天然氣集輸管網(wǎng)優(yōu)化設計研究

詹 超

（甘肅中石油昆侖燃氣工程設計（咨詢）有限公司，甘肅蘭州 730030）

隨著現(xiàn)代化經(jīng)濟不斷發(fā)展，人們對于能源需求量日益提升，作為我國重要的能源輸送端口，天然氣集輸管網(wǎng)建設的重要性也得到有效彰顯。而基于天然氣集輸系統(tǒng)的特殊性，如何以最小的經(jīng)濟成本建設天然氣集輸管網(wǎng)，并獲取最大的經(jīng)濟效益，是相關天然氣建設部門所要考慮的問題。而對天然氣集輸管網(wǎng)優(yōu)化設計不僅能夠有效解決上述問題，還可規(guī)避天然氣輸送管道發(fā)展過程中的問題。因此，對天然氣集輸管網(wǎng)優(yōu)化設計進行研究具有重要現(xiàn)實意義。

1 天然氣集輸管網(wǎng)概述

現(xiàn)階段，我國普遍采用的天然氣集輸管網(wǎng)主要包括放射狀、枝狀和環(huán)狀這三種組合形式的多級集輸流程。其中，放射性管網(wǎng)是遵循一定的規(guī)范和標準來把若干氣井規(guī)劃為一組，在此基礎上，不同組之間都要投入一個集氣站設置，各氣井天然氣都是借助集氣管線的作用下，來統(tǒng)一在集氣站中停滯，在集氣支線、集氣干線的干預下，最終到達集氣總站。枝狀管網(wǎng)是覆蓋于氣田的主干線，在干線作用下到達集氣總站。環(huán)狀管網(wǎng)是指集氣干線布置為環(huán)狀形態(tài)，在沿線集氣站的銜接作用下，達到通氣目的，最后在環(huán)網(wǎng)的適當位置將管線引出，最終到達集氣總站。

天然氣集輸網(wǎng)絡是以弧和節(jié)點組成的連接方式，網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構問題則是對網(wǎng)絡節(jié)點之間的連接關系以及某種功能的完成問題加以確定。網(wǎng)絡的最優(yōu)拓撲結(jié)構問題，也是與網(wǎng)絡有關組合最優(yōu)化問題，其主要是指在網(wǎng)絡上找到一個特定的子網(wǎng)絡，并在此基礎上對其權不斷調(diào)整，使它的權滿足最小或者最大的條件。由此來看，天然氣集輸管網(wǎng)最優(yōu)化主要涉及到經(jīng)濟和技術等方面準則。其中，對于經(jīng)濟方面最優(yōu)化準則需要滿足利潤最大、總費用最小、成本最低等準則，而針對于技術最優(yōu)化準則需要滿足可靠性最大、動作最快等。天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化設計問題指的是在起源、用戶位置確定的基礎上，對天然氣管道輸送系統(tǒng)的最優(yōu)拓撲結(jié)構進行確定。最優(yōu)化準則不僅能夠?qū)ο到y(tǒng)功能問題進行完善和改進，還能夠進一步明確系統(tǒng)發(fā)展目標。

目前來看，在我國經(jīng)濟快速發(fā)展的背景下，人們對于能源需求量也呈現(xiàn)逐漸增加狀態(tài)，在此基礎上，天然氣管網(wǎng)建設的重要性得到有效凸顯。目前，我國四川、貴州主要建成的是環(huán)形管網(wǎng)，陜甘寧地區(qū)主要建成的是放射性管網(wǎng)，以及各個油田區(qū)域建設成主要的區(qū)域性管網(wǎng)。這些管網(wǎng)的建設和投入應用極大程度上滿足了當?shù)厝藗儗τ谀茉吹男枨螅瑢崿F(xiàn)了對能源消費結(jié)構的改進和完善，為我國社會經(jīng)濟及人們生活水平的提升起到至關重要的促進作用，也促使我國輸送天然氣水平“更上一層樓”。

2 天然氣集輸管網(wǎng)優(yōu)化設計的原則

天然氣集輸管網(wǎng)優(yōu)化設計的原則主要包括經(jīng)濟成本投入最小原則和運行穩(wěn)定原則。其中，經(jīng)濟成本投入最小原則，就是費用最省原則，其是建立在前期投入的最大控制基礎上，來選擇最為優(yōu)化設計目標，從而保證經(jīng)濟最優(yōu)化。氣田集輸系統(tǒng)的投資主要由建筑費、管材費用所組成的建設費用以及熱力費用、動力費用所組成的運行費用綜合構成。以經(jīng)濟成本投入最小為尋優(yōu)設計目標，其主要是指在天然氣集輸管網(wǎng)優(yōu)化設計過程中，最大程度上控制天然氣集輸管網(wǎng)的建設費用和運行費用的投入。針對于運行穩(wěn)定原則，則主要是指在天然氣集輸管網(wǎng)優(yōu)化設計過程中，對于一類技術要反復研究、加以試驗等方式，來實現(xiàn)這一類技術的最優(yōu)化。具體而言，在天然氣集輸管網(wǎng)優(yōu)化設計標準中，尋找最為優(yōu)化的設計原則，要保證集輸管網(wǎng)的壓力、溫度等相關工藝參數(shù)滿足實際工程要求。通常情況下，天然氣集輸管網(wǎng)的優(yōu)化設計問題是指對一類多目標實行優(yōu)化問題，其通常建立在費用最省的基礎上，并以可靠性、穩(wěn)定性為約束條件來進行優(yōu)化設計。

