氣田集輸管網優化運行方案的設計

曹月蕊(吉林油田勘察設計院，吉林 松原 138000)

氣田集輸管網優化運行方案的設計

曹月蕊(吉林油田勘察設計院，吉林 松原 138000)

本文通過綜合考慮壓縮機站、氣田集輸管網的實際運行情況，充分考慮全部約束條件，以實現管網中所有壓縮機站能源消耗總量的最小化為目標，建立了氣田集輸管網優化運行方案的數學模型，通過應用科學的混沌遺傳算法進行模型計算，最終得到最終的優化運行方案。同時經過實踐發現，優化運行方案數學模型、混沌遺傳算法均具有良好的實用性、有效性。

氣田集輸管網；優化運行方案；天然氣運輸

為了解決天然氣資源區域分布不均、城市天然氣資源供求矛盾等問題，我國逐漸加強了對天然氣集輸管網的建設。氣田集輸管網是我國天然氣集輸管網體系中的重要組成部分，其主要包括天然氣處理廠、壓縮機站、集氣站以及氣井四個不同的單元，單元之間主要通過管道連接。為提高氣田地面工程的經濟效益，必須加強對氣田集輸管網的優化運行設計，同時也有利于減少天然氣在運輸過程中的壓力損耗，實現能源節約、環境保護。下文中，筆者主要探討了氣田集輸管網的優化運行方案，以供參考。

1 建立優化運行方案數學模型

氣田集輸管網的運行過程中，通常情況下會受到多種因素的影響，例如，壓縮機站配置情況與壓縮機運行參數、氣源的分布情況、用戶的用氣量與用氣壓力需求以及管網輸送能力等。優化運行方案的主要內容包括，實現集輸管網運行參數的優化、實現壓縮機運行參數的優化、確保壓縮機站開機臺數合理，其目的在于，降低壓縮機站的能源消耗與運行成本[1]。根據現階段氣田集輸管網的實際運行情況，以實現管網中所有壓縮機站能源消耗總量的最小化為目標，在符合如下3個假設條件的前提下：壓縮機型號相同、壓縮機之間并聯連接、開機臺數始終≥1臺，建立優化運行方案數學模型，函數式如下：

式中：i為氣田集輸管網中壓縮機站的進氣節點編號；j為排氣節點編號；ε為進氣、排氣節點編號(i、j)構成的集合；Qij為壓縮機站中的總流量(m3/s)；Zi為壓縮機處于進氣狀態中的時候，天然氣所具有的壓縮系數；Ti為壓縮機的進口溫度(K)；pi為進氣壓力(MPa)；pj為排氣壓力(MPa)；ω=(k-1)/k，k為是絕熱系數；ηij為壓縮機的效率。

設計優化運行方案的過程中，必須確保其切實符合氣田的資源分布狀況、能夠切實滿足用戶的用戶壓力、用氣量需求，與此同時，也要確保壓縮機站的實際運行參數始終保持在合理范圍之內。除此之外，相關研究學者在進行氣田集輸管網優化運行方案設計的過程中，提出了相應的約束條件，主要有節點流量平衡、管道強度限制等方面的數學描述。

2 模型求解方法

針對上述所建立的氣田集輸管網優化運行方案數學模型進行分析，可以發現其是一個較為復雜的多維非線性問題[2]。進行數學模型求解的過程中，國內外大部分研究學者普遍運用非線性混合規劃法，但在氣田集輸管網規模越來越大的今天，也逐漸提高了對計算機存儲量的要求，進而導致初始可行解很難得到有效的確定，基于這樣的原因，進行計算的時候，極易出現死循環的問題。面對這樣的現象，相關研究學者有機結合了混沌優化方法的便利性、遺傳算法的搜索機制，成立了混沌遺傳算法，在混沌遺傳算法下，模型求解的步驟如下：

①明確管網結構參數與基礎數據、管網節點與壓縮機的運行邊界條件、天然氣的物性參數，在綜合考慮以上因素的前提下，制定水力計算的方法；②確定算法的結束循環代數以及種群數目，同時充分考慮算法中要用到的初始交叉概率以及變異概率，按照混沌序列，從而產生一組初始優化運行方案，并評估其優劣，從中擇優選出幾個較為理想的初始優化運行方案，組建初始遺產算法種群[3]；③構建罰函數，計算當前方案的適應度、好壞，選出目標函數值最優、可以滿足所有約束條件的方案，并將其作為當前最優解；④對當前的優化運行方案進行選擇操作，并與最佳保留策略進行結合，將其作為當前方案；⑤對交叉概率以及變異概率進行自適應調整、動態調整，并將調整后的交叉概率以及變異概率當作主要根據，對(④)中的方案進行混沌優化交叉、變異操作；⑥綜合評估上述步驟中的運行方案，判斷其是否能夠達到預期的最大循環代數，并檢查最優解經過多次迭代的情況下運行方案有沒有變化，若沒有發生變化，則可進入下一步驟，若發生變化，則重新轉向(③)；⑦將當前最優解作為優化運行方案數學模型的解，得到最終的氣田集輸管網優化運行方案。實踐發現，上述優化運行方案模型、算法具有實用性、有效性。

3 結語

氣田集輸管網在進行運行的過程中，提供能量的通常是壓縮機站，從而預防天然氣在管道中流動時發生壓力損耗，進而避免不必要的資源浪費。氣田集輸管網的空間范圍較大，氣田各區塊的產量、壓力處于不斷變化的狀態下，同時，用戶的用氣量、用氣壓力存在很大的不確定性，所以，必須適當調整各壓縮機站的開機臺數以及運行參數，以便于在確保氣田集輸管網可以良好地完成輸氣任務的同時，實現壓縮機站能源消耗量的降低。

[1]孫立新.淺析氣田集輸管網的優化運行方案[J].化工管理,2016，(17)：24.

[2]李學軍.長輸管道天然氣集輸管網優化設計[J].油氣田地面工程,2015，(04)：24-26.

[3]王洪元,卜瑩,潘操.基于遺傳蟻群算法的氣田集輸管網優化方法[J].計算機與應用化學,2012，(12)：1495-1498.

曹月蕊(1983- )，女，漢，助理工程師，本科，主要從事油氣集輸設計工作 。