如何優(yōu)化普光高含硫氣田集輸管網(wǎng)

李海峰（勝利油田勝利采油廠四礦 山東東營 257000）

李海燕（勝利油田純梁采油廠采油一礦邊遠采油隊 山東濱州 256600）

前言：

為了節(jié)省管道的投資費用，坐標(biāo)輪換法成了最優(yōu)的設(shè)計方案，這種方案可以提高設(shè)計的質(zhì)量，并且同幅度的減少設(shè)計時間和投資費用，但是這種設(shè)計方案仍然是受到非線性問題的約束而導(dǎo)致效率低下。

一、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

優(yōu)化理論在管道系統(tǒng)設(shè)計上的第一次應(yīng)用是哈克斯利用庫恩——塔克定理得出了管道設(shè)計優(yōu)化條件，但是這個優(yōu)化理論還不全面，欠缺很多問題，應(yīng)用范圍也比較有限，而且理論也比較簡單，之后國內(nèi)外又發(fā)明了很多的優(yōu)化方案，在這里就不一一介紹了，優(yōu)化方案主要包括全局優(yōu)化和參數(shù)優(yōu)化兩種方式，目前對于管網(wǎng)的優(yōu)化方案大多還是采用分級優(yōu)化的方法，這種優(yōu)化方案雖然考慮到了全局的整體性，但是人為的切斷了管網(wǎng)的布局和參數(shù)之間的關(guān)系。將兩個問題拆分開來，因此這種方案也不是最好的方式。

二、論文的主要內(nèi)容

本文主要是通過國內(nèi)外最新的研究成果，并對實地進行考察進行系統(tǒng)分析，并采用了優(yōu)化設(shè)計軟件，才管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計和編程中做了進一步的研究。主要包含以下內(nèi)容：

1.管線使用多少閥門。氣田天然氣具有高含硫性，對管線的閥門數(shù)量進行確定，一個是可以節(jié)省閥門的費用，另一個是可以保證天然氣運輸?shù)陌踩浴?/p>

2.對方案進行人工干預(yù)，可以使方案多樣化，選擇性更多，從而提高了方案的價值。

3.建立和求解數(shù)學(xué)模型。建立遺傳算法和p r i me結(jié)合的數(shù)學(xué)模型，然后針對普光氣田集輸管網(wǎng)進行同步的研究，這樣就可以達到優(yōu)化的目的。

4.高氣液比混輸管線水力學(xué)和熱力學(xué)模型的確定。保證水力學(xué)計算的準確性，并且對于典型的幾種模型進行編程計算，通過數(shù)值對比選擇比較精確水力學(xué)模型，同時借助前人研究的熱力學(xué)模型，也要通過編程實現(xiàn)熱力學(xué)模型的研究。

5.使用三維地理信息系統(tǒng)，通過這個系統(tǒng)可以檢測優(yōu)化結(jié)果是否合理。并且使用三維立體圖的形式將檢測結(jié)果直接顯示出來。

三、高含硫天然氣集輸管網(wǎng)分級優(yōu)化

1.閥門數(shù)目優(yōu)化方案

在輸氣管線的建設(shè)中，為了減少由于管線漏氣造成的損失，通常會設(shè)置一些截流閥在管道沿線的位置，從工程的經(jīng)驗得知，一般是設(shè)置的截流閥越多，則出現(xiàn)的泄露狀況越少，但是這樣卻增加了閥門的投入費用和管理費用。根據(jù)技術(shù)原理得知通過整體的計算可以得出最優(yōu)的閥門數(shù)量，為了保證安全，泄露的氯化氫含量需要低于要求的數(shù)值，因此，對于高含硫輸氣管道，在確定閥門數(shù)量的時候必須考慮到環(huán)保和安全的因素在里面。

2.基于p r i me算法的人工干預(yù)的實現(xiàn)

人工干預(yù)是非常有必要的，因為管網(wǎng)的設(shè)計需要考慮到很多的問題，例如地形地貌狀況，交通情況，以及地質(zhì)條件。綜合考慮到施工的可行性，之后進行管道維護的方便性，才能確定最佳的鋪設(shè)方案，尤其是在山區(qū)的地方，需要考慮到管線的穿越問題，而目前的算法無法將這種實際的狀況計算到里面，所以計算得出的結(jié)果只是理論上的優(yōu)化方案，無法運用到實際當(dāng)中，如果加上穿越的費用，理論上的費用就不是最低，也可能因為穿越費用的增加而導(dǎo)致原有的設(shè)計方案成為最差的方案，因此，需要對方案進行改進，增肌人工干預(yù)進去，獲得若干個干預(yù)方案，然后再對這些方案進行研究，得出最終的適合的方案。人工干預(yù)可以通過對數(shù)值的對比分析得出最優(yōu)的方案。

