天然氣集輸管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

詹 超

（甘肅中石油昆侖燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)（咨詢）有限公司，甘肅蘭州 730030）

隨著現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)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(shè)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(jì)成本建設(shè)天然氣集輸管網(wǎng)，并獲取最大的經(jīng)濟(jì)效益，是相關(guān)天然氣建設(shè)部門所要考慮的問題。而對天然氣集輸管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)進(jìn)行研究具有重要現(xiàn)實(shí)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(biāo)準(zhǔn)來把若干氣井規(guī)劃為一組，在此基礎(chǔ)上，不同組之間都要投入一個(gè)集氣站設(shè)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(yù)下，最終到達(dá)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(dá)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(dá)到通氣目的，最后在環(huán)網(wǎng)的適當(dāng)位置將管線引出，最終到達(dá)集氣總站。

天然氣集輸網(wǎng)絡(luò)是以弧和節(jié)點(diǎn)組成的連接方式，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)問題則是對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系以及某種功能的完成問題加以確定。網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)問題，也是與網(wǎng)絡(luò)有關(guān)組合最優(yōu)化問題，其主要是指在網(wǎng)絡(luò)上找到一個(gè)特定的子網(wǎng)絡(luò)，并在此基礎(chǔ)上對其權(quán)不斷調(diào)整，使它的權(quán)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(jì)和技術(shù)等方面準(zhǔn)則。其中，對于經(jīng)濟(jì)方面最優(yōu)化準(zhǔn)則需要滿足利潤最大、總費(fèi)用最小、成本最低等準(zhǔn)則，而針對于技術(shù)最優(yōu)化準(zhǔn)則需要滿足可靠性最大、動(dòng)作最快等。天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題指的是在起源、用戶位置確定的基礎(chǔ)上，對天然氣管道輸送系統(tǒng)的最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行確定。最優(yōu)化準(zhǔn)則不僅能夠?qū)ο到y(tǒng)功能問題進(jìn)行完善和改進(jìn)，還能夠進(jìn)一步明確系統(tǒng)發(fā)展目標(biāo)。

目前來看，在我國經(jīng)濟(jì)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(chǔ)上，天然氣管網(wǎng)建設(shè)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(gè)油田區(qū)域建設(shè)成主要的區(qū)域性管網(wǎng)。這些管網(wǎng)的建設(shè)和投入應(yīng)用極大程度上滿足了當(dāng)?shù)厝藗儗τ谀茉吹男枨?，?shí)現(xiàn)了對能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和完善，為我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)及人們生活水平的提升起到至關(guān)重要的促進(jìn)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(shè)計(jì)的原則

天然氣集輸管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則主要包括經(jīng)濟(jì)成本投入最小原則和運(yùn)行穩(wěn)定原則。其中，經(jīng)濟(jì)成本投入最小原則，就是費(fèi)用最省原則，其是建立在前期投入的最大控制基礎(chǔ)上，來選擇最為優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，從而保證經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化。氣田集輸系統(tǒng)的投資主要由建筑費(fèi)、管材費(fèi)用所組成的建設(shè)費(fèi)用以及熱力費(fèi)用、動(dòng)力費(fèi)用所組成的運(yùn)行費(fèi)用綜合構(gòu)成。以經(jīng)濟(jì)成本投入最小為尋優(yōu)設(shè)計(jì)目標(biāo)，其主要是指在天然氣集輸管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，最大程度上控制天然氣集輸管網(wǎng)的建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用的投入。針對于運(yùn)行穩(wěn)定原則，則主要是指在天然氣集輸管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，對于一類技術(shù)要反復(fù)研究、加以試驗(yàn)等方式，來實(shí)現(xiàn)這一類技術(shù)的最優(yōu)化。具體而言，在天然氣集輸管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，尋找最為優(yōu)化的設(shè)計(jì)原則，要保證集輸管網(wǎng)的壓力、溫度等相關(guān)工藝參數(shù)滿足實(shí)際工程要求。通常情況下，天然氣集輸管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題是指對一類多目標(biāo)實(shí)行優(yōu)化問題，其通常建立在費(fèi)用最省的基礎(chǔ)上，并以可靠性、穩(wěn)定性為約束條件來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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(jìn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并在對最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行確定之后，立足于管網(wǎng)連接關(guān)系的基礎(chǔ)，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(jìn)行確定，也不能更好地求解相關(guān)費(fèi)用，因此只能遵循距離最短的原則，還不能實(shí)現(xiàn)真正意義上的費(fèi)用最省。整體優(yōu)化是指在對管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行確定的過程中，同時(shí)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(xué)合理，其能夠?qū)崿F(xiàn)費(fèi)用最省為原則，但是具有較慢的相對求解速度，甚至無法實(shí)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(fù)雜的聯(lián)系關(guān)系，導(dǎo)致其多是以分級優(yōu)化的形式來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化求解。

