長輸管道天然氣集輸管網優化設計

李學軍 天津中海油工程設計有限公司

長輸管道天然氣集輸管網優化設計

李學軍 天津中海油工程設計有限公司

針對天然氣集輸管網規劃設計問題，從井組劃分優化、集輸場站選址布置優化、干支管網連接網格化設計優化等三個方面對其管網系統的規劃進行優化，通過對各優化方案進行設計方案分析表明，本文提出的優化方案好于傳統優化方法。在天然氣集輸管網布局優化的基礎上，從集輸管網設計優化、管網運行優化等方面對其系統整體優化設計進行補充分析。詳細提出了設計優化、運行優化的數學函數優化模型，界定了優化約束條件，對管網優化方案思路進行了明確。

天然氣；集輸管網；規劃；運行優化

油氣集輸工程是油氣田地面工程的主體工程，包括天然氣輸送、轉送必不可少的傳輸設施，以及油田生產天然氣系統中的核心環節設備。集輸管道的主要功能就是對油氣田開采出的天然氣和伴生物進行處理，包括分離、凈化、輸送、外銷等。集輸管網設備系統復雜、建造成本巨大，投入使用后運行和維護費用昂貴，并且由于天然氣的易燃易爆特性，導致天然氣集輸管網系統不但建設運行成本高，而且存在的潛在風險隱患較大。因此，對集輸管網系統進行優化設計和規劃在經濟效益、安全可靠方面都具有重要的實用意義。

隨著天然氣開發規模的擴大，集輸管網越來越多、系統越來越復雜，管網主要采用放射狀、枝狀、環狀等形式安裝，管道之間交叉、連接存在許多問題和不協調之處，這些問題都需要在集輸管網設計安裝初期以及運行過程中進行充分考慮。不斷地優化使集輸管網不但運行成本最低、使用最安全，同時還可方便于油氣田生產和管理。本文從最低成本、最大安全性、最快動作、最佳可靠性等要求出發對油氣田天然氣的集輸管網系統的布局規劃進行合理優化和設計。

1 管網系統設置布局優化

天然氣集輸管網布局是集輸系統規劃優化的最主要內容，天然氣集輸系統管網前期布局設計是優化集輸系統規劃設置的首要內容，在設計規劃初期，按照要求對油氣田井組、干支管道走線、集輸場站選址等進行合理布局[1]，通過優化促使其既要滿足氣田生產開發工藝、現場條件、成本、外銷供求情況等要求的條件，又要滿足投資小、安全穩定性好的要求。

1.1 天然氣田井組區域劃分優化

天然氣田集輸系統根據天然氣儲存資源量、開發技術水平、現場地理地質條件等實際可分為單個氣井獨立連接管網輸送和多個氣井組合到一起進行集輸等兩種方式。對于油氣田規模較大，同時開挖生產的氣井數量較多的氣田，為提高設備利用效率和開采的便捷，通常根據生產需要將現場所有氣井劃分成若干組，對同一井組的開采氣資源用同一個集輸站進行集輸處理。井組區域劃分優化就是確保每一個氣井與其相連接的集輸站處在最佳的隸屬條件下，確保集輸管道長度、直徑、集輸流量等處于最有利于降低成本的前提下。

本文在考慮氣井與集氣站之間的距離和氣井集輸產量的基礎上對其進行優化，按照距離最短原則確定氣井—井組—集氣站的隸屬關系，按照產量較大的氣井組隸屬6～10口井、產量較小的氣井組隸屬11～15口井，最多不能超過20口井。按照拓撲優化方式對天然氣集輸管網進行優化。井組劃分的優化結構見圖1。

圖1井組劃分優化布局

圖1 中所示虛線為一種井組劃分布局結構，實線為另一種井組劃分布局結構，兩種結構均為最優化井組劃分。圖1中J1、J2代表兩個集氣站，圓圈代表各個氣井位置，其中1號、2號氣井分布在兩個集氣站中間，且與集氣站的距離大致相等，這就需要根據集氣站的規模、輸送天然氣量、集氣站隸屬井組數量進行實際確定，確保每一個集氣站的氣井數量、集輸天然氣量均勻化。