3.高含硫天然氣集輸管網(wǎng)的整體優(yōu)化方案

（1）遺傳算法和p r i me算法相結(jié)合

雖然很難將各站之間的參數(shù)同步優(yōu)化，但是可以通過p r i me算法確定連接路徑，作為聯(lián)系染色體中站址和管徑參數(shù)的橋梁。優(yōu)化天然氣管網(wǎng)參數(shù)的目的就是計算出各個管道管徑和厚度來節(jié)省管道的投資的費用。但是管網(wǎng)的優(yōu)化必須滿足一些條件，才能使管網(wǎng)正常的運行，在保證正常運行的條件下，進行優(yōu)化才是最終的目的。比如流量，壓力，溫度都必須滿足一定的要求，這樣才能保證管網(wǎng)運輸?shù)姆€(wěn)定性，安全性和經(jīng)濟性。另外輸氣的壓力必須比管道所能承受的壓力小，因此管道內(nèi)管徑的的選擇必須滿足國家的安全生產(chǎn)標(biāo)準。

（2）各站之間的連接路徑和管徑以及閥門數(shù)量必須同步優(yōu)化

如果想實現(xiàn)整體的優(yōu)化方案，必須將各站連接路徑以某種算法表示算入到染色體中，針對普光氣田的自身特點，我們以氣田的投資最小為目標(biāo)，以管網(wǎng)各個節(jié)點的流量和壓力以及管道的壓力限制值為約束條件建立數(shù)學(xué)模型，并且求解，獲得了管網(wǎng)需要的閥門數(shù)目，得出了最優(yōu)的方案。

四、水力和熱力模型的確定

這個環(huán)節(jié)在集輸管網(wǎng)優(yōu)化過程中是非常重要的，水力和熱力的計算直接關(guān)系到管線的溫度，壓力，關(guān)系到各種約束條件的審核和保溫層厚度的計算，因此水力和熱力的計算直接影響到優(yōu)化結(jié)果的準確性。

在水管道的工藝算法內(nèi)，必須考慮到高壓，低溫的影響，因此必須考慮到實際氣體的狀態(tài)方程式。天然氣粘度的大小和天然氣的組分，溫度和壓力有很大的關(guān)系。當(dāng)液體在管道中流竄時，不斷和周圍的介質(zhì)進行熱交換，就會導(dǎo)致流體的溫度的改變，管道內(nèi)的溫降計算更加復(fù)雜，通過管道的壁向外散熱是氣體混合物的一種散熱形式，所以需要考慮到氣體散熱的產(chǎn)生的焦耳-湯姆森效應(yīng)。

五、三維地理信息系統(tǒng)的建立

首先要獲得集氣站的地理經(jīng)緯坐標(biāo)，在獲得了氣田的三維地形數(shù)據(jù)后，需要對這些數(shù)據(jù)進行分析處理，然后形成了一個三維地形圖，這樣就可以將地貌和地形運用三維地形圖顯示出來，這樣就可以直觀的判斷優(yōu)化結(jié)果是否合理了。

結(jié)束語

本文通過對國內(nèi)外天然氣田的集輸管網(wǎng)的最新優(yōu)化結(jié)果進行研究，深入調(diào)查了普光氣田的集輸工藝和集輸模式上的特點，并且以此為基礎(chǔ)，深入的研究了普光氣田的集輸管網(wǎng)的優(yōu)化問題。提出了一套全新的優(yōu)化辦法。得出了如下的理論：一，通過公式計算出最優(yōu)的管道投入方案，降低了成本的基礎(chǔ)上保證了管道的安全性。二，加入人工干預(yù)，提高軟件的實用性,三，建立數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，提高運算的準確性四，確立水力和熱力學(xué)模型，提高計算精度

五，運用三維地形數(shù)據(jù)保證優(yōu)化結(jié)果的準確性。

[1]李時杰,高文鳳,周靖等.普光地面集輸工程詳細設(shè)計文件[R].勝利工程設(shè)計咨詢有限公司,2008.

[2]李時杰,范承武,聶仕榮.普光氣田集輸系統(tǒng)安全設(shè)計理念與認識[J].中國工程科學(xué),2010,12(10):65～69.