長輸管道天然氣集輸管網優(yōu)化設計

張燕軍 李石寬 牛媛 李會 羅宇鵬

關鍵詞：長輸管道;天然氣集輸管網優(yōu)化設計

1 長輸管網天然氣集輸管網優(yōu)化設計概述

1.1 天然氣管網系統(tǒng)優(yōu)化設計

輸氣管網系統(tǒng)是一個龐大而復雜的系統(tǒng)。開發(fā)氣田地面工程建設時，應考慮集輸管網的規(guī)劃。油田開發(fā)地面工程布置第一級到第二級集氣站，井口到第一級集氣站管網，并對各級集氣站和各集氣站進行合理布置。過去管網及集氣站的布設，由于計算機技術等多方面原因，缺乏對布設的綜合考慮，造成集氣管網系統(tǒng)后期運行難以滿足運行要求，造成二次建設或工程改造，浪費人力物力，增加了項目投資。所以對天然氣集輸管網進行優(yōu)化設計是非常必要的。

天然氣長輸管道集輸管網優(yōu)化設計涉及圖論的數理基礎、運籌學、技術經濟評價、計算機技術的優(yōu)化與應用等多個學科，其中最重要的是布局優(yōu)化問題：一是確定管網拓撲結構，特別是確定站場的布局方式和管網連接方式。第二，優(yōu)化選址，確定具體的中間站。優(yōu)化了相關參數，明確了管壁厚度、管徑等相關參數;綜合考慮各子問題，設計合理的長輸管道天然氣集輸系統(tǒng)優(yōu)化方案。

1.2 關鍵節(jié)點設計

目前集輸管網系統(tǒng)比較復雜，對管網設計提出了更高的要求。所以在設計過程中，要綜合考慮關鍵節(jié)點，保證整體設計的合理性。第一，樞紐站。樞紐站具有各種管道聯絡、通訊、應急、調度功能，獨立運行，是應急通風的主要場所。在設計過程中，要結合管網的總體設計方案和規(guī)劃來完成，以保證管道運輸的安全性。第二，它是一個聯合施工的車站。聯建站是集工藝、站控、電力、通信等為一體的綜合性控制系統(tǒng)，必須對聯建站進行合理設計，確保施工質量。此外，鄰近施工站的關鍵節(jié)點設計不可忽視。作為保證聯合站各單元獨立運行的重要設施，在設計過程中應予以重視。第三，管網運行參數的科學設計。以前，確定路網布局方案時，一般以年運量作為參考，沒有考慮季節(jié)變化，不能保證設計方案合理。

2 天然氣管道發(fā)展趨勢

2.1 設施改造力度加大

在北方地區(qū)清潔取暖、冬季天然氣保供等工程與會議精神的影響下，中石化與中石油等主要油氣企業(yè)，加大了基礎設施改造力度，各企業(yè)所屬管道的獨立問題逐漸得到解決，使得干線管道互聯互通成為了可能，應急保供能力隨之提高，如西二線廣州末站、管網鰲頭分輸站的互聯。2018年，鄂--安--滄天然氣管道、蒙西煤制氣管道等設施互聯互通項目建設步伐加速，國內天然氣串換與應急調峰等能力隨之加強。

2.2 管道輸送能力加強

為提高管道輸送能力，提出了提升鋼級以及加大管徑、壓力等措施計劃，在政策等支持影響下，管道行業(yè)發(fā)展成就顯著。尤其是管道斷裂控制試驗場的建設，展開了管材X80與1422 mm管徑的直縫管爆破試驗，為這一措施計劃落實提供了基礎保障。在俄羅斯與美國等國外發(fā)達管道設計經驗引導下，我國超大輸量管道技術研究步入正軌。

2.3 設備與控制系統(tǒng)自給自足

大型球閥、管道壓縮機等關鍵設備，基本實現了國產化生產。隨后20MW電驅與30 MW燃驅的國產化壓縮機組正式投入使用。關鍵閥門與執(zhí)行機構、流量計等管道設備基本實現自給自足。工業(yè)性試驗56"Class900全焊接球閥、管道流量計已完成驗收工作。呼和浩特--鄂爾多斯成品油管道建設中，首次使用了國產閥室PLC、RTU控制系統(tǒng)。國產設備與控制系統(tǒng)的研究成果，其轉化速度加快，推動了我國天然氣管道工程與控制系統(tǒng)國產化生產的進程。

