天然氣管道系統工藝參數分析與優化設計

洪雪

摘 要：天然氣輸送管道管網的設計不僅要考慮管網本身的技術先進性，而且還要考慮其經濟合理性，復雜天然氣管網設計中迫切需要引入最優化技術以達到提高管道運行水平的目的。而在天然氣管道系統優化設計中，要使管網投資費用最低，如何選擇管徑、壁厚、壓氣站壓比等工藝參數就成為優化設計中的主要問題，這也是本文目所在。

關鍵詞：天然氣管道；系統工藝參數；設計優化

將天然氣從氣田輸送到下游用戶離不開天然氣管道系統，天然氣管道系統設計就是已知天然氣在井口處的初始狀態以及輸送到用戶時的最終狀態、管道系統的布局、天然氣的產量和用戶的需求量，對此管道系統進行最優設計， 設計目標通常是求解各管段的管徑、壓氣站的數目、兩個壓氣站之間的管長以及每個壓氣站中壓縮機的吸入和排出壓力，以使總費用最小。約束條件通常包括反映管段長度和流量平衡的等式約束，以及反映對氣源壓力、供氣壓力和壓縮機壓比限制的不等式約束。由于天然氣管道系統的最優化設計是一個復雜的有約束的非線性最優化問題， 而且維數很大， 因此其研究工作都是在假定一些變量為已知的情況下求解問題中的部分設計變量， 即對設計問題的局部進行最優化研究。在這些研究中，最常使用的數學規劃方法分別為動態規劃法、約束導數法和廣義既約梯度法。

1 天然氣管道系統影響因素分析

1.l 流量的考慮

管道系統的設計應滿足工藝對管道系統要求，其流通能力應按正常條件下介質的最大流量考慮，其最大壓力降應不超過工藝允許值，其流速應位于根據介質特性所確定的安全流速范圍內。

1.2 綜合權衡建設費用和運行費用

在設計管道系統時，一般應在允許壓力降的前提下盡可能地選用較小管徑，特別是在確定合金管管徑時更需慎重對待，以節省投資。但是，管徑太小則介質流速增高，摩擦阻力增大，增加了機泵的投資和功率消耗，從而增加了操作費用。因此，在確定管徑時，應綜合權衡投資和操作費用兩種因素，取其最佳值。

1.3 流速的選擇

不同流體按其性質、狀態和操作要求的不同，應選用不同的流速。粘度較高的液體，摩擦阻力較大，應選較低流速。允許壓力降較小的管道，例如常壓自流管道和輸送泡點狀態液體的泵入口管道，應選用較低的流速。允許壓力降較大或介質粘度較小的管道，應選用較高流速。為了防止因介質流速過高而引起管道沖蝕、磨損、振動和噪聲等現象，液體流速一般不宜超過4M/S；氣體流速一般不超過其臨界速度的85%，真空下最大不超過100M/s；含有固體物質的流體，其流速不應過低，以免固體沉積在管內而堵塞管道，但也不宜太高，以免加速管道的磨損或沖蝕。

2 管道系統工藝參數優化設計方法

2.1 動態規劃法

動態規劃法是對天然氣管網中各節點的壓力進行優化，并通過求得的最優壓力從設備列表中選擇相應的管網元件——管道和壓縮機，使管網的建設和運行費用最低。動態規劃法適用于為可選管徑范圍不太大的輸氣管道系統確定最優的管徑組合。當可選管徑范圍較大時，此方法的計算量仍然較大。但由于在一定輸量下存在著經濟管徑，因此在進行工程設計時， 只要輸量較明確， 可選管徑的范圍并不大，可使用此方法。該方法壓氣站的數目和位置以及各管段的長度和管徑都需要預先給定，并且不適用于處理網絡元件較多的大型網絡系統。其原因是用動態規劃法求解時存在維數災難：若一維狀態變量有m個取值，那么對于n 維問題，狀態xk就有mn個取值， 對于每個狀態值都要計算、存儲最優值函數fk（xk）。對n稍大（即使n=3）的實際問題的計算往往是不現實的，目前還沒有克服動態規劃中維數災難的一般方法。

對于一個結構或者布局已定的樹狀天然氣管網系統，如果管網的節點數為n，那么便有n-1條管段。若每個管段有7種管徑供選擇，就會有7n-1種管徑組合。要解決的問題是要從這些管徑組合中選擇出一種最優組合，以使管網的投資和運行費用最低。解決問題的關鍵在于找出可以剔除那些不經濟的管徑組合而無需枚舉的方法。

2.2 約束導數法

對于那些具有等式約束或能將不等式約束條件化為等式約束的輸氣管道工藝參數優化設計問題，國外學者主要使用約束導數法來解決。Flanigan使用約束導數法分別對天然氣管網系統中管道的直徑和壓縮機的功率進行了優化，優化時預先給定管網中壓氣站的數量與位置。約束導數法是一種經典的數學規劃方法，在進行輸氣管道的工藝參數優化設計時，對于無約束或容易將約束條件消去的非線性規劃問題，使用該法容易獲得最優解。但是該方法也只能對設計問題的局部進行最優化。

2.3 廣義既約梯度法

Edgar等人首先將廣義既約梯度法應用于天然氣輸送網絡（管道）的最優化設計。此項技術能同時確定壓氣站的數目、兩個壓氣站之間的管段長和管徑以及壓氣站中壓縮機的操作工況等設計變量的最優值，使管網投資和運行費用最低。

廣義既約梯度法在解決有約束的非線性天然氣管網規劃問題方面具有較高效率，此算法使對所有設計變量同時進行最優化成為可能。但應注意，優化得到的最優管道直徑只能以連續的形式給出，要得到離散的最優管道直徑值還需要輔以其它優化方法，如分支定界法、次梯度優化法等。

3 結語

天然氣管道系統工藝參數最優化設計問題是一個十分復雜的非線性規劃問題， 要提高優化設計效率， 必須應用各種數學規劃方法， 尤其是一些新的效率高的非線性規劃方法， 并需要與輸氣管道工藝設計的工程實際結合進行。

參考文獻：

[1]康正凌.復雜天然氣管網系統工藝參數研究[J].西南石油大學學報，2009，13（5）：26-32.