输油气管网系统优化设计与实施

孙佳楠

（辽河油田油气集输公司,辽宁 盘锦124010）

石油、天然气是二十一世纪新型能源,其需求量和供给量正在逐年上涨,石油、天然气的输送是通过输气管传递的,随着新油田、新气田的发现,以及老油田和老气田新区块的开发,多条输油气管组成了一个庞大的输油气管网系统。就中国而言,中国长输油气管网系统具有规模庞大、覆盖范围比较广泛、里程较长等特点,总输油气里程已经超过了100000km[1]。由此可见输油气管网系统的建设是一项资本较大的工程,并且在建设过程中需要对整体输油其管网进行合理布局,否则会提高系统运行成本,即油气运输成本。但是目前现有的输油气管网系统存在着诸多问题,比如输油气管网系统布局不够合理,传统系统对于管网拓扑连接关系、站场几何位置确定的不够准确[2]。此外输油管网系统部分参数也存在这问题,其中包括输油气管径、壁厚等,这类管网参数的不合理将直接增加输油气管网系统的运行成本,同时还会造成系统对油气供应的缓慢,在实际运行过程中经常出现停供现象,油气供应达不到市场需求,传统系统已经无法满足输油气管网运行需求,为此提出输油气管网系统优化设计与实施。

1 输油气管网系统布局优化

1.1 建立优化模型

针对输油气管网系统布局方面,本文通过建立优化模型的方式,进而对输油气管网系统布局起到优化的作用。在此过程中,首先,建立目标函数,设目标函数的表达式为F,则有公式（1）。

公式（1）中,a 指的是输油气管网建设所需成本；b 指的是输油气管网建设路径选择；c 指的是输油气管网长度。通过公式（1）,得出输油气管网系统布局优化模型的目标函数。以此,为输油气管网系统布局优化的基础函数。但由于上述输油气管网系统布局优化模型的目标函数没有考虑到“井站”之间的隶属关系,导致输油气管网系统布局优化为局限优化而并非全局优化[3]。基于此,本文通过考虑到“井站”之间的隶属关系,结合输油气管网系统布局现实场地条件因素,得到完整的输油气管网系统布局优化模型。设其表达式为F1,则有公式（2）。

公式（2）中,n 指的是“井站”之间距离；i 指的是输油气管网系统布局优化节点个数,为实数；μ 指的是输油气管网的变量权重。通过公式（2）,得出输油气管网系统布局优化模型表达式。由此可见,输油气管网系统布局优化与模型中的变量存在直接关系。因此,可以通过对上述变量的控制,进而达到控制输油气管网系统布局的目的[4]。通过建立输油气管网系统布局优化模型的精准估算,为输油气管网系统布局优化提供数据模型基础。但考虑到输油气管网系统布局优化模型存在广泛性,下文将对其加以约束,进而保证输油气管网系统优化设计的精准度。以此,实现输油气管网系统布局优化模型的建立。

1.2 提出约束条件

为确保在对输油气管网系统布局优化的过程中,符合管网运行的现场实际需要,将本文上述构建的优化模型作为基础,对其中各项变量的约束条件进行设置。

首先,针对输油气管网系统布局中的集输半径约束条件进行设定。为了实现对输油气管网系统正常运行提供保障,需要对输油气管网在传输过程中的压力级制进行限制[5]。在各个输送站调压汇集后,其管道起点位置上的压力会受到一定的影响,因此为确保其运行稳定,需要对管道进行压降处理,并在处理过程中,控制管道的整体长度范围应当如公式（3）所示：

其次,针对输油气管网系统布局中的处理量约束条件进行设定。在实际运行过程中,每一个集气站当中的天然气处理量都应当与该集气站所管辖范围内的产气量相同[6]。同时,集气站由于所处环境周围影响因素众多,因此在实际运行中其经济效益和处理效率都会受到一定的影响。综合上述两方面因素,得出输油气管网系统布局中的处理量约束条件为：

