長(zhǎng)輸管道天然氣集輸管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李學(xué)軍 天津中海油工程設(shè)計(jì)有限公司

長(zhǎng)輸管道天然氣集輸管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李學(xué)軍 天津中海油工程設(shè)計(jì)有限公司

針對(duì)天然氣集輸管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)問題，從井組劃分優(yōu)化、集輸場(chǎng)站選址布置優(yōu)化、干支管網(wǎng)連接網(wǎng)格化設(shè)計(jì)優(yōu)化等三個(gè)方面對(duì)其管網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)劃進(jìn)行優(yōu)化，通過對(duì)各優(yōu)化方案進(jìn)行設(shè)計(jì)方案分析表明，本文提出的優(yōu)化方案好于傳統(tǒng)優(yōu)化方法。在天然氣集輸管網(wǎng)布局優(yōu)化的基礎(chǔ)上，從集輸管網(wǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化、管網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化等方面對(duì)其系統(tǒng)整體優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行補(bǔ)充分析。詳細(xì)提出了設(shè)計(jì)優(yōu)化、運(yùn)行優(yōu)化的數(shù)學(xué)函數(shù)優(yōu)化模型，界定了優(yōu)化約束條件，對(duì)管網(wǎng)優(yōu)化方案思路進(jìn)行了明確。

天然氣；集輸管網(wǎng)；規(guī)劃；運(yùn)行優(yōu)化

油氣集輸工程是油氣田地面工程的主體工程，包括天然氣輸送、轉(zhuǎn)送必不可少的傳輸設(shè)施，以及油田生產(chǎn)天然氣系統(tǒng)中的核心環(huán)節(jié)設(shè)備。集輸管道的主要功能就是對(duì)油氣田開采出的天然氣和伴生物進(jìn)行處理，包括分離、凈化、輸送、外銷等。集輸管網(wǎng)設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜、建造成本巨大，投入使用后運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用昂貴，并且由于天然氣的易燃易爆特性，導(dǎo)致天然氣集輸管網(wǎng)系統(tǒng)不但建設(shè)運(yùn)行成本高，而且存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)隱患較大。因此，對(duì)集輸管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和規(guī)劃在經(jīng)濟(jì)效益、安全可靠方面都具有重要的實(shí)用意義。

隨著天然氣開發(fā)規(guī)模的擴(kuò)大，集輸管網(wǎng)越來(lái)越多、系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，管網(wǎng)主要采用放射狀、枝狀、環(huán)狀等形式安裝，管道之間交叉、連接存在許多問題和不協(xié)調(diào)之處，這些問題都需要在集輸管網(wǎng)設(shè)計(jì)安裝初期以及運(yùn)行過程中進(jìn)行充分考慮。不斷地優(yōu)化使集輸管網(wǎng)不但運(yùn)行成本最低、使用最安全，同時(shí)還可方便于油氣田生產(chǎn)和管理。本文從最低成本、最大安全性、最快動(dòng)作、最佳可靠性等要求出發(fā)對(duì)油氣田天然氣的集輸管網(wǎng)系統(tǒng)的布局規(guī)劃進(jìn)行合理優(yōu)化和設(shè)計(jì)。

1 管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)置布局優(yōu)化

天然氣集輸管網(wǎng)布局是集輸系統(tǒng)規(guī)劃優(yōu)化的最主要內(nèi)容，天然氣集輸系統(tǒng)管網(wǎng)前期布局設(shè)計(jì)是優(yōu)化集輸系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)置的首要內(nèi)容，在設(shè)計(jì)規(guī)劃初期，按照要求對(duì)油氣田井組、干支管道走線、集輸場(chǎng)站選址等進(jìn)行合理布局[1]，通過優(yōu)化促使其既要滿足氣田生產(chǎn)開發(fā)工藝、現(xiàn)場(chǎng)條件、成本、外銷供求情況等要求的條件，又要滿足投資小、安全穩(wěn)定性好的要求。

1.1 天然氣田井組區(qū)域劃分優(yōu)化

天然氣田集輸系統(tǒng)根據(jù)天然氣儲(chǔ)存資源量、開發(fā)技術(shù)水平、現(xiàn)場(chǎng)地理地質(zhì)條件等實(shí)際可分為單個(gè)氣井獨(dú)立連接管網(wǎng)輸送和多個(gè)氣井組合到一起進(jìn)行集輸?shù)葍煞N方式。對(duì)于油氣田規(guī)模較大，同時(shí)開挖生產(chǎn)的氣井?dāng)?shù)量較多的氣田，為提高設(shè)備利用效率和開采的便捷，通常根據(jù)生產(chǎn)需要將現(xiàn)場(chǎng)所有氣井劃分成若干組，對(duì)同一井組的開采氣資源用同一個(gè)集輸站進(jìn)行集輸處理。井組區(qū)域劃分優(yōu)化就是確保每一個(gè)氣井與其相連接的集輸站處在最佳的隸屬條件下，確保集輸管道長(zhǎng)度、直徑、集輸流量等處于最有利于降低成本的前提下。

