天然气集输管网的优化设计研究

【摘要】本文简要叙述天然气管网的现状及发展趋势；提出天然气管网系统优化设计的概念及分类；详细解释天然气管网布局及优化，包括井组、站址、干支管等的布局及优化；最后对我国天然气集输管网的规划进行研究，得出合理的结论。

【关键词】天然气，管道，优化设计

1、引言

天然气输送管道正向着大型化、复杂化的网络系统方向发展。因而，对天然气集输管网系统的优化进行研究具有十分重要的意义。根据气田开发阶段的不同，以管网投资为目标，提出了管网布局优化模型，该模型不仅是管道长度的函数，还充分考虑了管径对投资费用的影响。油气集输工程是油气田地面工程的主体工程，也是石油与天然气生产过程中得一个重要环节，集输的任务是收集自地下开采出的原油、天然气或其混合物，并进行分离、转运、外输。目前国内广泛采用的是多级集输流程，所采用的集输系统管网主要有放射状（或称为星形）、枝状和环状，以及这三种得组合形式。网络是由弧与节点组成的总体，网络的拓扑结构问题就是确定网络中节点之间连接关系以完成某种特定功能的问题，若是有向网络还要确定弧的方向。与网络有关的组合最优化问题称为网络最优化问题，就是在网络上找一个特定的子网络，使它的权最小或最大。天然气管网系统布局优化问题是指在给定气源、用户位置的情况下，确定天然气管道输送系统的最优拓扑结构。

2.天然气管道的现状发展趋势

目前国内广泛采用的是多级集输流程，所采用的集输系统管网主要有放射状、枝状和环状，以及这三种的组合形式。放射状管网按照一定的要求将若干气井划分为一组，每组设一个集气站，各气井天然气通过集气管线纳入集气站，再经集气支线、集气干线进入集气总站。枝状管网有一条贯穿于气田的主干线，由干线输入到集气总站。环状管网是将集气干线布置成环状，承接沿线集气站来气，在环网上适当的位置引出管线至集气总站。

天然气正向着长运距、网络化、高钢级管道钢、控制管理的自动化和通信技术、高压输送富气技术的广泛应用这些方向发展。长运距：自70年代以来，世界上新开发的大型气田大多数远离消费中心，同时国际天然气贸易量迅速增加，促使全球输气管道向长距离的方向发展。目前在建和计划建设的许多输气管道都是距离较大的输气管道。加大口径和提高压力：这一发展趋势是与长运距一致的，长距离只有在大口径和大输量的前提下才能体现其经济性。网络化：建设输气管网，使输气系统网络化，已成为世界天然气储运的主要发展趋势之一。高钢级管道钢：目前，世界上干线输气管道均采用高强度合金钢，以达到减少钢材耗量，降低工程造价的目的。控制管理的自动化和通信技术：随着管道输送规模的不断扩大，对输送过程控制盒管理的复杂度也成倍地增加，对管道输送的安全性、可靠性和经济性的要求越来越高。高压输送富气技术的广泛应用：高压输送气富气技术的广泛应用降低了输气成本，增大了输气量。

3.管网优化技术的趋势和最优化问题的分类

管网系统优化设计正朝向着多目标化、模糊优化、灰色优化、随机优化方向发展。最优化问题又可分为：无约束优化与有约束优化问题；线性优化与非线性优化问题、连续变量优化与离散变量优化问题，单目标优化与多目标优化问题，确定性优化与非确定性优化问题；静态优化与动态优化问题。无论是城市管道还是长途输送都是比较综合。

4.管网优化技术目前所存在的问题

由于输气管网还没有形成完善的环状管网，输气干线的使用时间不同，腐蚀程度不同，致使管段的承压能力也不一样；而且承担用户调峰，压缩机工况变化频繁，管网运行压力可以维持较低状态，不需要在输气管网上增压。由于用户市场压力需求变化不大，用户的相对位置也没有发生大的改变，为充分利用压能资源，最大限度地推迟气井增压开采的时间，提高开发效益，高压管网运行压力2.0到2.5MPa之间，低压管网运行压力1.5MPa左右，遵循环状管网中天然气的流向不发生改变的原则。

我国所产低压气和增压开采所产气量均计划供给低压用户，高压气在通过输气管网输送满足“十二五”期间我国大部分地区其他各用户用气需求的同时，补充低压用户供气量的不足，从而实现生产、管网输送、用户市场的产供销平衡。

5.天然气集输管网系统存在问题分析及解决措施

天然气实际外输量超出了设计外输量。，每一作业区日产天然气量95万方 天然气的日消耗量10万方.剩余85万方需要外输。然而，压缩机作为天然气外输的核心，其处理能力只有75万方，故天然气的实际外输量超出了设计外输量。各集输汇管压力高出设定压力，单井井口回压升高.能耗增大.产量降低。天然气集输管网系统是一个密闭的.复杂的系统。天然气产量的日益增加同天然气消耗量不变之间的矛盾造成南堡作业区集输管网系统回压升高 从而致使井口回压升高。先导试验站外输管线作为南堡作业区天然气集输管网的最终外输管线.管线规格一定.外界环境一定.所以可根据水平管线基本方程式如下

单位体积管线的容积不变，实际外输情况下，温度变化不大，也视为不变。当天然气管网下游用户的用气量保持不变的情况下，外输天然气气量增加。管线终点压力增加.故管线起点压力增加。因此，造成南堡作业区集输管网系统回压升高 从而导致各岛集输汇管压力升高 单井井口回压升高。对天然气集输管网系统所存在的问题进行分析.并根据分析结果对天然气集输管网系统进行了优化。天然气集输管网优化投产一号岛集输系统，配合陆岸终端联合站投产，优化油田集输系统管网运行工艺流程。鉴于输气管线几乎都在粗糙区和混合摩擦区工作这一情况。西方国家广泛采用输气管线水力摩阻系数的专用公式，威莫斯公式：若管线规格已知.则可计算出水力摩阻系数 。

由上述推导得知：在相同的管线规格，相同温度变化 外输气量增加 外输起点压力同外输终点压力的平方差增大。天然气集输管网是一个密闭系统，取管线终点单位体积管线作为研究对象 可根据理想气体状态方程。

6.结论。对天然气集输管网系统的规划、设计等进行了优化研究。针对天然气集输管网系统的复杂性，提出了采用分级优化策略。根据我国管网系统存在的问题，对管网建设工程的发展进行了优规划，为管线建设提供了依据。

参考文献：

[1]刘贺群，余洋。我国天然气管网发展现状和趋势。当代石油石化，2005，13（12）：11-14.

[2]潘红立，杨鸿雁，气田地面集输管网系统的优化设计。油气储运，2002，21（4）：14-18.