1.2 集輸場站選址規劃優化

集輸場站是氣田天然氣集輸的儲存和中轉裝置，因此在對氣田集輸管網系統進行優化時，首先要對集輸場站進行合理選址，既要確保集輸氣站位址、數目符合井組的隸屬，又要保證氣井集輸量、距離合理，節約成本。天然氣田集氣場站設置的數量會直接影響油田生產的成本，集輸場站的位置布置又直接與集輸管網管線連接和網管結構布局形式直接相關，天然氣集輸管網管道安裝成本每公里高達數萬元，而管道又是整個集輸系統的最主要設施及成本比最大部分，因此，優化集氣站選址，從而減少集輸管線總長度顯得十分重要。

一般情況下，天然氣井的位置基本上在油藏設計和設備設施安裝前都已經確定，主要是根據油氣資源分布和開采難易程度等天然條件確定的；集氣站的建設一般設置在同一組隸屬氣井位置分布的區域中間。我國油氣田地面集輸安裝設計通常分為二級分布安裝和三級分布安裝兩種類型。本文根據天然氣田實際情況對其集輸站布置設計規劃進行優化，可以先對集中的氣井和集氣站按照輻射式網絡狀進行安裝，然后再通過樹枝狀結構體系將各個集氣站進行匯總連接到集氣總站，形成井組—集氣站—集氣總站的優化規劃布置系統，如圖2所示。

圖2 氣田集輸場站選址布局優化

圖3 傳統優化管網布置

圖4 額外集散點改進法優化管網布置

圖2 中大方框為氣田區域，其中四個小方格為氣田集氣站及其隸屬井組的分布區域，每一個集輸站分布多個氣井，它們按照星形網絡連接構成二級氣站布置；三集氣站布置有實線和虛線兩種方式，對應于輻射網絡和樹枝網絡兩種模式，圖2中A、B為集氣總站，其兩種三級氣站布置方式需根據氣田實際區域面積、周邊情況、氣田其他設施分布進行選擇，都屬于集氣場站選址布局優化方案。

1.3 干支管網布局優化

在氣井與其所屬集氣站合理連接的基礎上，進行干支管網布局連接。在傳統的天然氣集輸管網設計布局時，一般是根據數學論和集合論中的圖論分布知識進行分析，包括在集輸管網系統中設置一個獨立的集氣總站或采用多交叉樹枝網絡狀連接等兩種。對天然氣集輸干支管網優化分析時，就是要以天然氣輸送管段總長最小、總流量分布最均勻為目標，以此為依據對集氣站的管網連接干線、支線、分接等接入點進行科學調整，確保干支管道氣體傳輸順暢。對干支管網進行布局優化時需要考慮四個方面的內容：

（1）采用樹枝狀管網的連接方式優化干支管網，可以合理安排管網連接和布置。

（2）樹枝狀管網在中心集氣站選址，這樣可以確保各個集氣場站能夠全部連接集氣總站，集氣管線最短。

（3）根據樹枝網絡方式進行干支管網布局的確定。

（4）管網布局引入額外集散點，根據集散優化理論對干線、支線、接入點等進行合理設置。

依據上述內容，進行傳統的干支管網優化，并按照傳統的干支管網優化結果進一步優化，選擇某一油氣井田干支管網特征進行布置。圖3為傳統干支管網優化后的布置規劃圖，井組按照位置分布就近整合，實現最小距離優化，達到降低成本、減少管道長度的目的。圖4是在傳統優化管網布置的基礎上進一步優化，增加額外集散點S1、S2、S3、S4，實現氣井按照井組分布后，管線根據管徑、流量實現交匯統一連接到集氣站或集氣總站，可以在減少管長的同時，實現天然氣流量的優化布置，實現了更加優化、科學的管網布置規劃方案。