本文在考慮氣井與集氣站之間的距離和氣井集輸產(chǎn)量的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，按照距離最短原則確定氣井—井組—集氣站的隸屬關(guān)系，按照產(chǎn)量較大的氣井組隸屬6～10口井、產(chǎn)量較小的氣井組隸屬11～15口井，最多不能超過20口井。按照拓?fù)鋬?yōu)化方式對(duì)天然氣集輸管網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化。井組劃分的優(yōu)化結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1井組劃分優(yōu)化布局

圖1 中所示虛線為一種井組劃分布局結(jié)構(gòu)，實(shí)線為另一種井組劃分布局結(jié)構(gòu)，兩種結(jié)構(gòu)均為最優(yōu)化井組劃分。圖1中J1、J2代表兩個(gè)集氣站，圓圈代表各個(gè)氣井位置，其中1號(hào)、2號(hào)氣井分布在兩個(gè)集氣站中間，且與集氣站的距離大致相等，這就需要根據(jù)集氣站的規(guī)模、輸送天然氣量、集氣站隸屬井組數(shù)量進(jìn)行實(shí)際確定，確保每一個(gè)集氣站的氣井?dāng)?shù)量、集輸天然氣量均勻化。

1.2 集輸場(chǎng)站選址規(guī)劃優(yōu)化

集輸場(chǎng)站是氣田天然氣集輸?shù)膬?chǔ)存和中轉(zhuǎn)裝置，因此在對(duì)氣田集輸管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，首先要對(duì)集輸場(chǎng)站進(jìn)行合理選址，既要確保集輸氣站位址、數(shù)目符合井組的隸屬，又要保證氣井集輸量、距離合理，節(jié)約成本。天然氣田集氣場(chǎng)站設(shè)置的數(shù)量會(huì)直接影響油田生產(chǎn)的成本，集輸場(chǎng)站的位置布置又直接與集輸管網(wǎng)管線連接和網(wǎng)管結(jié)構(gòu)布局形式直接相關(guān)，天然氣集輸管網(wǎng)管道安裝成本每公里高達(dá)數(shù)萬(wàn)元，而管道又是整個(gè)集輸系統(tǒng)的最主要設(shè)施及成本比最大部分，因此，優(yōu)化集氣站選址，從而減少集輸管線總長(zhǎng)度顯得十分重要。

一般情況下，天然氣井的位置基本上在油藏設(shè)計(jì)和設(shè)備設(shè)施安裝前都已經(jīng)確定，主要是根據(jù)油氣資源分布和開采難易程度等天然條件確定的；集氣站的建設(shè)一般設(shè)置在同一組隸屬氣井位置分布的區(qū)域中間。我國(guó)油氣田地面集輸安裝設(shè)計(jì)通常分為二級(jí)分布安裝和三級(jí)分布安裝兩種類型。本文根據(jù)天然氣田實(shí)際情況對(duì)其集輸站布置設(shè)計(jì)規(guī)劃進(jìn)行優(yōu)化，可以先對(duì)集中的氣井和集氣站按照輻射式網(wǎng)絡(luò)狀進(jìn)行安裝，然后再通過樹枝狀結(jié)構(gòu)體系將各個(gè)集氣站進(jìn)行匯總連接到集氣總站，形成井組—集氣站—集氣總站的優(yōu)化規(guī)劃布置系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 氣田集輸場(chǎng)站選址布局優(yōu)化

圖3 傳統(tǒng)優(yōu)化管網(wǎng)布置

圖4 額外集散點(diǎn)改進(jìn)法優(yōu)化管網(wǎng)布置

圖2 中大方框?yàn)闅馓飬^(qū)域，其中四個(gè)小方格為氣田集氣站及其隸屬井組的分布區(qū)域，每一個(gè)集輸站分布多個(gè)氣井，它們按照星形網(wǎng)絡(luò)連接構(gòu)成二級(jí)氣站布置；三集氣站布置有實(shí)線和虛線兩種方式，對(duì)應(yīng)于輻射網(wǎng)絡(luò)和樹枝網(wǎng)絡(luò)兩種模式，圖2中A、B為集氣總站，其兩種三級(jí)氣站布置方式需根據(jù)氣田實(shí)際區(qū)域面積、周邊情況、氣田其他設(shè)施分布進(jìn)行選擇，都屬于集氣場(chǎng)站選址布局優(yōu)化方案。

