長(zhǎng)輸管道天然氣集輸管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

張燕軍 李石寬 牛媛 李會(huì) 羅宇鵬

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)輸管道;天然氣集輸管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 長(zhǎng)輸管網(wǎng)天然氣集輸管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)概述

1.1 天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

輸氣管網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)。開(kāi)發(fā)氣田地面工程建設(shè)時(shí)，應(yīng)考慮集輸管網(wǎng)的規(guī)劃。油田開(kāi)發(fā)地面工程布置第一級(jí)到第二級(jí)集氣站，井口到第一級(jí)集氣站管網(wǎng)，并對(duì)各級(jí)集氣站和各集氣站進(jìn)行合理布置。過(guò)去管網(wǎng)及集氣站的布設(shè)，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)等多方面原因，缺乏對(duì)布設(shè)的綜合考慮，造成集氣管網(wǎng)系統(tǒng)后期運(yùn)行難以滿(mǎn)足運(yùn)行要求，造成二次建設(shè)或工程改造，浪費(fèi)人力物力，增加了項(xiàng)目投資。所以對(duì)天然氣集輸管網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是非常必要的。

天然氣長(zhǎng)輸管道集輸管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)涉及圖論的數(shù)理基礎(chǔ)、運(yùn)籌學(xué)、技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的優(yōu)化與應(yīng)用等多個(gè)學(xué)科，其中最重要的是布局優(yōu)化問(wèn)題：一是確定管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，特別是確定站場(chǎng)的布局方式和管網(wǎng)連接方式。第二，優(yōu)化選址，確定具體的中間站。優(yōu)化了相關(guān)參數(shù)，明確了管壁厚度、管徑等相關(guān)參數(shù);綜合考慮各子問(wèn)題，設(shè)計(jì)合理的長(zhǎng)輸管道天然氣集輸系統(tǒng)優(yōu)化方案。

1.2 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

目前集輸管網(wǎng)系統(tǒng)比較復(fù)雜，對(duì)管網(wǎng)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要綜合考慮關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，保證整體設(shè)計(jì)的合理性。第一，樞紐站。樞紐站具有各種管道聯(lián)絡(luò)、通訊、應(yīng)急、調(diào)度功能，獨(dú)立運(yùn)行，是應(yīng)急通風(fēng)的主要場(chǎng)所。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要結(jié)合管網(wǎng)的總體設(shè)計(jì)方案和規(guī)劃來(lái)完成，以保證管道運(yùn)輸?shù)陌踩浴５诙且粋€(gè)聯(lián)合施工的車(chē)站。聯(lián)建站是集工藝、站控、電力、通信等為一體的綜合性控制系統(tǒng)，必須對(duì)聯(lián)建站進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，確保施工質(zhì)量。此外，鄰近施工站的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)不可忽視。作為保證聯(lián)合站各單元獨(dú)立運(yùn)行的重要設(shè)施，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)予以重視。第三，管網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)的科學(xué)設(shè)計(jì)。以前，確定路網(wǎng)布局方案時(shí)，一般以年運(yùn)量作為參考，沒(méi)有考慮季節(jié)變化，不能保證設(shè)計(jì)方案合理。

2 天然氣管道發(fā)展趨勢(shì)

2.1 設(shè)施改造力度加大

在北方地區(qū)清潔取暖、冬季天然氣保供等工程與會(huì)議精神的影響下，中石化與中石油等主要油氣企業(yè)，加大了基礎(chǔ)設(shè)施改造力度，各企業(yè)所屬管道的獨(dú)立問(wèn)題逐漸得到解決，使得干線管道互聯(lián)互通成為了可能，應(yīng)急保供能力隨之提高，如西二線廣州末站、管網(wǎng)鰲頭分輸站的互聯(lián)。2018年，鄂--安--滄天然氣管道、蒙西煤制氣管道等設(shè)施互聯(lián)互通項(xiàng)目建設(shè)步伐加速，國(guó)內(nèi)天然氣串換與應(yīng)急調(diào)峰等能力隨之加強(qiáng)。

2.2 管道輸送能力加強(qiáng)