公式（5）中,Qmin表示为输油气管网集气站的最小处理量；Qmax表示为输油气管网集气站的最大处理量。

最后,针对输油气管网系统布局优化模型中的取值范围约束条件进行设定。在本文上述构建的优化模型当中,其决策变量包括拓扑结构关系、集气站总数量,同时还包括集气站的几何位置连续变量。因此,除了对上述两个变量进行约束,以外,还需要对其相应的取值范围进行优化求解,并得出如公式（6）所指的取值范围约束结果：

1.3 布局优化模型求解

完成对优化模型的构建和约束条件的设定后,对模型进行求解。考虑到目标函数具有非连续性,并且梯度信息不明确,因此,本文采用改进遗传算法实现对输油气管网系统的优化。针对输油气管网系统优化模型当中的集气站数量、集气站位置以及井站连接关系,三种主控变量,考虑到在取值空间当中主要包含整数、实数和0～1 状态空间的条件因素,进行直接编码相对困难。因此,本文通过对集气站的数量进行记录,并将其作为染色体长度的方式,选用多级联参数编码的方式,将上述三个主控变量进行统一编码。

2 输油气管网系统参数优化

除了要优化输油气管网系统的整体布局以外,还要对目前输油气管网系统中部分管网参数进行合理优化。输油气管网参数的优化目的主要是降低系统运行成本,而输油气管网系统运行过程中需要投资各种费用,其中包括输油管材费用、电伴热费用等,因此此次系统参数优化以系统运行费用最小为目标,建立目标函数如下：

公式（7）中,s 表示输油气管网系统运行投资；sI表示输油气管网系统运行中管材投资；s2表示输油气管网系统运行中电伴热投资；s3表示输油气管网系统的其他配套投资。优化输油气管网系统参数不仅仅要实现系统运行投资最低,在实现该目标的同时还要保证油气稳定流动,因此为了保证系统运行投资最少的同时,还能实现油气稳定供应,提出油气稳定流动约束条件。输油气管网系统油气稳定流动主要取决于管网内的温度、压力等参数,因此对其约束可以用以下公式表示：

公式（8）中,W 表示输油气管网满足的水力公式；P1和P2表示输油气管网起点和终点的管内压力值；S 表示输油气管网满足的苏霍夫热力公式；T1和T2表示输油气管网起点和终点的管内温度值。上文提到的优化目标和约束条件均具有非线性特征,对其求解具有一定的难度,因此此次选取高维粒子群算法对优化目标函数和约束条件进行最优化求解,将目标函数求得的所有有效解组成一个集合,创建粒子群群体,然后将粒子群群体中任意一粒子带入到约束条件中,检验其是否满足约束条件,最后将同时满足两个公式的结果求出,即输油气管网系统参数优化最优解,以此实现输油气管网系统参数优化,进而完成输油气管网系统优化设计。

3 实验论证分析

实验选取某区域输油气管网系统作为实验对象,该系统主要由260 条输油气管道组成,其中126 条管道为石油管道,124条为天然气管道,该输油气管网系统负责输送油气的站点共16个,实验利用此次提出优化方案对该系统进行优化。根据上文提出的优化方案,将系统输油气管内温度参数调整为12.5℃,管内压力参数调整为25.4MPa。优化后,令系统向区域内各个油气集站输送油气,记录每天输油气管网系统停止供应油气的时间,将其作为检验此次设计优化方案的指标,对优化前后输油气管网系统运行情况进行对比分析,实验结果如表1 所示。

表1 优化前后输油气管网系统停止供应时间（min）

从上表可以看出,优化后输油气管网系统停止供应油气的时间比较短,少于优化前输油气管网系统,因此实验证明了,此次设计输油气管网系统优化设计比较合理,能够有效减少油气停止供应时间。

结束语

本文针对输油气管网系统在布局方面和参数方面存在的问题,提出一套输油气管网系统优化方案,并且通过对该套优化方案的实践效果分析,证明了此次设计的输油气管网系统优化方案具有较高的可行性和可靠性。此次研究对降低输油气管网系统运行成本、提高输油气管网系统开发的效率具有重要的现实价值,对解决目前市场油气供不应求问题具有重要作用,同时对推动输油气管网系统优化理论研究的发展也具有着良好的积极作用。