天然气集输管网优化设计研究

詹 超

（甘肃中石油昆仑燃气工程设计（咨询）有限公司，甘肃兰州 730030）

随着现代化经济不断发展，人们对于能源需求量日益提升，作为我国重要的能源输送端口，天然气集输管网建设的重要性也得到有效彰显。而基于天然气集输系统的特殊性，如何以最小的经济成本建设天然气集输管网，并获取最大的经济效益，是相关天然气建设部门所要考虑的问题。而对天然气集输管网优化设计不仅能够有效解决上述问题，还可规避天然气输送管道发展过程中的问题。因此，对天然气集输管网优化设计进行研究具有重要现实意义。

1 天然气集输管网概述

现阶段，我国普遍采用的天然气集输管网主要包括放射状、枝状和环状这三种组合形式的多级集输流程。其中，放射性管网是遵循一定的规范和标准来把若干气井规划为一组，在此基础上，不同组之间都要投入一个集气站设置，各气井天然气都是借助集气管线的作用下，来统一在集气站中停滞，在集气支线、集气干线的干预下，最终到达集气总站。枝状管网是覆盖于气田的主干线，在干线作用下到达集气总站。环状管网是指集气干线布置为环状形态，在沿线集气站的衔接作用下，达到通气目的，最后在环网的适当位置将管线引出，最终到达集气总站。

天然气集输网络是以弧和节点组成的连接方式，网络的拓扑结构问题则是对网络节点之间的连接关系以及某种功能的完成问题加以确定。网络的最优拓扑结构问题，也是与网络有关组合最优化问题，其主要是指在网络上找到一个特定的子网络，并在此基础上对其权不断调整，使它的权满足最小或者最大的条件。由此来看，天然气集输管网最优化主要涉及到经济和技术等方面准则。其中，对于经济方面最优化准则需要满足利润最大、总费用最小、成本最低等准则，而针对于技术最优化准则需要满足可靠性最大、动作最快等。天然气管网系统优化设计问题指的是在起源、用户位置确定的基础上，对天然气管道输送系统的最优拓扑结构进行确定。最优化准则不仅能够对系统功能问题进行完善和改进，还能够进一步明确系统发展目标。

目前来看，在我国经济快速发展的背景下，人们对于能源需求量也呈现逐渐增加状态，在此基础上，天然气管网建设的重要性得到有效凸显。目前，我国四川、贵州主要建成的是环形管网，陕甘宁地区主要建成的是放射性管网，以及各个油田区域建设成主要的区域性管网。这些管网的建设和投入应用极大程度上满足了当地人们对于能源的需求，实现了对能源消费结构的改进和完善，为我国社会经济及人们生活水平的提升起到至关重要的促进作用，也促使我国输送天然气水平“更上一层楼”。

2 天然气集输管网优化设计的原则

天然气集输管网优化设计的原则主要包括经济成本投入最小原则和运行稳定原则。其中，经济成本投入最小原则，就是费用最省原则，其是建立在前期投入的最大控制基础上，来选择最为优化设计目标，从而保证经济最优化。气田集输系统的投资主要由建筑费、管材费用所组成的建设费用以及热力费用、动力费用所组成的运行费用综合构成。以经济成本投入最小为寻优设计目标，其主要是指在天然气集输管网优化设计过程中，最大程度上控制天然气集输管网的建设费用和运行费用的投入。针对于运行稳定原则，则主要是指在天然气集输管网优化设计过程中，对于一类技术要反复研究、加以试验等方式，来实现这一类技术的最优化。具体而言，在天然气集输管网优化设计标准中，寻找最为优化的设计原则，要保证集输管网的压力、温度等相关工艺参数满足实际工程要求。通常情况下，天然气集输管网的优化设计问题是指对一类多目标实行优化问题，其通常建立在费用最省的基础上，并以可靠性、稳定性为约束条件来进行优化设计。

3 天然气集输管网优化思路

天然气集输管网的优化主要是对管网布局和工艺参数进行分别优化。管网布局即为优化集气站的位置选择以及对集气采气管网的拓扑结构进行优化。工艺参数的优化主要是指优化管径、壁厚以及保温层厚度等参数。集输管网优化包括分级优化和整体优化两种优化方式。其中，分级优化指的是首先优化管网的拓扑结构，并在对最优拓扑结构进行确定之后，立足于管网连接关系的基础，来优化管网工艺参数。由于在生成管网过程中，这种优化形式没有对工艺参数进行确定，也不能更好地求解相关费用，因此只能遵循距离最短的原则，还不能实现真正意义上的费用最省。整体优化是指在对管网拓扑结构进行确定的过程中，同时优化工艺参数，降管径、壁厚等因素都纳入管网连接形式过程中。较天然气集输管网的分级优化而言，整体优化更加科学合理，其能够实现费用最省为原则，但是具有较慢的相对求解速度，甚至无法实现这些情况。针对于星状管网而言，多是以整体优化形式来开展天然气集输管网的优化，而对于一些较大规模的树状管网而言，基于其相对繁琐且复杂的联系关系，导致其多是以分级优化的形式来实现优化求解。

