輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化設計與實施

孫佳楠

（遼河油田油氣集輸公司,遼寧 盤錦124010）

石油、天然氣是二十一世紀新型能源,其需求量和供給量正在逐年上漲,石油、天然氣的輸送是通過輸氣管傳遞的,隨著新油田、新氣田的發(fā)現(xiàn),以及老油田和老氣田新區(qū)塊的開發(fā),多條輸油氣管組成了一個龐大的輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)。就中國而言,中國長輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)具有規(guī)模龐大、覆蓋范圍比較廣泛、里程較長等特點,總輸油氣里程已經(jīng)超過了100000km[1]。由此可見輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)的建設是一項資本較大的工程,并且在建設過程中需要對整體輸油其管網(wǎng)進行合理布局,否則會提高系統(tǒng)運行成本,即油氣運輸成本。但是目前現(xiàn)有的輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)存在著諸多問題,比如輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局不夠合理,傳統(tǒng)系統(tǒng)對于管網(wǎng)拓撲連接關系、站場幾何位置確定的不夠準確[2]。此外輸油管網(wǎng)系統(tǒng)部分參數(shù)也存在這問題,其中包括輸油氣管徑、壁厚等,這類管網(wǎng)參數(shù)的不合理將直接增加輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)的運行成本,同時還會造成系統(tǒng)對油氣供應的緩慢,在實際運行過程中經(jīng)常出現(xiàn)停供現(xiàn)象,油氣供應達不到市場需求,傳統(tǒng)系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足輸油氣管網(wǎng)運行需求,為此提出輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化設計與實施。

1 輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局優(yōu)化

1.1 建立優(yōu)化模型

針對輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局方面,本文通過建立優(yōu)化模型的方式,進而對輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局起到優(yōu)化的作用。在此過程中,首先,建立目標函數(shù),設目標函數(shù)的表達式為F,則有公式（1）。

公式（1）中,a 指的是輸油氣管網(wǎng)建設所需成本；b 指的是輸油氣管網(wǎng)建設路徑選擇；c 指的是輸油氣管網(wǎng)長度。通過公式（1）,得出輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局優(yōu)化模型的目標函數(shù)。以此,為輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局優(yōu)化的基礎函數(shù)。但由于上述輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局優(yōu)化模型的目標函數(shù)沒有考慮到“井站”之間的隸屬關系,導致輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局優(yōu)化為局限優(yōu)化而并非全局優(yōu)化[3]?；诖?本文通過考慮到“井站”之間的隸屬關系,結合輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局現(xiàn)實場地條件因素,得到完整的輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局優(yōu)化模型。設其表達式為F1,則有公式（2）。

公式（2）中,n 指的是“井站”之間距離；i 指的是輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局優(yōu)化節(jié)點個數(shù),為實數(shù)；μ 指的是輸油氣管網(wǎng)的變量權重。通過公式（2）,得出輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局優(yōu)化模型表達式。由此可見,輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局優(yōu)化與模型中的變量存在直接關系。因此,可以通過對上述變量的控制,進而達到控制輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局的目的[4]。通過建立輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局優(yōu)化模型的精準估算,為輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局優(yōu)化提供數(shù)據(jù)模型基礎。但考慮到輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局優(yōu)化模型存在廣泛性,下文將對其加以約束,進而保證輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化設計的精準度。以此,實現(xiàn)輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局優(yōu)化模型的建立。

1.2 提出約束條件

為確保在對輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局優(yōu)化的過程中,符合管網(wǎng)運行的現(xiàn)場實際需要,將本文上述構建的優(yōu)化模型作為基礎,對其中各項變量的約束條件進行設置。

首先,針對輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局中的集輸半徑約束條件進行設定。為了實現(xiàn)對輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)正常運行提供保障,需要對輸油氣管網(wǎng)在傳輸過程中的壓力級制進行限制[5]。在各個輸送站調壓匯集后,其管道起點位置上的壓力會受到一定的影響,因此為確保其運行穩(wěn)定,需要對管道進行壓降處理,并在處理過程中,控制管道的整體長度范圍應當如公式（3）所示：

其次,針對輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局中的處理量約束條件進行設定。在實際運行過程中,每一個集氣站當中的天然氣處理量都應當與該集氣站所管轄范圍內的產(chǎn)氣量相同[6]。同時,集氣站由于所處環(huán)境周圍影響因素眾多,因此在實際運行中其經(jīng)濟效益和處理效率都會受到一定的影響。綜合上述兩方面因素,得出輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局中的處理量約束條件為：

