天然氣輸氣管道的優(yōu)化研究

馮延魁 (陜西省天然氣股份有限公司 陜西 西安 710016)

中國(guó)自改革開(kāi)放以來(lái)經(jīng)濟(jì)上獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，但與此同時(shí)中國(guó)對(duì)能源的需求也在快速增長(zhǎng)。中國(guó)不僅進(jìn)口石油已占消費(fèi)總量的一半以上，公開(kāi)數(shù)據(jù)顯示，2013年中國(guó)天然氣表觀消費(fèi)量達(dá)到1676億立方米，天然氣對(duì)外依存度首次突破30%，達(dá)到31.6%。國(guó)家發(fā)改委稍早前更是提出，到2020年要力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)4200億立方米的天然氣保供目標(biāo)。5月21日，俄羅斯G a z p r o m和中國(guó)CNPC之間達(dá)成了十年協(xié)議，從2018年開(kāi)始,每年向中國(guó)提供380億立方米天然氣。伴隨著中國(guó)油氣對(duì)外依賴程度的不斷升高，天然氣輸氣管道的優(yōu)化與建設(shè)就變得越來(lái)越嚴(yán)峻和迫切。

一、天然氣管道優(yōu)化設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀和分析

隨著天然氣在使用方面的普及和增多，人們對(duì)于天燃?xì)獾男枨笠苍诩哟螅欢S著天然氣需求的加大，天然氣的輸送項(xiàng)目也在逐年增多，如何優(yōu)化天然氣輸送管道建設(shè)，逐漸成為擺在管道設(shè)計(jì)者面前的一道難題?，F(xiàn)階段天然氣管道優(yōu)化設(shè)計(jì)大多數(shù)還是采用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)優(yōu)化的方法，這種方法首要需要建立天然氣管道設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)利用管道工作過(guò)程中的參數(shù)和相應(yīng)的邊界條件，模擬天然氣在管道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)天然氣的流量、壓力、含水量等參數(shù)，模擬天然氣在管線內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)，流動(dòng)規(guī)律，確定管道對(duì)于天然氣流動(dòng)的影響，得到天然氣在管道中流動(dòng)的參數(shù)，從中得出天然氣輸氣管道的參數(shù)。為提高天然氣輸送的效率，則要通過(guò)采用先進(jìn)的天然氣管道輸送的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，利用合理的求解方法，模擬天然氣在管道內(nèi)的流動(dòng)，并在不斷優(yōu)化天然氣管道的過(guò)程中，得到天然氣管道輸送設(shè)計(jì)的優(yōu)化參數(shù)，進(jìn)而改進(jìn)天然氣管道的設(shè)計(jì)，優(yōu)化天然氣管道的設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)天然氣管道內(nèi)流動(dòng)情況的模擬可以得到天然氣在管道內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律，從而更好的為管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參數(shù)依據(jù)。天然氣管道內(nèi)流動(dòng)規(guī)律的求解涉及到多個(gè)物理學(xué)方面的知識(shí)，根據(jù)實(shí)際的情況，可以簡(jiǎn)化條件或者利用數(shù)值模擬的方法得到。在確定天然氣管道優(yōu)化設(shè)計(jì)模型時(shí)，首先要清楚影響天然氣管道輸送的內(nèi)部和外部條件，確定參數(shù)，利用已知的條件和基本的物理原理開(kāi)展研究，確定各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系，得到各個(gè)參數(shù)之間的變化規(guī)律。

二、天然氣管道優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究

天然氣具有密度小、流動(dòng)性的特點(diǎn)，但是它體積大，所以在其運(yùn)輸方式要選擇適合它的特點(diǎn)的方式，不能等同于石油、煤、礦石等的運(yùn)輸方式，管道輸送是首選。管道輸送因其經(jīng)濟(jì)性、連續(xù)性、密閉性、安全可靠等特點(diǎn)，也顯示出其它運(yùn)輸方式無(wú)法攀比的優(yōu)越性，因此天然氣的最理想的輸送方式就是管道輸送。

