氣管道的成本主要包括四個(gè)方面，一是天然氣管道工程的建設(shè)成本，二是天然氣管道的維護(hù)成本，三是天然氣管道壓縮機(jī)站的建設(shè)成本，四是天然氣管道壓縮機(jī)站的運(yùn)行成本。

[1]楊毅.天然氣管道運(yùn)行優(yōu)化模型及其尋優(yōu)方法研究[D].成都:西南石油大學(xué),2006.

[2]劉春江.天然氣集輸管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].成都:西南石油學(xué)院,1996.