為提高管道輸送能力，提出了提升鋼級(jí)以及加大管徑、壓力等措施計(jì)劃，在政策等支持影響下，管道行業(yè)發(fā)展成就顯著。尤其是管道斷裂控制試驗(yàn)場(chǎng)的建設(shè)，展開(kāi)了管材X80與1422 mm管徑的直縫管爆破試驗(yàn)，為這一措施計(jì)劃落實(shí)提供了基礎(chǔ)保障。在俄羅斯與美國(guó)等國(guó)外發(fā)達(dá)管道設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)引導(dǎo)下，我國(guó)超大輸量管道技術(shù)研究步入正軌。

2.3 設(shè)備與控制系統(tǒng)自給自足

大型球閥、管道壓縮機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備，基本實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)。隨后20MW電驅(qū)與30 MW燃驅(qū)的國(guó)產(chǎn)化壓縮機(jī)組正式投入使用。關(guān)鍵閥門(mén)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)、流量計(jì)等管道設(shè)備基本實(shí)現(xiàn)自給自足。工業(yè)性試驗(yàn)56"Class900全焊接球閥、管道流量計(jì)已完成驗(yàn)收工作。呼和浩特--鄂爾多斯成品油管道建設(shè)中，首次使用了國(guó)產(chǎn)閥室PLC、RTU控制系統(tǒng)。國(guó)產(chǎn)設(shè)備與控制系統(tǒng)的研究成果，其轉(zhuǎn)化速度加快，推動(dòng)了我國(guó)天然氣管道工程與控制系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)的進(jìn)程。

2.4 智能化管道建設(shè)成為可能

在冀寧聯(lián)絡(luò)線項(xiàng)目中，數(shù)字化油氣管道建成后，信息技術(shù)整合力度加大，掀起了我國(guó)油氣管道建設(shè)信息化管理、機(jī)械化施工與數(shù)字化設(shè)計(jì)的新篇章。中俄東線當(dāng)作智能化管道建設(shè)試點(diǎn)，通過(guò)工程全生命周期管理，智能化運(yùn)營(yíng)與數(shù)字化移交，全面打開(kāi)我國(guó)長(zhǎng)輸智慧管網(wǎng)建設(shè)的新征程。

3 長(zhǎng)輸管網(wǎng)天然氣集輸管網(wǎng)優(yōu)化的有效途徑

3.1 管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)置布局優(yōu)化

3.1.1 天然氣田井組區(qū)域劃分優(yōu)化

通常情況下，多口氣井的組合和單口氣井的獨(dú)立聯(lián)接是氣田輸送技術(shù)系統(tǒng)的主要方式。通常按建設(shè)區(qū)的地理?xiàng)l件、物理?xiàng)l件、天然氣儲(chǔ)運(yùn)與開(kāi)發(fā)程度劃分。若油氣田氣井開(kāi)采的數(shù)量和規(guī)模較大，通常將氣井劃分為若干組。同一組資源，可采用同一采氣站，保證設(shè)備采氣方便、高效。以最優(yōu)條件為前提，對(duì)各氣井及類(lèi)似集輸站進(jìn)行井組區(qū)域劃分，確保成本最低，使集輸管道保持最優(yōu)流量、直徑和長(zhǎng)度。另外，相關(guān)設(shè)計(jì)人員還應(yīng)優(yōu)化主支管網(wǎng)布置，客觀分析管網(wǎng)流量，采用支管網(wǎng)連接形式，科學(xué)布置主支管網(wǎng)，合理連接，并借助集氣末站，將各集氣站納入統(tǒng)一的管網(wǎng)系統(tǒng)中，以最大限度地減少集氣管道的實(shí)際使用。

3.1.2 優(yōu)化站址

一般而言，壓氣站、集氣站和氣井是氣田地面集輸系統(tǒng)的重要組成部分。儲(chǔ)層工程設(shè)計(jì)中，往往要根據(jù)已探明的地層結(jié)構(gòu)確定氣井的位置。