3.1 井组优化设计

气田内部的集输流程按照气田的地质、地理条件及气田开发阶段的差异性，可以分为单井集输流程和多井集输流程。针对于面积较大和井数较多的气田，为了能够实现简化管理和方便生产，通常情况下，会把气井划分成若干个小组，每组气井的天然气在各自的集气站做相应的聚集处理后，再对其进行外输。其中，各个小组所包含的井数量是以地理条件、气井和集气站的生产规模、井位分布等相关因素来决定的。据经验分析，通常情况下，6～10口井的产量最大，11～16口井的产量最小，最多控制在20口井之内。气田集输系统最优化问题是指对井口如何最优划分，从而最大程度上节省建设投资费用。现阶段而言，在实现最优划分井组过程中，其多是指对一定井式和集输半径的综合采用，并不考虑集气站的集气量规模问题，建立在距离和最短的基础上来划分对井组。井组优化设计就是对气井与集气站间的最佳隶属关系加以确定，即在一定的井式约束下，对于各个气井进行划分，使气井与集气站能够呈现最佳隶属关系，从而最大程度上缩小相应集气站费用，使各集气站的集气量呈现合理分布。

3.2 田站地址优化设计

场站布局和选址的科学性和合理性是决定集输生产成本的关键因素之一。因此集输管网的优化应该有效契合场站布局的优化。在气田集输系统工程中，首先遇到的问题是对集气站的数目和站位加以确定。显而易见，集气站的多少直接影响到整体天然气集输管网投资的费用，而且站位的确定也对整个气田集输管网的结构形式呈现巨大影响。而针对于集输的管线来说，其投资成本非常昂贵，一平米高达数万元，管线总的投资占据气田集输系统投资的一半以上，故此，对气田站地址优化设计展开研究具有重要的现实意义。

气田地面集输系统包括气井、集气站、压缩机站等。通常情况下，气井和井位是结合已研究的底层结构，确定油藏工程设计，集气站位置通常是在所辖一组生产井的中间。

3.3 站管网布局优化设计

在传统的集气站管网布局展开优化设计过程中，通常是结合图文知识从两方面考虑问题，分别是优化树枝管网的连接方式和中心集气站的选址问题。在优化树枝管网的连接方式过程中，主要是应用顶点加权的方式来进行加权计算，以计算出最小的流量长度之和，得到最小生成数，然而，在诸多无向数转化成有向数之后，得到的最小流量长度之和也未必是干各管段的最小流量长度之和。虽然在中心集气站的选址问题中对流量的分配问题进行考虑，其目的是为了能够有效疏散某些管段流量，防止其因管段过度集中而带来的成本费用增加问题，那么，当把中心集气站的选址问题融入于优化树枝管网的连接方式的最小生成数过程中，极易造成某些集气站的气体输往中心站经过的管线距离过长，从而造成各个管道的流量长度之和并不能达到最小。故此，务必要适当调整集气站的气体进入集气干线接入点，从而使整个集气干线的流量长度之和呈现最小的管网布局。

中心集气站的选址问题，是在指定的集气站中进行优化选择，使选出的集气站作为集气总站，从而使其他集气站和集气总站的最大距离呈现最小状态。作为整个气田中综合开发的生产处理、外输及管理中心，集气总站的位置选择上要对整个气田管网的流量分布进行考虑，从而使管网的流量呈合理分配，进而为整个气田进行最优区域划分和管网布置带来极大的便利性。

在对气田综合开发方案进行优化过程中，需要建立在各集气站顶点组成的网络基础上，来对集气总站的位置加以确定。具体原则如下：首先，考虑各集气站距离，使集气总站在气田的中心地带覆盖，保证其距离集总站不要太远，从而为整个气田的日常管理和维护带来一定便利性。其次，还要对管网中流量的分配问题加以考虑，及时疏散管道中的流量，防止由于管段中流量过于集中，而导致管径增大、最终成本增加。

3.4 材质的选择和对制管方式的要求

为了能够实现天然气集输管网的最优化，对管道材质的选择和制管方式提出了更高的要求。首先，需要使钢管材质满足天然气的气质条件，并且保证所选择的管道和管材条件能够适应当地出现最低温度时金属所呈现的最低温度。其次，在确定管道材质的强度过程中，要对天然气壁厚和钢管制作工艺进行计算，当最小壁远远小于计算壁厚时，要不断提升管道材质水平，同时还要对壁厚进行减低计算。在计算壁厚和最小壁厚保持在一个水平过程中，要建立在最小壁厚的基础上来对管道金属材料要求达到的强度值进行确定。在此过程中，管径不大的则需要对无缝钢管进行选择，大直径集管道需要采用焊缝钢管来实现焊缝处理。特别是针对于蕴含着H2S 的天然气管道材质，通常情况下不会应用螺旋缝埋弧焊和高频电阻焊钢管。除此之外，还要对管网实行最佳管径组合，保证其能够满足其相关流动要求，并有效契合各个管段的直径，在管道总长度变化不大的前提下，尽可能保证大直径管道长度能够占据管道总长度最小分率。

4 结语

总而言之，对天然气输网管优化设计研究是控制气田地面工程投资成本的重要手段，也是提升天然气效率的有效途径，对天然气输网管进行优化设计具有重要的现实意义。因此，相关部门和相关人员要清晰掌握我国天然气集输管网现状，并立足于天然气集输管网优化设计的原则，不断探寻天然气集输管网优化思路，以保证集输管网系统稳定、安全地运行，并为集输设备的维修和更新提供指导建议，为我国天然气管道建设作出突出贡献。