天然氣集輸管網(wǎng)優(yōu)化設計研究

王飛

山東萊克工程設計有限公司 山東東營 257100

在經(jīng)濟全球化的發(fā)展過程中，我國社會經(jīng)濟的發(fā)展速度不斷加快，天然氣集輸管網(wǎng)的覆蓋面積也不斷擴大，管網(wǎng)的安裝呈現(xiàn)出放射狀、環(huán)繞狀等，受到內(nèi)外工作條件的影響，管道容易出現(xiàn)各類安全隱患問題，特別是管道交叉、管道連接所產(chǎn)生的問題，因此，需要做好管網(wǎng)的優(yōu)化工作，提高其安全性，實現(xiàn)天然氣的有效性生產(chǎn)及管理[1]。

1 簡述天然氣工藝技術

21世紀天然氣的重要性和必要性愈發(fā)凸顯，需要得到更多的重視和關注。客觀來看，天然氣存在于自然環(huán)境中，蘊藏在地下多孔隙巖層中，包括油田氣、氣田氣、煤層氣、泥火山氣和生物生成氣等，具有可燃性的特征。并且，天然氣兼具燃料和原料雙重屬性，相較于其它能源，具有獨特的優(yōu)勢。具體來看，天然氣的有害含量少，可以實現(xiàn)環(huán)境保護和經(jīng)濟效益的并舉。當前，天然氣的發(fā)展動力，來自于日常生活和工業(yè)用氣。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在2019年，我國天然氣的生產(chǎn)總量提升，達到1777億m3，同比增長11.5%，相較去年提高3.8%。在此情況下，天然氣的改革持續(xù)向前，亟需提高處理工藝的水平，完善集輸及凈化的環(huán)境，切實保證天然氣的利用率，實現(xiàn)能源節(jié)約型和環(huán)境保護型社會建設。新時期，天然氣工藝技術迎來機遇和挑戰(zhàn)，亟需轉(zhuǎn)型升級和改革創(chuàng)新。自20世紀80年代后，天然氣受到環(huán)保和節(jié)能雙重驅(qū)動，摒棄破壞環(huán)境、浪費資源的工藝技術，不斷調(diào)整實施方法和應用手段，優(yōu)化整體的工作流程和步驟。

2 長輸管道天然氣集輸管網(wǎng)設計概述

想要優(yōu)化長輸管道天然氣集輸管網(wǎng)的設計，我們首先需要對它有一定的了解。天然氣集輸管網(wǎng)的建設難度較大，并且用時時間長，在建設過程之中受到很多因素的影響。因此在氣田開發(fā)地面工程建設過程中，就對施工企業(yè)提出了較高的要求，施工企業(yè)需要具備一定的專業(yè)知識與技能，建設一二級氣站，井口和一級集氣站之間的管網(wǎng)。在建設過程中，需要按照規(guī)范操作，選取質(zhì)量過硬的原材料，技術人員只有做到科學地進行建設，才能夠確保各級集氣站合理布局。倘若由于技術因素影響到集氣站的布局狀況，就會給后續(xù)的運營過程帶來麻煩，增加企業(yè)的經(jīng)濟支出，也不利于長輸管道天然氣集輸管網(wǎng)的運營。很多地區(qū)由于建筑企業(yè)的技術不過關，導致二次建設的狀況發(fā)生，極大地增加了企業(yè)的經(jīng)濟支出。不僅如此，還給后續(xù)的施工帶來許多的麻煩[2]。因此我們需要優(yōu)化設計長輸管道天然氣集輸管網(wǎng)的運營，盡可能的提高運營過程之中的安全性，減少給周圍工作人員以及居民帶來危險的可能性。在優(yōu)化過程之中，設計人員應當實地考察當?shù)氐臓顩r，充分地了解當?shù)氐奶鞖馇闆r以及土壤結(jié)構(gòu)，堅持安全性、經(jīng)濟性等原則。保障長輸管道處于穩(wěn)定運行的狀態(tài)之中。設計人員應當考察當?shù)馗鞣矫娴馁Y源，并且針對該地區(qū)的資源加以利用，促進集輸管網(wǎng)運行經(jīng)濟性的提高。分析當?shù)氐臍夂蛞约肮艿啦季郑谠O計過程之中規(guī)避那些重要的管道，防止對其他管道造成破壞，設計人員針對管網(wǎng)進行全方位地評價。在施工人員施工過程中，也需要設計人員不定期到施工工地進行考察，了解各個環(huán)節(jié)的施工狀況，保障施工效果，能夠按照設計師的要求進行。

3 天然氣集輸管網(wǎng)的優(yōu)化思路

3.1 拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

在天然氣集輸管網(wǎng)項目操作中，需要實現(xiàn)不同拓撲結(jié)構(gòu)的結(jié)合，都需要針對實際情況，進行拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及整合，無論是星狀管網(wǎng)、樹狀管網(wǎng)還是其他形狀的管網(wǎng)，都需要進行組合應用。需要針對具體的工作狀況，采用相應的天然氣集輸結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，進行不同種集氣運輸結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，從而降低集輸管網(wǎng)成本，實現(xiàn)高效性的調(diào)控。我國不同區(qū)域的地形差異較大，因此，需要結(jié)合工作區(qū)域狀況，有效發(fā)揮不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，要遵循揚長避短的集輸原則，發(fā)揮集輸管網(wǎng)系統(tǒng)的最大化經(jīng)濟效益[4]。在操作過程中，環(huán)形管網(wǎng)的優(yōu)化，需要實現(xiàn)集輸主線與各個分線的布局性優(yōu)化，實現(xiàn)集輸干線與不同氣站間的有效性連接，這種環(huán)形結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)管道內(nèi)壓力的平衡，從而使壓力處于一個比較平穩(wěn)的狀態(tài)，這種結(jié)構(gòu)比較適應于井間串接。在樹狀管網(wǎng)優(yōu)化過程中，需要遵循主干線連接其他支線結(jié)構(gòu)的原則，以此更改優(yōu)化輸管網(wǎng)建設方案，進行管線投資費用成本的降低，減少其前期投資費用，需要根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點，減少其支管分流不均勻的問題，保障其生產(chǎn)運輸?shù)姆€(wěn)定性，使其多多適應于氣井分布為直線的狀況。在星型管網(wǎng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化過程中，需要優(yōu)化不同集輸站電的布局，進行不同的單獨性布局，采取各種方法保障輸氣過程中的平穩(wěn)性，使其保障穩(wěn)定性的輸送量，滿足管網(wǎng)敷設工作的相關要求。

