天然氣輸氣管道的優(yōu)化研究

馮延魁 (陜西省天然氣股份有限公司 陜西 西安 710016)

中國自改革開放以來經(jīng)濟上獲得了長足的發(fā)展，但與此同時中國對能源的需求也在快速增長。中國不僅進口石油已占消費總量的一半以上，公開數(shù)據(jù)顯示，2013年中國天然氣表觀消費量達到1676億立方米，天然氣對外依存度首次突破30%，達到31.6%。國家發(fā)改委稍早前更是提出，到2020年要力爭實現(xiàn)4200億立方米的天然氣保供目標(biāo)。5月21日，俄羅斯G a z p r o m和中國CNPC之間達成了十年協(xié)議，從2018年開始,每年向中國提供380億立方米天然氣。伴隨著中國油氣對外依賴程度的不斷升高，天然氣輸氣管道的優(yōu)化與建設(shè)就變得越來越嚴(yán)峻和迫切。

一、天然氣管道優(yōu)化設(shè)計的現(xiàn)狀和分析

隨著天然氣在使用方面的普及和增多，人們對于天燃氣的需求也在加大；而隨著天然氣需求的加大，天然氣的輸送項目也在逐年增多，如何優(yōu)化天然氣輸送管道建設(shè)，逐漸成為擺在管道設(shè)計者面前的一道難題。現(xiàn)階段天然氣管道優(yōu)化設(shè)計大多數(shù)還是采用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)優(yōu)化的方法，這種方法首要需要建立天然氣管道設(shè)計的數(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，模擬天然氣在管道內(nèi)的流動狀態(tài)，根據(jù)天然氣的流量、壓力、含水量等參數(shù)，模擬天然氣在管線內(nèi)部的流動狀態(tài)，流動規(guī)律，確定管道對于天然氣流動的影響，得到天然氣在管道中流動的參數(shù)，從中得出天然氣輸氣管道的參數(shù)。為提高天然氣輸送的效率，則要通過采用先進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，模擬天然氣在管道內(nèi)的流動，并在不斷優(yōu)化天然氣管道的過程中，得到天然氣管道輸送設(shè)計的優(yōu)化參數(shù)，進而改進天然氣管道的設(shè)計，優(yōu)化天然氣管道的設(shè)計。通過對天然氣管道內(nèi)流動情況的模擬可以得到天然氣在管道內(nèi)的流動規(guī)律，從而更好的為管道的優(yōu)化設(shè)計提供參數(shù)依據(jù)。天然氣管道內(nèi)流動規(guī)律的求解涉及到多個物理學(xué)方面的知識，根據(jù)實際的情況，可以簡化條件或者利用數(shù)值模擬的方法得到。在確定天然氣管道優(yōu)化設(shè)計模型時，首先要清楚影響天然氣管道輸送的內(nèi)部和外部條件，確定參數(shù)，利用已知的條件和基本的物理原理開展研究，確定各個參數(shù)之間的關(guān)系，得到各個參數(shù)之間的變化規(guī)律。

二、天然氣管道優(yōu)化設(shè)計的研究

天然氣具有密度小、流動性的特點，但是它體積大，所以在其運輸方式要選擇適合它的特點的方式，不能等同于石油、煤、礦石等的運輸方式，管道輸送是首選。管道輸送因其經(jīng)濟性、連續(xù)性、密閉性、安全可靠等特點，也顯示出其它運輸方式無法攀比的優(yōu)越性，因此天然氣的最理想的輸送方式就是管道輸送。

21世紀(jì)是天然氣為主體能源的時代。家庭應(yīng)用、汽車應(yīng)用、工業(yè)應(yīng)用都在大力開發(fā)，世界各國都在大力發(fā)展天然氣工業(yè)。隨著我國能源政策的調(diào)整，我國天然氣工業(yè)也處于加速發(fā)展的大好時機，天然氣管道建設(shè)將是未來中國能源建設(shè)中的重中之重。輸氣管道建設(shè)投資巨大、建設(shè)運行周期長、經(jīng)營費用高、范圍小，在眾多的建設(shè)方案中尋找一個價格低廉且輸送量大的方案，是很值得我們研究的問題，這就需要設(shè)計者在設(shè)計時充分考慮到管道的優(yōu)化設(shè)計，天然氣管道優(yōu)化是在已知各種參數(shù)的基礎(chǔ)上，對管徑、站間距、進出站壓力、壓力、壓縮機站數(shù)、壓比等工藝參數(shù)進行優(yōu)選，做好管道的優(yōu)化設(shè)計，提高管道的輸送能力和使用壽命，降低管道的內(nèi)部消耗，為管道設(shè)計優(yōu)化獲得更好的方法指導(dǎo)和理論支撐，使管道的輸量達到最大，使管道壽命期內(nèi)總費用最小。比如我們可以假設(shè)天然氣輸送管道流動過程中的壓力是不變的，管道是水平的，流動過程是連續(xù)的，流量也是一定的，這樣可以方便我們在構(gòu)建數(shù)學(xué)模型時的運算。在工程實際中，常規(guī)設(shè)計方法是將幾種可能的參數(shù)進行組合，進行優(yōu)化方案對比。但即使選擇數(shù)量很少的參數(shù)，也會得到幾十種、上百種方案，利用計算機的幫助，可以大大減輕工作量。輸氣管道優(yōu)化設(shè)計就是將優(yōu)化技術(shù)引入管道設(shè)計中，將實際管道設(shè)計模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)最優(yōu)化模型，選擇相應(yīng)的優(yōu)化算法，借助計算機，高效可靠的求得最優(yōu)設(shè)計參數(shù)，根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟學(xué)原理，通過對各個可行方案的技術(shù)分析、經(jīng)濟比較和效益評價，尋求技術(shù)與經(jīng)濟的最佳組合，從而確定技術(shù)先進且經(jīng)濟合理的設(shè)計方案或運行參數(shù)，使系統(tǒng)工作達到最佳狀態(tài)，達到節(jié)約能源、提高經(jīng)濟效益的目的。時間和工作量都比組合幾十上百種方案來進行比較大大減少，對工程具有重要的意義和幫助。對輸氣管道優(yōu)化設(shè)計的研究對我國天然氣發(fā)展和經(jīng)濟建設(shè)具有重要的作用。

結(jié)束語

天然氣是一種非常重要的綠色能源，它對于環(huán)境的污染小，導(dǎo)致國內(nèi)外目前對天然氣的需求都比較大，尤其在中國市場，天然氣管道的建設(shè)還有很多的路要走，還有很多的地方需要學(xué)習(xí)，天然氣管道建設(shè)的好壞關(guān)系到國計民生，關(guān)系到天然氣管道輸送天然氣的質(zhì)量和運行效率。本文通過對天然氣管道設(shè)計優(yōu)化研究，可以看出該優(yōu)化模型得到的優(yōu)化解的穩(wěn)定性稍差，因此我們在日后的工作中對天然氣輸氣管道優(yōu)化設(shè)計模型進行改進，以求得到可靠性較好，得到最優(yōu)解。

[1]楊毅，天然氣管道運行優(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]李長俊，天然氣管道輸送[M]。北京：石油工業(yè)出版社：2010：1－342.

[3]張鵬，模擬軟件在長輸天然氣管道上的應(yīng)用[J]，油氣儲運，2004，（6）：2－5.