天然气集输管网优化概述

鱼东溟，马 跃

（1.西安石油大学石油工程学院，陕西 西安 710065；2.延安大学石油学院，陕西 延安 716000）

随着国民环保意识不断增强，传统化石能源被大众慢慢冷落。人们对天然气的需求量日益增加，伴随这样的大趋势，保障天然气输送安全的管网技术成为研究热点。集输官网建设费用高昂，因此为了实现管网优化，只能优化站点布局、优选管径和壁厚、优化站内集输工艺[1-2]。

1 天然气管网发展趋势

1）长距离管道输送[3]。长距离管道输送技术是因为天然气原产地和天然气用户群居住地之间的矛盾而产生的技术。正是西北荒漠的天然气无法高效的输送到对燃气需求量较大的江浙沪地区，长距离输送高效地解决了这个问题。例如西气东输管道就是长距离输送管线的代表。长距离是送管线是集输的主要运行方式。

2）大管径管道输送。根据经济性原理，大管径管道输送相较于多条管线在建设费用和管理费用都大大减少。因此在管道设计时应多进行经济型评价。通过多个案例得到大管径管道输送往往比小管径管道经济性更好。

3）集输管网结构优化。集输官网结构上的优劣往往代表着，该国家或地区集输技术的强弱。天然气是一种全球性的能源，在全球范围内都有很大的市场。只有科学的管网结构才可以保障我国天然气消费市场与国际对接。

4）新型材料的管网应用。采用更高强度的合金进行管网敷设可以大大减少壁厚，从而减少集输管网用钢量，降低成本。比如X70 管道钢材的应用，相交上一级刚才投资费用降低7%。因此高强度钢材的研发水平是官网集输的一个重要因素。

5）自动化管理。随着我国不断发展，天然气管线总长也不断增加。如此巨大的管网数量，人工管理的方式对管线的安全性也提出了较大的挑战。因此较为合理的应用计算机和SCADA 系统，进行大数据检测，可以有效降低管线风险，保障管线安全。

2 天然气管网优化原则

1）运行安全性原则。因为天然气的危险性，集输官网的安全性要求较高。在管网运行工作时，必须严格遵守管网安全性原则。具体到管线上主要是管道的温度、压力、管材强度等工艺参数。所有参数都应在安全范围内，才能保障管线的安全运行[4]。

2）经济性原则。在管网建设时，成本是管网敷设最重要的参数。费用主要包括前期建设的建设费用和后期管理的维护费用。经济性原则的目的是将钱较为高效的花费在管线建设上，尽量减少资金浪费。

3 天然气管网结构优化

天然气集输结构优化是最经济的方法，好的结构不仅能降低成本还能实现更加高效的调控。常见集输官网结构有环形管网、树状管网、星型管网。但是由于全国各地地形差异较大，只有结合当地实际情况，高效发挥各结构的优势扬长避短。集输系统才能创造更大的经济效益[5-6]。

1）环形管网优化

该结构优化主要是集输主线与各个分线在环内或环外与气井或下级气站之间的连接。利用环形结构将管道内的压力平衡。从而压力处于一个平稳的状态。该结构主要适用于井间串接，邻井区支线连接。

2）树状管网优化

树状管网是一条主干线连接多个支线的结构。好像一棵大树的枝干连接各个枝干。树状集输管网建设在管线投资费。因此该结构在前期投资费用会大大减少，但因其结构特点，会导致支管分流不均匀，生产不够平稳。该结构主要应用在气井分布为直线的情况。

3）星型管网结构

该结构主要应用在各集输站以某一战场为中心的布局上。星状结构管网既可以形成单独的布局，相互不干扰。也可以输气运行平稳，保持输送量。该结构主要应用在处理厂的管网敷设中。

4 气田管网集输优化

气田优化主要是对井组和气田选址的优化。针对井组应考虑每一口井的地理位置、产气量等因素。因为各个气井的天然气通过集气站进行汇集外输。而气井的数量与产量等都与地理环境、和井位布置有关。尽量保证集输管网汇集各井天然气后能高效运行。气田选址的优化主要是避免多余气井的出现。不经会造成经济损失也会对管网运行造成更高的负担[7]。

5 优化模型求解算法

随着科技的发展，模型求解方面出现了大量的优秀算法和技术。构建高质量的集输管网求解模型，可以有效改善管网管理模式，提高管理效率。主要是应用算法针对集输管网模型进行参数求解，从而改善全局的管理水平。还有很多优秀的算法[8]，如：蚁群算法、狼群算法、粒子群算法等。下面简要介绍蚁群算法和离子群算法：

1）相较于其他传统算法，蚁群算法在参数求解方面能力出众，并且拥有较高的最优解搜索能力。蚁群算法的本质是一种群落优化算法。可以进行并行搜说。蚁群算法也可以与其他算法相结合，改善自身性能。但是该算法的局限性主要体现在：①如果你的参数设置不合理，会大大降低求解速率并且最优解质量较低。②由于蚁群算法的运算量过大，因此耗费的时间较长。因为蚁群算法在理论中要求所有的参数都从最优路径通过，因此时间被大大增长。③针对实际情况，在有限的循环次数下很难得出最为合理的最优值。

2）粒子群算法的优势是最优解得出时长较短，因此可以对整个系统参数进行优化。该算法本质是通过调整自身已有值指导下一步数值迭代。但是粒子群算法会产生提前收敛现象。局部收敛性差。主要是因为粒子群算法中的参数多样性较少。这主要是一种全局优化和局部优化的矛盾。

各个算法都有自己的优点和局限性，在模型优化时应当结合模型自身特点先进行算法优选。然后对模型进行求解，再次验证之后得到最优解。在得到最优解后应再次检验，验证模型是否正确，参数是否合理。一个优秀的模型及其配套算法都应进行多次调试，尽可能保证模型与实际情况的一致性，以及参数产生结果的再现性。

6 结语

本文主要简述了集输管网的发展历史和在管网优化时应当考虑的几个主要方面。通过研究集输管网优化原则。针对当前集输系统较为常用的几种结构做了详细的描述。在气站管道优化方面提出建议。并针对计算机求解集输管网模型做了进一步的了解。意旨在集输管网优化方面进行总结与归纳，为日后的管网工作人员提供了技术基础。