3 天然氣集輸管網(wǎng)優(yōu)化思路

天然氣集輸管網(wǎng)的優(yōu)化主要是對管網(wǎng)布局和工藝參數(shù)進行分別優(yōu)化。管網(wǎng)布局即為優(yōu)化集氣站的位置選擇以及對集氣采氣管網(wǎng)的拓撲結(jié)構進行優(yōu)化。工藝參數(shù)的優(yōu)化主要是指優(yōu)化管徑、壁厚以及保溫層厚度等參數(shù)。集輸管網(wǎng)優(yōu)化包括分級優(yōu)化和整體優(yōu)化兩種優(yōu)化方式。其中，分級優(yōu)化指的是首先優(yōu)化管網(wǎng)的拓撲結(jié)構，并在對最優(yōu)拓撲結(jié)構進行確定之后，立足于管網(wǎng)連接關系的基礎，來優(yōu)化管網(wǎng)工藝參數(shù)。由于在生成管網(wǎng)過程中，這種優(yōu)化形式?jīng)]有對工藝參數(shù)進行確定，也不能更好地求解相關費用，因此只能遵循距離最短的原則，還不能實現(xiàn)真正意義上的費用最省。整體優(yōu)化是指在對管網(wǎng)拓撲結(jié)構進行確定的過程中，同時優(yōu)化工藝參數(shù)，降管徑、壁厚等因素都納入管網(wǎng)連接形式過程中。較天然氣集輸管網(wǎng)的分級優(yōu)化而言，整體優(yōu)化更加科學合理，其能夠?qū)崿F(xiàn)費用最省為原則，但是具有較慢的相對求解速度，甚至無法實現(xiàn)這些情況。針對于星狀管網(wǎng)而言，多是以整體優(yōu)化形式來開展天然氣集輸管網(wǎng)的優(yōu)化，而對于一些較大規(guī)模的樹狀管網(wǎng)而言，基于其相對繁瑣且復雜的聯(lián)系關系，導致其多是以分級優(yōu)化的形式來實現(xiàn)優(yōu)化求解。

3.1 井組優(yōu)化設計

氣田內(nèi)部的集輸流程按照氣田的地質(zhì)、地理條件及氣田開發(fā)階段的差異性，可以分為單井集輸流程和多井集輸流程。針對于面積較大和井數(shù)較多的氣田，為了能夠?qū)崿F(xiàn)簡化管理和方便生產(chǎn)，通常情況下，會把氣井劃分成若干個小組，每組氣井的天然氣在各自的集氣站做相應的聚集處理后，再對其進行外輸。其中，各個小組所包含的井數(shù)量是以地理條件、氣井和集氣站的生產(chǎn)規(guī)模、井位分布等相關因素來決定的。據(jù)經(jīng)驗分析，通常情況下，6～10口井的產(chǎn)量最大，11～16口井的產(chǎn)量最小，最多控制在20口井之內(nèi)。氣田集輸系統(tǒng)最優(yōu)化問題是指對井口如何最優(yōu)劃分，從而最大程度上節(jié)省建設投資費用。現(xiàn)階段而言，在實現(xiàn)最優(yōu)劃分井組過程中，其多是指對一定井式和集輸半徑的綜合采用，并不考慮集氣站的集氣量規(guī)模問題，建立在距離和最短的基礎上來劃分對井組。井組優(yōu)化設計就是對氣井與集氣站間的最佳隸屬關系加以確定，即在一定的井式約束下，對于各個氣井進行劃分，使氣井與集氣站能夠呈現(xiàn)最佳隸屬關系，從而最大程度上縮小相應集氣站費用，使各集氣站的集氣量呈現(xiàn)合理分布。

3.2 田站地址優(yōu)化設計

場站布局和選址的科學性和合理性是決定集輸生產(chǎn)成本的關鍵因素之一。因此集輸管網(wǎng)的優(yōu)化應該有效契合場站布局的優(yōu)化。在氣田集輸系統(tǒng)工程中，首先遇到的問題是對集氣站的數(shù)目和站位加以確定。顯而易見，集氣站的多少直接影響到整體天然氣集輸管網(wǎng)投資的費用，而且站位的確定也對整個氣田集輸管網(wǎng)的結(jié)構形式呈現(xiàn)巨大影響。而針對于集輸?shù)墓芫€來說，其投資成本非常昂貴，一平米高達數(shù)萬元，管線總的投資占據(jù)氣田集輸系統(tǒng)投資的一半以上，故此，對氣田站地址優(yōu)化設計展開研究具有重要的現(xiàn)實意義。