1.3 干支管網(wǎng)布局優(yōu)化

在氣井與其所屬集氣站合理連接的基礎(chǔ)上，進(jìn)行干支管網(wǎng)布局連接。在傳統(tǒng)的天然氣集輸管網(wǎng)設(shè)計(jì)布局時(shí)，一般是根據(jù)數(shù)學(xué)論和集合論中的圖論分布知識(shí)進(jìn)行分析，包括在集輸管網(wǎng)系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)獨(dú)立的集氣總站或采用多交叉樹枝網(wǎng)絡(luò)狀連接等兩種。對(duì)天然氣集輸干支管網(wǎng)優(yōu)化分析時(shí)，就是要以天然氣輸送管段總長(zhǎng)最小、總流量分布最均勻?yàn)槟繕?biāo)，以此為依據(jù)對(duì)集氣站的管網(wǎng)連接干線、支線、分接等接入點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)調(diào)整，確保干支管道氣體傳輸順暢。對(duì)干支管網(wǎng)進(jìn)行布局優(yōu)化時(shí)需要考慮四個(gè)方面的內(nèi)容：

（1）采用樹枝狀管網(wǎng)的連接方式優(yōu)化干支管網(wǎng)，可以合理安排管網(wǎng)連接和布置。

（2）樹枝狀管網(wǎng)在中心集氣站選址，這樣可以確保各個(gè)集氣場(chǎng)站能夠全部連接集氣總站，集氣管線最短。

（3）根據(jù)樹枝網(wǎng)絡(luò)方式進(jìn)行干支管網(wǎng)布局的確定。

（4）管網(wǎng)布局引入額外集散點(diǎn)，根據(jù)集散優(yōu)化理論對(duì)干線、支線、接入點(diǎn)等進(jìn)行合理設(shè)置。

依據(jù)上述內(nèi)容，進(jìn)行傳統(tǒng)的干支管網(wǎng)優(yōu)化，并按照傳統(tǒng)的干支管網(wǎng)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化，選擇某一油氣井田干支管網(wǎng)特征進(jìn)行布置。圖3為傳統(tǒng)干支管網(wǎng)優(yōu)化后的布置規(guī)劃圖，井組按照位置分布就近整合，實(shí)現(xiàn)最小距離優(yōu)化，達(dá)到降低成本、減少管道長(zhǎng)度的目的。圖4是在傳統(tǒng)優(yōu)化管網(wǎng)布置的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化，增加額外集散點(diǎn)S1、S2、S3、S4，實(shí)現(xiàn)氣井按照井組分布后，管線根據(jù)管徑、流量實(shí)現(xiàn)交匯統(tǒng)一連接到集氣站或集氣總站，可以在減少管長(zhǎng)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)天然氣流量的優(yōu)化布置，實(shí)現(xiàn)了更加優(yōu)化、科學(xué)的管網(wǎng)布置規(guī)劃方案。

2 管網(wǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

天然氣技術(shù)管網(wǎng)的優(yōu)化不僅要從其布局、選址、安裝等規(guī)劃上進(jìn)行優(yōu)化，還需要優(yōu)化其管網(wǎng)設(shè)計(jì)。天然氣集輸管網(wǎng)安裝建設(shè)前要對(duì)其進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，此過程中要著重處理集輸管道管徑的最佳組合問題，通過數(shù)學(xué)、物理理論對(duì)管道流量、壓力等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算確定，通過最小解或最優(yōu)解等方式獲取集輸系統(tǒng)造價(jià)成本最低的優(yōu)化設(shè)計(jì)[2]。

天然氣集輸系統(tǒng)建設(shè)安裝投入成本總額F可以通過建立函數(shù)模型轉(zhuǎn)化成與管壁厚度m、管徑D、管道長(zhǎng)L的函數(shù)式計(jì)算，集輸管網(wǎng)的總投資函數(shù)如下

其中，計(jì)算天然氣集輸管網(wǎng)系統(tǒng)成本最低的邊界約束有系統(tǒng)穩(wěn)定性約束、管道強(qiáng)度約束、管道內(nèi)部氣壓約束和函數(shù)模型體現(xiàn)的設(shè)計(jì)變量約束等。

對(duì)天然氣集輸管網(wǎng)初期的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化主要是按照上述函數(shù)模型進(jìn)行。這種模型主要以約束條件確定變量的優(yōu)化結(jié)果，包含的變量參數(shù)均為離散型分布，這就可以解決通常采用的連續(xù)變量函數(shù)模型計(jì)算最優(yōu)解近似忽略的問題；這種方法計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，與油氣田生產(chǎn)設(shè)備設(shè)施布置和投資成本實(shí)際比較接近。集輸管網(wǎng)初期階段的設(shè)計(jì)優(yōu)化就是在一定的目標(biāo)條件下，以一定的約束條件得出函數(shù)模型最佳數(shù)值解的過程，充分考慮各參數(shù)之間的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系，一方面提高了系統(tǒng)整體結(jié)果的收斂特性，另一方面解決了設(shè)計(jì)變量符合優(yōu)化條件的極值問題，據(jù)此得到問題的最優(yōu)解，獲得天然氣集輸管網(wǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)的整體協(xié)調(diào)、耦合、適應(yīng)性最優(yōu)解。