3.2 管網(wǎng)設計優(yōu)化

在安裝之前需要設計人員科學地設計管網(wǎng)，了解到不同集輸管道直徑的最佳組合，結(jié)合自己的專業(yè)知識與技能以及以往的工作經(jīng)驗，運用不同的理論對管道流量和壓力等參數(shù)進行計算，尋找到最節(jié)省資金、降低企業(yè)生產(chǎn)成本的設計方案。在計算天然氣集輸管網(wǎng)系統(tǒng)成本的過程中需要了解不同變量參數(shù)之間的關系，運用連續(xù)變量函數(shù)模型計算最優(yōu)解[3]。將油氣田生產(chǎn)設備設施的布置以及企業(yè)的經(jīng)濟投入進行對比，保障企業(yè)的資金都能夠得到合理地利用。最初進行集輸管網(wǎng)的設計時，一定要秉承著降低企業(yè)經(jīng)濟成本，保障管道安全性的理念，提高整個系統(tǒng)的科學性，尋找到最優(yōu)秀的建設方案。

3.3 布局優(yōu)化與工藝參數(shù)優(yōu)化

在工藝參數(shù)的優(yōu)化過程中，需要深入分析管徑、壁厚、保溫層厚度等要素，就這些要素參數(shù)展開優(yōu)化。集輸管網(wǎng)的優(yōu)化需要遵循整體性優(yōu)化及分級優(yōu)化的原則。在整體優(yōu)化的過程中，需要首先確定管網(wǎng)拓撲形式，然后進行工藝參數(shù)的優(yōu)化，將壁厚參數(shù)、管徑參數(shù)等納入管網(wǎng)連接場景中。在整體優(yōu)化過程中，需要遵循費用最省原則。在分級優(yōu)化過程中，需首先進行管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，進行最優(yōu)化拓撲結(jié)構(gòu)的選擇，進行現(xiàn)有管網(wǎng)的連接，從而優(yōu)化管網(wǎng)工藝參數(shù)。在管網(wǎng)布局的生產(chǎn)過程中，若沒有相應確定的工藝參數(shù)，則無法進行相關投資費用的計算，因此，需要遵循距離最短的原則。在天然氣集輸管網(wǎng)的整體優(yōu)化過程中，其設計模式更加先進及合理，區(qū)別于分級優(yōu)化模式，整體優(yōu)化的設計比較復雜，相對求解方式比較簡單。在星狀管網(wǎng)操作過程中，可以應用整體優(yōu)化方法。在樹狀管網(wǎng)的設計過程中，由于其連接關系的復雜性，因此需要應用分級優(yōu)化模式。在井組劃分及站址整體優(yōu)化過程中，需要就樹狀管網(wǎng)連接路徑展開編碼，從而實現(xiàn)管道工藝參數(shù)與樹狀管網(wǎng)連接的優(yōu)化，積極落實好分級優(yōu)化原則，以管道建設費用最低為工作原則，以最省為優(yōu)化目標，進行目標函數(shù)的建立，從而獲得經(jīng)濟最優(yōu)性的方案。在站址及井組劃分過程中，應積極應用遺傳算法原則，積極展開求解。其求解的過程比較復雜，為了避免陷入局部最優(yōu)原則，需要就適度函數(shù)、選擇運算函數(shù)等展開計算，進行自適應概率調(diào)節(jié)原則的應用，實現(xiàn)天然氣集輸管網(wǎng)系統(tǒng)的有效性運作。在地形起伏區(qū)域的管道路徑優(yōu)化過程中，需要利用專業(yè)性軟件進行管線起伏狀態(tài)的分析，就起伏程度較大的管道進行路徑優(yōu)化，從而減少管道起伏程度，減少管道三維總長度。在管網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化過程中，需要首先進行管網(wǎng)布局的確定，分析管道內(nèi)流體的流速狀況，確定管材費用及防腐蝕費用，以此為目標函數(shù)，根據(jù)井口壓力狀況、體積流量狀況、經(jīng)濟流速狀況，等進行管道強度的計算，在不同的壁厚、管徑、管材等組合中，應用不同的計算方案，得到最優(yōu)工藝參數(shù)。在集氣站選址過程中，需要首先明確單井與集氣站的關系。在站址優(yōu)化過程中，需要針對實際情況，降低管道長度，解決井組劃分問題、站址優(yōu)化問題，落實好整體性的優(yōu)化方案，遵循管道、集氣站建設費用最優(yōu)化原則，進行目標函數(shù)的建立，就遺傳算法進行優(yōu)化，應用自適應交叉變異概率調(diào)節(jié)機制。

4 結(jié)語

天然氣在我們的日常生活中起到了重要的作用，是整個城市甚至工業(yè)發(fā)展中必須運用到的原料以及燃料。只有保障運輸管道的安全性，才能夠順利地運輸天然氣。