公式（5）中,Qmin表示為輸油氣管網(wǎng)集氣站的最小處理量；Qmax表示為輸油氣管網(wǎng)集氣站的最大處理量。

最后,針對輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局優(yōu)化模型中的取值范圍約束條件進行設定。在本文上述構建的優(yōu)化模型當中,其決策變量包括拓撲結構關系、集氣站總數(shù)量,同時還包括集氣站的幾何位置連續(xù)變量。因此,除了對上述兩個變量進行約束,以外,還需要對其相應的取值范圍進行優(yōu)化求解,并得出如公式（6）所指的取值范圍約束結果：

1.3 布局優(yōu)化模型求解

完成對優(yōu)化模型的構建和約束條件的設定后,對模型進行求解?？紤]到目標函數(shù)具有非連續(xù)性,并且梯度信息不明確,因此,本文采用改進遺傳算法實現(xiàn)對輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化。針對輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化模型當中的集氣站數(shù)量、集氣站位置以及井站連接關系,三種主控變量,考慮到在取值空間當中主要包含整數(shù)、實數(shù)和0～1 狀態(tài)空間的條件因素,進行直接編碼相對困難。因此,本文通過對集氣站的數(shù)量進行記錄,并將其作為染色體長度的方式,選用多級聯(lián)參數(shù)編碼的方式,將上述三個主控變量進行統(tǒng)一編碼。

2 輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

除了要優(yōu)化輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)的整體布局以外,還要對目前輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)中部分管網(wǎng)參數(shù)進行合理優(yōu)化。輸油氣管網(wǎng)參數(shù)的優(yōu)化目的主要是降低系統(tǒng)運行成本,而輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)運行過程中需要投資各種費用,其中包括輸油管材費用、電伴熱費用等,因此此次系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化以系統(tǒng)運行費用最小為目標,建立目標函數(shù)如下：

公式（7）中,s 表示輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)運行投資；sI表示輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)運行中管材投資；s2表示輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)運行中電伴熱投資；s3表示輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)的其他配套投資。優(yōu)化輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)不僅僅要實現(xiàn)系統(tǒng)運行投資最低,在實現(xiàn)該目標的同時還要保證油氣穩(wěn)定流動,因此為了保證系統(tǒng)運行投資最少的同時,還能實現(xiàn)油氣穩(wěn)定供應,提出油氣穩(wěn)定流動約束條件。輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)油氣穩(wěn)定流動主要取決于管網(wǎng)內的溫度、壓力等參數(shù),因此對其約束可以用以下公式表示：

公式（8）中,W 表示輸油氣管網(wǎng)滿足的水力公式；P1和P2表示輸油氣管網(wǎng)起點和終點的管內壓力值；S 表示輸油氣管網(wǎng)滿足的蘇霍夫熱力公式；T1和T2表示輸油氣管網(wǎng)起點和終點的管內溫度值。上文提到的優(yōu)化目標和約束條件均具有非線性特征,對其求解具有一定的難度,因此此次選取高維粒子群算法對優(yōu)化目標函數(shù)和約束條件進行最優(yōu)化求解,將目標函數(shù)求得的所有有效解組成一個集合,創(chuàng)建粒子群群體,然后將粒子群群體中任意一粒子帶入到約束條件中,檢驗其是否滿足約束條件,最后將同時滿足兩個公式的結果求出,即輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化最優(yōu)解,以此實現(xiàn)輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化,進而完成輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化設計。

3 實驗論證分析

實驗選取某區(qū)域輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)作為實驗對象,該系統(tǒng)主要由260 條輸油氣管道組成,其中126 條管道為石油管道,124條為天然氣管道,該輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)負責輸送油氣的站點共16個,實驗利用此次提出優(yōu)化方案對該系統(tǒng)進行優(yōu)化。根據(jù)上文提出的優(yōu)化方案,將系統(tǒng)輸油氣管內溫度參數(shù)調整為12.5℃,管內壓力參數(shù)調整為25.4MPa。優(yōu)化后,令系統(tǒng)向區(qū)域內各個油氣集站輸送油氣,記錄每天輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)停止供應油氣的時間,將其作為檢驗此次設計優(yōu)化方案的指標,對優(yōu)化前后輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)運行情況進行對比分析,實驗結果如表1 所示。

表1 優(yōu)化前后輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)停止供應時間（min）

從上表可以看出,優(yōu)化后輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)停止供應油氣的時間比較短,少于優(yōu)化前輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng),因此實驗證明了,此次設計輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化設計比較合理,能夠有效減少油氣停止供應時間。

結束語

本文針對輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)在布局方面和參數(shù)方面存在的問題,提出一套輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化方案,并且通過對該套優(yōu)化方案的實踐效果分析,證明了此次設計的輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化方案具有較高的可行性和可靠性。此次研究對降低輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)運行成本、提高輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)的效率具有重要的現(xiàn)實價值,對解決目前市場油氣供不應求問題具有重要作用,同時對推動輸油氣管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化理論研究的發(fā)展也具有著良好的積極作用。