收集站一般設(shè)在其管轄內(nèi)的一組生產(chǎn)井中。當(dāng)前，我國(guó)油氣田地面集輸管網(wǎng)系統(tǒng)主要采用二級(jí)及三級(jí)布點(diǎn)方式。對(duì)集氣站進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮到天然氣田的具體情況，以放射狀網(wǎng)式布置集氣站和氣井，再以樹(shù)狀網(wǎng)式結(jié)構(gòu)將各個(gè)集氣站組合成一個(gè)集氣網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

3.1.3 優(yōu)化干支管網(wǎng)布局

對(duì)于主支管網(wǎng)的連接布置，應(yīng)對(duì)氣井及其集氣站進(jìn)行合理的連接。以前的天然氣集輸管網(wǎng)設(shè)計(jì)中，長(zhǎng)輸管道天然氣集輸系統(tǒng)一般是采用分離式集氣終端，分離式分支網(wǎng)連接的方式建立。通過(guò)對(duì)集輸管網(wǎng)系統(tǒng)的分析、規(guī)劃和優(yōu)化，使總流量分配具有最小和最統(tǒng)一的目標(biāo)，并科學(xué)地調(diào)整系統(tǒng)，以保證主管和支管的正常運(yùn)行。對(duì)主管和支管管網(wǎng)布局的優(yōu)化應(yīng)考慮以下問(wèn)題：①利用管網(wǎng)聯(lián)接優(yōu)化主管網(wǎng)和支管網(wǎng)的布置，保證管網(wǎng)聯(lián)接及其位置的合理性;②在分支管網(wǎng)選擇集氣總站地質(zhì)條件，保證所有集氣站都能集中，盡量減少對(duì)集氣管道的消耗;③優(yōu)化集輸天然氣管網(wǎng)的主支網(wǎng)時(shí)，要根據(jù)管網(wǎng)模式確定;④為保證合理設(shè)置，可考慮在集輸管網(wǎng)中增設(shè)配電點(diǎn)，并結(jié)合相關(guān)理論設(shè)置接入點(diǎn)、支線和主干。

3.2 管網(wǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

管路設(shè)計(jì)是集輸管網(wǎng)總體設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。它的設(shè)計(jì)是否科學(xué)合理，直接關(guān)系到天然氣的后續(xù)運(yùn)輸，是安全可靠運(yùn)輸?shù)闹匾ＷC。對(duì)影響集輸管網(wǎng)建設(shè)和運(yùn)行的各種因素進(jìn)行綜合分析，并結(jié)合其特點(diǎn)，對(duì)長(zhǎng)輸管線的布置位置進(jìn)行圖形化設(shè)計(jì)。首先，要遵循管網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，根據(jù)長(zhǎng)輸管道的規(guī)格、管徑等影響因素，合理確定壓力、流量等參數(shù)，使最終的管網(wǎng)系統(tǒng)能滿(mǎn)足不同地區(qū)的用氣需求，降低工程造價(jià);同時(shí)，要保證集輸管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，還要根據(jù)客觀分析和科學(xué)的原則，解決管道輸送過(guò)程中可能出現(xiàn)的諸多問(wèn)題，設(shè)計(jì)出最符合管道輸送要求的參數(shù)，進(jìn)一步完善管理模式，確保天然氣集輸管網(wǎng)的正常運(yùn)行。另外，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)者還應(yīng)準(zhǔn)確掌握管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、布管方式、設(shè)計(jì)界限等具體要求，為管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供實(shí)用參考，確保各環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)工作科學(xué)合理，為集輸管網(wǎng)安全運(yùn)行奠定良好基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語(yǔ)

伴隨著我國(guó)氣象事業(yè)發(fā)展規(guī)模的不斷擴(kuò)大，集輸管道的數(shù)量和復(fù)雜度都在不斷增加。管道管道的安裝通常采用環(huán)管、支管和徑向管道。所以在管道安裝過(guò)程中存在著很多安全隱患，主要原因是管道穿越、管道連接造成的。因此，在管網(wǎng)安裝、運(yùn)行初期，必須考慮以上問(wèn)題，對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行有效優(yōu)化，才能保證其安全運(yùn)行，同時(shí)也為天然氣的生產(chǎn)、管理提供方便條件。

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