21世紀(jì)是天然氣為主體能源的時(shí)代。家庭應(yīng)用、汽車(chē)應(yīng)用、工業(yè)應(yīng)用都在大力開(kāi)發(fā)，世界各國(guó)都在大力發(fā)展天然氣工業(yè)。隨著我國(guó)能源政策的調(diào)整，我國(guó)天然氣工業(yè)也處于加速發(fā)展的大好時(shí)機(jī)，天然氣管道建設(shè)將是未來(lái)中國(guó)能源建設(shè)中的重中之重。輸氣管道建設(shè)投資巨大、建設(shè)運(yùn)行周期長(zhǎng)、經(jīng)營(yíng)費(fèi)用高、范圍小，在眾多的建設(shè)方案中尋找一個(gè)價(jià)格低廉且輸送量大的方案，是很值得我們研究的問(wèn)題，這就需要設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)，天然氣管道優(yōu)化是在已知各種參數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)管徑、站間距、進(jìn)出站壓力、壓力、壓縮機(jī)站數(shù)、壓比等工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，做好管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高管道的輸送能力和使用壽命，降低管道的內(nèi)部消耗，為管道設(shè)計(jì)優(yōu)化獲得更好的方法指導(dǎo)和理論支撐，使管道的輸量達(dá)到最大，使管道壽命期內(nèi)總費(fèi)用最小。比如我們可以假設(shè)天然氣輸送管道流動(dòng)過(guò)程中的壓力是不變的，管道是水平的，流動(dòng)過(guò)程是連續(xù)的，流量也是一定的，這樣可以方便我們?cè)跇?gòu)建數(shù)學(xué)模型時(shí)的運(yùn)算。在工程實(shí)際中，常規(guī)設(shè)計(jì)方法是將幾種可能的參數(shù)進(jìn)行組合，進(jìn)行優(yōu)化方案對(duì)比。但即使選擇數(shù)量很少的參數(shù)，也會(huì)得到幾十種、上百種方案，利用計(jì)算機(jī)的幫助，可以大大減輕工作量。輸氣管道優(yōu)化設(shè)計(jì)就是將優(yōu)化技術(shù)引入管道設(shè)計(jì)中，將實(shí)際管道設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)最優(yōu)化模型，選擇相應(yīng)的優(yōu)化算法，借助計(jì)算機(jī)，高效可靠的求得最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)原理，通過(guò)對(duì)各個(gè)可行方案的技術(shù)分析、經(jīng)濟(jì)比較和效益評(píng)價(jià)，尋求技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的最佳組合，從而確定技術(shù)先進(jìn)且經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)方案或運(yùn)行參數(shù)，使系統(tǒng)工作達(dá)到最佳狀態(tài)，達(dá)到節(jié)約能源、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。時(shí)間和工作量都比組合幾十上百種方案來(lái)進(jìn)行比較大大減少，對(duì)工程具有重要的意義和幫助。對(duì)輸氣管道優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究對(duì)我國(guó)天然氣發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要的作用。

結(jié)束語(yǔ)

天然氣是一種非常重要的綠色能源，它對(duì)于環(huán)境的污染小，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)外目前對(duì)天然氣的需求都比較大，尤其在中國(guó)市場(chǎng)，天然氣管道的建設(shè)還有很多的路要走，還有很多的地方需要學(xué)習(xí)，天然氣管道建設(shè)的好壞關(guān)系到國(guó)計(jì)民生，關(guān)系到天然氣管道輸送天然氣的質(zhì)量和運(yùn)行效率。本文通過(guò)對(duì)天然氣管道設(shè)計(jì)優(yōu)化研究，可以看出該優(yōu)化模型得到的優(yōu)化解的穩(wěn)定性稍差，因此我們?cè)谌蘸蟮墓ぷ髦袑?duì)天然氣輸氣管道優(yōu)化設(shè)計(jì)模型進(jìn)行改進(jìn)，以求得到可靠性較好，得到最優(yōu)解。

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