氣田地面集輸系統(tǒng)包括氣井、集氣站、壓縮機站等。通常情況下，氣井和井位是結(jié)合已研究的底層結(jié)構，確定油藏工程設計，集氣站位置通常是在所轄一組生產(chǎn)井的中間。

3.3 站管網(wǎng)布局優(yōu)化設計

在傳統(tǒng)的集氣站管網(wǎng)布局展開優(yōu)化設計過程中，通常是結(jié)合圖文知識從兩方面考慮問題，分別是優(yōu)化樹枝管網(wǎng)的連接方式和中心集氣站的選址問題。在優(yōu)化樹枝管網(wǎng)的連接方式過程中，主要是應用頂點加權的方式來進行加權計算，以計算出最小的流量長度之和，得到最小生成數(shù)，然而，在諸多無向數(shù)轉(zhuǎn)化成有向數(shù)之后，得到的最小流量長度之和也未必是干各管段的最小流量長度之和。雖然在中心集氣站的選址問題中對流量的分配問題進行考慮，其目的是為了能夠有效疏散某些管段流量，防止其因管段過度集中而帶來的成本費用增加問題，那么，當把中心集氣站的選址問題融入于優(yōu)化樹枝管網(wǎng)的連接方式的最小生成數(shù)過程中，極易造成某些集氣站的氣體輸往中心站經(jīng)過的管線距離過長，從而造成各個管道的流量長度之和并不能達到最小。故此，務必要適當調(diào)整集氣站的氣體進入集氣干線接入點，從而使整個集氣干線的流量長度之和呈現(xiàn)最小的管網(wǎng)布局。

中心集氣站的選址問題，是在指定的集氣站中進行優(yōu)化選擇，使選出的集氣站作為集氣總站，從而使其他集氣站和集氣總站的最大距離呈現(xiàn)最小狀態(tài)。作為整個氣田中綜合開發(fā)的生產(chǎn)處理、外輸及管理中心，集氣總站的位置選擇上要對整個氣田管網(wǎng)的流量分布進行考慮，從而使管網(wǎng)的流量呈合理分配，進而為整個氣田進行最優(yōu)區(qū)域劃分和管網(wǎng)布置帶來極大的便利性。

在對氣田綜合開發(fā)方案進行優(yōu)化過程中，需要建立在各集氣站頂點組成的網(wǎng)絡基礎上，來對集氣總站的位置加以確定。具體原則如下：首先，考慮各集氣站距離，使集氣總站在氣田的中心地帶覆蓋，保證其距離集總站不要太遠，從而為整個氣田的日常管理和維護帶來一定便利性。其次，還要對管網(wǎng)中流量的分配問題加以考慮，及時疏散管道中的流量，防止由于管段中流量過于集中，而導致管徑增大、最終成本增加。

3.4 材質(zhì)的選擇和對制管方式的要求

為了能夠?qū)崿F(xiàn)天然氣集輸管網(wǎng)的最優(yōu)化，對管道材質(zhì)的選擇和制管方式提出了更高的要求。首先，需要使鋼管材質(zhì)滿足天然氣的氣質(zhì)條件，并且保證所選擇的管道和管材條件能夠適應當?shù)爻霈F(xiàn)最低溫度時金屬所呈現(xiàn)的最低溫度。其次，在確定管道材質(zhì)的強度過程中，要對天然氣壁厚和鋼管制作工藝進行計算，當最小壁遠遠小于計算壁厚時，要不斷提升管道材質(zhì)水平，同時還要對壁厚進行減低計算。在計算壁厚和最小壁厚保持在一個水平過程中，要建立在最小壁厚的基礎上來對管道金屬材料要求達到的強度值進行確定。在此過程中，管徑不大的則需要對無縫鋼管進行選擇，大直徑集管道需要采用焊縫鋼管來實現(xiàn)焊縫處理。特別是針對于蘊含著H2S 的天然氣管道材質(zhì)，通常情況下不會應用螺旋縫埋弧焊和高頻電阻焊鋼管。除此之外，還要對管網(wǎng)實行最佳管徑組合，保證其能夠滿足其相關流動要求，并有效契合各個管段的直徑，在管道總長度變化不大的前提下，盡可能保證大直徑管道長度能夠占據(jù)管道總長度最小分率。

4 結(jié)語

總而言之，對天然氣輸網(wǎng)管優(yōu)化設計研究是控制氣田地面工程投資成本的重要手段，也是提升天然氣效率的有效途徑，對天然氣輸網(wǎng)管進行優(yōu)化設計具有重要的現(xiàn)實意義。因此，相關部門和相關人員要清晰掌握我國天然氣集輸管網(wǎng)現(xiàn)狀，并立足于天然氣集輸管網(wǎng)優(yōu)化設計的原則，不斷探尋天然氣集輸管網(wǎng)優(yōu)化思路，以保證集輸管網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定、安全地運行，并為集輸設備的維修和更新提供指導建議，為我國天然氣管道建設作出突出貢獻。