3 管網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化

天然氣集輸管網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化是指管網(wǎng)建設(shè)完成投入使用后，就需要對(duì)其投入使用后的運(yùn)行狀況進(jìn)行優(yōu)化，以合理的運(yùn)行參數(shù)設(shè)置和管理模式，確保天然氣集輸管網(wǎng)使用時(shí)整體處在最穩(wěn)定良好的狀態(tài)。分析天然氣集輸管網(wǎng)運(yùn)行過程最優(yōu)化的內(nèi)容，就是根據(jù)管道結(jié)構(gòu)、分布方式、壓縮機(jī)特征、邊界條件、設(shè)計(jì)極限要求等設(shè)定部分限制條件，以此達(dá)到運(yùn)行時(shí)最順暢、成本最低的目的。運(yùn)行優(yōu)化模型可以歸納成如下函數(shù)公式

式中pi為集輸系統(tǒng)第i條輸氣管道上所有的壓縮機(jī)總數(shù)；u1i為壓縮機(jī)的停止或使用狀態(tài)，停止或運(yùn)行用0或1代替；uej為輸氣管道上第j臺(tái)壓縮機(jī)使用時(shí)的效率；qij為輸氣管道上第j臺(tái)壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的操作壓力。

建立天然氣集輸管網(wǎng)投入使用后的運(yùn)行優(yōu)化函數(shù)模型，首先要界定其為線性模型還是離散模型[3]，這將直接影響到優(yōu)化結(jié)果。本文由于選擇的變量為數(shù)量、壓力、狀態(tài)等離散參數(shù)，因此運(yùn)行優(yōu)化函數(shù)關(guān)系屬于離散模型。天然氣集輸管網(wǎng)優(yōu)化要充分考慮油氣田天然氣產(chǎn)量、輸出量、市場(chǎng)需求量、集輸站運(yùn)轉(zhuǎn)處理規(guī)模、集輸管道氣體壓力等因素，在確保安全穩(wěn)定的條件下，以最大輸出、最低成本為目標(biāo)對(duì)其運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化[4]。

4 結(jié)論

（1）針對(duì)天然氣集輸管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)問題，從井組劃分優(yōu)化、集輸場(chǎng)站選址布置優(yōu)化、干支管網(wǎng)連接網(wǎng)格化設(shè)計(jì)優(yōu)化等三個(gè)方面對(duì)其管網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)劃進(jìn)行優(yōu)化，通過對(duì)各優(yōu)化方案進(jìn)行設(shè)計(jì)方案分析表明，本文提出的優(yōu)化方案好于傳統(tǒng)優(yōu)化方法。

（2）在天然氣集輸管網(wǎng)布局優(yōu)化的基礎(chǔ)上，從集輸管網(wǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化、管網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化等方面對(duì)其系統(tǒng)整體優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行補(bǔ)充分析。詳細(xì)提出了設(shè)計(jì)優(yōu)化、運(yùn)行優(yōu)化的數(shù)學(xué)函數(shù)優(yōu)化模型，界定了優(yōu)化約束條件，對(duì)管網(wǎng)優(yōu)化方案思路進(jìn)行了明確。

[1]陳進(jìn)殿，汪玉春，黃澤?。烊粴夤芫W(wǎng)系統(tǒng)最優(yōu)化研究[J]．油氣儲(chǔ)運(yùn)，2006，25（2）：6-15．

[2]何川，孟慶華，李渡．川西天然氣集輸管網(wǎng)系統(tǒng)最優(yōu)規(guī)劃研究[J]．天然氣工業(yè)，2011，26（7）：107-111．

[3]張亞飛，楊強(qiáng)，陳庚．寒冷地區(qū)高含CO2氣田集輸工藝設(shè)計(jì)[J]．油氣田地面工程，2011，30（9）：25-27.

[4]李奕霖，吳濤．某稠油區(qū)塊集輸系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)[J]．油氣田地面工程，2014，33（10）：66-67.

（022）66913881、243170376@qq.com

（欄目主持張秀麗）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.4.012

李學(xué)軍：工程學(xué)士，天津中海油工程設(shè)計(jì)有限公司總經(jīng)理，研究方向?yàn)楣こ淘O(shè)計(jì)。