2.4 智能化管道建設成為可能

在冀寧聯絡線項目中，數字化油氣管道建成后，信息技術整合力度加大，掀起了我國油氣管道建設信息化管理、機械化施工與數字化設計的新篇章。中俄東線當作智能化管道建設試點，通過工程全生命周期管理，智能化運營與數字化移交，全面打開我國長輸智慧管網建設的新征程。

3 長輸管網天然氣集輸管網優(yōu)化的有效途徑

3.1 管網系統(tǒng)設置布局優(yōu)化

3.1.1 天然氣田井組區(qū)域劃分優(yōu)化

通常情況下，多口氣井的組合和單口氣井的獨立聯接是氣田輸送技術系統(tǒng)的主要方式。通常按建設區(qū)的地理條件、物理條件、天然氣儲運與開發(fā)程度劃分。若油氣田氣井開采的數量和規(guī)模較大，通常將氣井劃分為若干組。同一組資源，可采用同一采氣站，保證設備采氣方便、高效。以最優(yōu)條件為前提，對各氣井及類似集輸站進行井組區(qū)域劃分，確保成本最低，使集輸管道保持最優(yōu)流量、直徑和長度。另外，相關設計人員還應優(yōu)化主支管網布置，客觀分析管網流量，采用支管網連接形式，科學布置主支管網，合理連接，并借助集氣末站，將各集氣站納入統(tǒng)一的管網系統(tǒng)中，以最大限度地減少集氣管道的實際使用。

3.1.2 優(yōu)化站址

一般而言，壓氣站、集氣站和氣井是氣田地面集輸系統(tǒng)的重要組成部分。儲層工程設計中，往往要根據已探明的地層結構確定氣井的位置。

收集站一般設在其管轄內的一組生產井中。當前，我國油氣田地面集輸管網系統(tǒng)主要采用二級及三級布點方式。對集氣站進行優(yōu)化設計時，應考慮到天然氣田的具體情況，以放射狀網式布置集氣站和氣井，再以樹狀網式結構將各個集氣站組合成一個集氣網絡系統(tǒng)。

3.1.3 優(yōu)化干支管網布局

對于主支管網的連接布置，應對氣井及其集氣站進行合理的連接。以前的天然氣集輸管網設計中，長輸管道天然氣集輸系統(tǒng)一般是采用分離式集氣終端，分離式分支網連接的方式建立。通過對集輸管網系統(tǒng)的分析、規(guī)劃和優(yōu)化，使總流量分配具有最小和最統(tǒng)一的目標，并科學地調整系統(tǒng)，以保證主管和支管的正常運行。對主管和支管管網布局的優(yōu)化應考慮以下問題：①利用管網聯接優(yōu)化主管網和支管網的布置，保證管網聯接及其位置的合理性;②在分支管網選擇集氣總站地質條件，保證所有集氣站都能集中，盡量減少對集氣管道的消耗;③優(yōu)化集輸天然氣管網的主支網時，要根據管網模式確定;④為保證合理設置，可考慮在集輸管網中增設配電點，并結合相關理論設置接入點、支線和主干。

3.2 管網設計優(yōu)化

管路設計是集輸管網總體設計的重要內容。它的設計是否科學合理，直接關系到天然氣的后續(xù)運輸，是安全可靠運輸的重要保證。對影響集輸管網建設和運行的各種因素進行綜合分析，并結合其特點，對長輸管線的布置位置進行圖形化設計。首先，要遵循管網系統(tǒng)的設計原則，根據長輸管道的規(guī)格、管徑等影響因素，合理確定壓力、流量等參數，使最終的管網系統(tǒng)能滿足不同地區(qū)的用氣需求，降低工程造價;同時，要保證集輸管網的優(yōu)化設計，還要根據客觀分析和科學的原則，解決管道輸送過程中可能出現的諸多問題，設計出最符合管道輸送要求的參數，進一步完善管理模式，確保天然氣集輸管網的正常運行。另外，根據設計要求，設計者還應準確掌握管網結構、布管方式、設計界限等具體要求，為管網優(yōu)化設計提供實用參考，確保各環(huán)節(jié)設計工作科學合理，為集輸管網安全運行奠定良好基礎。

4 結束語

伴隨著我國氣象事業(yè)發(fā)展規(guī)模的不斷擴大，集輸管道的數量和復雜度都在不斷增加。管道管道的安裝通常采用環(huán)管、支管和徑向管道。所以在管道安裝過程中存在著很多安全隱患，主要原因是管道穿越、管道連接造成的。因此，在管網安裝、運行初期，必須考慮以上問題，對管網進行有效優(yōu)化，才能保證其安全運行，同時也為天然氣的生產、管理提供方便條件。

參考文獻：

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