天然氣集輸管網優化概述

魚東溟，馬 躍

（1.西安石油大學石油工程學院，陜西 西安 710065；2.延安大學石油學院，陜西 延安 716000）

隨著國民環保意識不斷增強，傳統化石能源被大眾慢慢冷落。人們對天然氣的需求量日益增加，伴隨這樣的大趨勢，保障天然氣輸送安全的管網技術成為研究熱點。集輸官網建設費用高昂，因此為了實現管網優化，只能優化站點布局、優選管徑和壁厚、優化站內集輸工藝[1-2]。

1 天然氣管網發展趨勢

1）長距離管道輸送[3]。長距離管道輸送技術是因為天然氣原產地和天然氣用戶群居住地之間的矛盾而產生的技術。正是西北荒漠的天然氣無法高效的輸送到對燃氣需求量較大的江浙滬地區，長距離輸送高效地解決了這個問題。例如西氣東輸管道就是長距離輸送管線的代表。長距離是送管線是集輸的主要運行方式。

2）大管徑管道輸送。根據經濟性原理，大管徑管道輸送相較于多條管線在建設費用和管理費用都大大減少。因此在管道設計時應多進行經濟型評價。通過多個案例得到大管徑管道輸送往往比小管徑管道經濟性更好。

3）集輸管網結構優化。集輸官網結構上的優劣往往代表著，該國家或地區集輸技術的強弱。天然氣是一種全球性的能源，在全球范圍內都有很大的市場。只有科學的管網結構才可以保障我國天然氣消費市場與國際對接。

4）新型材料的管網應用。采用更高強度的合金進行管網敷設可以大大減少壁厚，從而減少集輸管網用鋼量，降低成本。比如X70 管道鋼材的應用，相交上一級剛才投資費用降低7%。因此高強度鋼材的研發水平是官網集輸的一個重要因素。

5）自動化管理。隨著我國不斷發展，天然氣管線總長也不斷增加。如此巨大的管網數量，人工管理的方式對管線的安全性也提出了較大的挑戰。因此較為合理的應用計算機和SCADA 系統，進行大數據檢測，可以有效降低管線風險，保障管線安全。

2 天然氣管網優化原則

1）運行安全性原則。因為天然氣的危險性，集輸官網的安全性要求較高。在管網運行工作時，必須嚴格遵守管網安全性原則。具體到管線上主要是管道的溫度、壓力、管材強度等工藝參數。所有參數都應在安全范圍內，才能保障管線的安全運行[4]。

2）經濟性原則。在管網建設時，成本是管網敷設最重要的參數。費用主要包括前期建設的建設費用和后期管理的維護費用。經濟性原則的目的是將錢較為高效的花費在管線建設上，盡量減少資金浪費。

3 天然氣管網結構優化

天然氣集輸結構優化是最經濟的方法，好的結構不僅能降低成本還能實現更加高效的調控。常見集輸官網結構有環形管網、樹狀管網、星型管網。但是由于全國各地地形差異較大，只有結合當地實際情況，高效發揮各結構的優勢揚長避短。集輸系統才能創造更大的經濟效益[5-6]。

1）環形管網優化

該結構優化主要是集輸主線與各個分線在環內或環外與氣井或下級氣站之間的連接。利用環形結構將管道內的壓力平衡。從而壓力處于一個平穩的狀態。該結構主要適用于井間串接，鄰井區支線連接。

2）樹狀管網優化

樹狀管網是一條主干線連接多個支線的結構。好像一棵大樹的枝干連接各個枝干。樹狀集輸管網建設在管線投資費。因此該結構在前期投資費用會大大減少，但因其結構特點，會導致支管分流不均勻，生產不夠平穩。該結構主要應用在氣井分布為直線的情況。

3）星型管網結構

該結構主要應用在各集輸站以某一戰場為中心的布局上。星狀結構管網既可以形成單獨的布局，相互不干擾。也可以輸氣運行平穩，保持輸送量。該結構主要應用在處理廠的管網敷設中。

4 氣田管網集輸優化

氣田優化主要是對井組和氣田選址的優化。針對井組應考慮每一口井的地理位置、產氣量等因素。因為各個氣井的天然氣通過集氣站進行匯集外輸。而氣井的數量與產量等都與地理環境、和井位布置有關。盡量保證集輸管網匯集各井天然氣后能高效運行。氣田選址的優化主要是避免多余氣井的出現。不經會造成經濟損失也會對管網運行造成更高的負擔[7]。

5 優化模型求解算法

隨著科技的發展，模型求解方面出現了大量的優秀算法和技術。構建高質量的集輸管網求解模型，可以有效改善管網管理模式，提高管理效率。主要是應用算法針對集輸管網模型進行參數求解，從而改善全局的管理水平。還有很多優秀的算法[8]，如：蟻群算法、狼群算法、粒子群算法等。下面簡要介紹蟻群算法和離子群算法：

1）相較于其他傳統算法，蟻群算法在參數求解方面能力出眾，并且擁有較高的最優解搜索能力。蟻群算法的本質是一種群落優化算法。可以進行并行搜說。蟻群算法也可以與其他算法相結合，改善自身性能。但是該算法的局限性主要體現在：①如果你的參數設置不合理，會大大降低求解速率并且最優解質量較低。②由于蟻群算法的運算量過大，因此耗費的時間較長。因為蟻群算法在理論中要求所有的參數都從最優路徑通過，因此時間被大大增長。③針對實際情況，在有限的循環次數下很難得出最為合理的最優值。

2）粒子群算法的優勢是最優解得出時長較短，因此可以對整個系統參數進行優化。該算法本質是通過調整自身已有值指導下一步數值迭代。但是粒子群算法會產生提前收斂現象。局部收斂性差。主要是因為粒子群算法中的參數多樣性較少。這主要是一種全局優化和局部優化的矛盾。

各個算法都有自己的優點和局限性，在模型優化時應當結合模型自身特點先進行算法優選。然后對模型進行求解，再次驗證之后得到最優解。在得到最優解后應再次檢驗，驗證模型是否正確，參數是否合理。一個優秀的模型及其配套算法都應進行多次調試，盡可能保證模型與實際情況的一致性，以及參數產生結果的再現性。

6 結語

本文主要簡述了集輸管網的發展歷史和在管網優化時應當考慮的幾個主要方面。通過研究集輸管網優化原則。針對當前集輸系統較為常用的幾種結構做了詳細的描述。在氣站管道優化方面提出建議。并針對計算機求解集輸管網模型做了進一步的了解。意旨在集輸管網優化方面進行總結與歸納，為日后的管網工作人員提供了技術基礎。