3.1 井組優(yōu)化設(shè)計(jì)

氣田內(nèi)部的集輸流程按照氣田的地質(zhì)、地理?xiàng)l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?dāng)?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(huì)把氣井劃分成若干個(gè)小組，每組氣井的天然氣在各自的集氣站做相應(yīng)的聚集處理后，再對其進(jìn)行外輸。其中，各個(gè)小組所包含的井?dāng)?shù)量是以地理?xiàng)l件、氣井和集氣站的生產(chǎn)規(guī)模、井位分布等相關(guān)因素來決定的。據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(shè)投資費(fèi)用。現(xiàn)階段而言，在實(shí)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(chǔ)上來劃分對井組。井組優(yōu)化設(shè)計(jì)就是對氣井與集氣站間的最佳隸屬關(guān)系加以確定，即在一定的井式約束下，對于各個(gè)氣井進(jìn)行劃分，使氣井與集氣站能夠呈現(xiàn)最佳隸屬關(guān)系，從而最大程度上縮小相應(yīng)集氣站費(fèi)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(shè)計(jì)

場站布局和選址的科學(xué)性和合理性是決定集輸生產(chǎn)成本的關(guān)鍵因素之一。因此集輸管網(wǎng)的優(yōu)化應(yīng)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(fèi)用，而且站位的確定也對整個(gè)氣田集輸管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)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(dá)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(shè)計(jì)展開研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

氣田地面集輸系統(tǒng)包括氣井、集氣站、壓縮機(jī)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(gòu)，確定油藏工程設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)的集氣站管網(wǎng)布局展開優(yōu)化設(shè)計(jì)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(yīng)用頂點(diǎn)加權(quán)的方式來進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，以計(jì)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(jìn)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(fèi)用增加問題，那么，當(dāng)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(gè)管道的流量長度之和并不能達(dá)到最小。故此，務(wù)必要適當(dāng)調(diào)整集氣站的氣體進(jìn)入集氣干線接入點(diǎn)，從而使整個(gè)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(jìn)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(gè)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(gè)氣田管網(wǎng)的流量分布進(jìn)行考慮，從而使管網(wǎng)的流量呈合理分配，進(jìn)而為整個(gè)氣田進(jìn)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(jìn)行優(yōu)化過程中，需要建立在各集氣站頂點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)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(yuǎn)，從而為整個(gè)氣田的日常管理和維護(hù)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(shí)疏散管道中的流量，防止由于管段中流量過于集中，而導(dǎo)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(yīng)當(dāng)?shù)爻霈F(xiàn)最低溫度時(shí)金屬所呈現(xiàn)的最低溫度。其次，在確定管道材質(zhì)的強(qiáng)度過程中，要對天然氣壁厚和鋼管制作工藝進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)最小壁遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于計(jì)算壁厚時(shí)，要不斷提升管道材質(zhì)水平，同時(shí)還要對壁厚進(jìn)行減低計(jì)算。在計(jì)算壁厚和最小壁厚保持在一個(gè)水平過程中，要建立在最小壁厚的基礎(chǔ)上來對管道金屬材料要求達(dá)到的強(qiáng)度值進(jìn)行確定。在此過程中，管徑不大的則需要對無縫鋼管進(jìn)行選擇，大直徑集管道需要采用焊縫鋼管來實(shí)現(xiàn)焊縫處理。特別是針對于蘊(yùn)含著H2S 的天然氣管道材質(zhì)，通常情況下不會(huì)應(yīng)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(shí)行最佳管徑組合，保證其能夠滿足其相關(guān)流動(dòng)要求，并有效契合各個(gè)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(shè)計(jì)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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。因此，相關(guān)部門和相關(guān)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(shè)計(jì)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(yùn)行，并為集輸設(shè)備的維修和更新提供指導(dǎo)建議，為我國天然氣管道建設(shè)作出突出貢獻(xiàn)。