2 管網設計優化

天然氣技術管網的優化不僅要從其布局、選址、安裝等規劃上進行優化，還需要優化其管網設計。天然氣集輸管網安裝建設前要對其進行科學設計，此過程中要著重處理集輸管道管徑的最佳組合問題，通過數學、物理理論對管道流量、壓力等參數進行計算確定，通過最小解或最優解等方式獲取集輸系統造價成本最低的優化設計[2]。

天然氣集輸系統建設安裝投入成本總額F可以通過建立函數模型轉化成與管壁厚度m、管徑D、管道長L的函數式計算，集輸管網的總投資函數如下

其中，計算天然氣集輸管網系統成本最低的邊界約束有系統穩定性約束、管道強度約束、管道內部氣壓約束和函數模型體現的設計變量約束等。

對天然氣集輸管網初期的設計進行優化主要是按照上述函數模型進行。這種模型主要以約束條件確定變量的優化結果，包含的變量參數均為離散型分布，這就可以解決通常采用的連續變量函數模型計算最優解近似忽略的問題；這種方法計算結果準確，與油氣田生產設備設施布置和投資成本實際比較接近。集輸管網初期階段的設計優化就是在一定的目標條件下，以一定的約束條件得出函數模型最佳數值解的過程，充分考慮各參數之間的數學函數關系，一方面提高了系統整體結果的收斂特性，另一方面解決了設計變量符合優化條件的極值問題，據此得到問題的最優解，獲得天然氣集輸管網設計參數的整體協調、耦合、適應性最優解。

3 管網運行優化

天然氣集輸管網運行優化是指管網建設完成投入使用后，就需要對其投入使用后的運行狀況進行優化，以合理的運行參數設置和管理模式，確保天然氣集輸管網使用時整體處在最穩定良好的狀態。分析天然氣集輸管網運行過程最優化的內容，就是根據管道結構、分布方式、壓縮機特征、邊界條件、設計極限要求等設定部分限制條件，以此達到運行時最順暢、成本最低的目的。運行優化模型可以歸納成如下函數公式

式中pi為集輸系統第i條輸氣管道上所有的壓縮機總數；u1i為壓縮機的停止或使用狀態，停止或運行用0或1代替；uej為輸氣管道上第j臺壓縮機使用時的效率；qij為輸氣管道上第j臺壓縮機運行時產生的操作壓力。

建立天然氣集輸管網投入使用后的運行優化函數模型，首先要界定其為線性模型還是離散模型[3]，這將直接影響到優化結果。本文由于選擇的變量為數量、壓力、狀態等離散參數，因此運行優化函數關系屬于離散模型。天然氣集輸管網優化要充分考慮油氣田天然氣產量、輸出量、市場需求量、集輸站運轉處理規模、集輸管道氣體壓力等因素，在確保安全穩定的條件下，以最大輸出、最低成本為目標對其運行進行優化[4]。

4 結論

（1）針對天然氣集輸管網規劃設計問題，從井組劃分優化、集輸場站選址布置優化、干支管網連接網格化設計優化等三個方面對其管網系統的規劃進行優化，通過對各優化方案進行設計方案分析表明，本文提出的優化方案好于傳統優化方法。

（2）在天然氣集輸管網布局優化的基礎上，從集輸管網設計優化、管網運行優化等方面對其系統整體優化設計進行補充分析。詳細提出了設計優化、運行優化的數學函數優化模型，界定了優化約束條件，對管網優化方案思路進行了明確。

[1]陳進殿，汪玉春，黃澤俊．天然氣管網系統最優化研究[J]．油氣儲運，2006，25（2）：6-15．

[2]何川，孟慶華，李渡．川西天然氣集輸管網系統最優規劃研究[J]．天然氣工業，2011，26（7）：107-111．

[3]張亞飛，楊強，陳庚．寒冷地區高含CO2氣田集輸工藝設計[J]．油氣田地面工程，2011，30（9）：25-27.

[4]李奕霖，吳濤．某稠油區塊集輸系統的方案設計[J]．油氣田地面工程，2014，33（10）：66-67.

（022）66913881、243170376@qq.com

（欄目主持張秀麗）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.4.012

李學軍：工程學士，天津中海油工程設計有限公司總經理，研究方向為工程設計。