天然氣集輸管網優化設計研究

王飛

山東萊克工程設計有限公司 山東東營 257100

在經濟全球化的發展過程中，我國社會經濟的發展速度不斷加快，天然氣集輸管網的覆蓋面積也不斷擴大，管網的安裝呈現出放射狀、環繞狀等，受到內外工作條件的影響，管道容易出現各類安全隱患問題，特別是管道交叉、管道連接所產生的問題，因此，需要做好管網的優化工作，提高其安全性，實現天然氣的有效性生產及管理[1]。

1 簡述天然氣工藝技術

21世紀天然氣的重要性和必要性愈發凸顯，需要得到更多的重視和關注。客觀來看，天然氣存在于自然環境中，蘊藏在地下多孔隙巖層中，包括油田氣、氣田氣、煤層氣、泥火山氣和生物生成氣等，具有可燃性的特征。并且，天然氣兼具燃料和原料雙重屬性，相較于其它能源，具有獨特的優勢。具體來看，天然氣的有害含量少，可以實現環境保護和經濟效益的并舉。當前，天然氣的發展動力，來自于日常生活和工業用氣。統計數據顯示，在2019年，我國天然氣的生產總量提升，達到1777億m3，同比增長11.5%，相較去年提高3.8%。在此情況下，天然氣的改革持續向前，亟需提高處理工藝的水平，完善集輸及凈化的環境，切實保證天然氣的利用率，實現能源節約型和環境保護型社會建設。新時期，天然氣工藝技術迎來機遇和挑戰，亟需轉型升級和改革創新。自20世紀80年代后，天然氣受到環保和節能雙重驅動，摒棄破壞環境、浪費資源的工藝技術，不斷調整實施方法和應用手段，優化整體的工作流程和步驟。

2 長輸管道天然氣集輸管網設計概述

想要優化長輸管道天然氣集輸管網的設計，我們首先需要對它有一定的了解。天然氣集輸管網的建設難度較大，并且用時時間長，在建設過程之中受到很多因素的影響。因此在氣田開發地面工程建設過程中，就對施工企業提出了較高的要求，施工企業需要具備一定的專業知識與技能，建設一二級氣站，井口和一級集氣站之間的管網。在建設過程中，需要按照規范操作，選取質量過硬的原材料，技術人員只有做到科學地進行建設，才能夠確保各級集氣站合理布局。倘若由于技術因素影響到集氣站的布局狀況，就會給后續的運營過程帶來麻煩，增加企業的經濟支出，也不利于長輸管道天然氣集輸管網的運營。很多地區由于建筑企業的技術不過關，導致二次建設的狀況發生，極大地增加了企業的經濟支出。不僅如此，還給后續的施工帶來許多的麻煩[2]。因此我們需要優化設計長輸管道天然氣集輸管網的運營，盡可能的提高運營過程之中的安全性，減少給周圍工作人員以及居民帶來危險的可能性。在優化過程之中，設計人員應當實地考察當地的狀況，充分地了解當地的天氣情況以及土壤結構，堅持安全性、經濟性等原則。保障長輸管道處于穩定運行的狀態之中。設計人員應當考察當地各方面的資源，并且針對該地區的資源加以利用，促進集輸管網運行經濟性的提高。分析當地的氣候以及管道布局，在設計過程之中規避那些重要的管道，防止對其他管道造成破壞，設計人員針對管網進行全方位地評價。在施工人員施工過程中，也需要設計人員不定期到施工工地進行考察，了解各個環節的施工狀況，保障施工效果，能夠按照設計師的要求進行。

3 天然氣集輸管網的優化思路

3.1 拓撲結構的優化

在天然氣集輸管網項目操作中，需要實現不同拓撲結構的結合，都需要針對實際情況，進行拓撲結構的優化及整合，無論是星狀管網、樹狀管網還是其他形狀的管網，都需要進行組合應用。需要針對具體的工作狀況，采用相應的天然氣集輸結構優化方法，進行不同種集氣運輸結構的優化，從而降低集輸管網成本，實現高效性的調控。我國不同區域的地形差異較大，因此，需要結合工作區域狀況，有效發揮不同結構的優勢，要遵循揚長避短的集輸原則，發揮集輸管網系統的最大化經濟效益[4]。在操作過程中，環形管網的優化，需要實現集輸主線與各個分線的布局性優化，實現集輸干線與不同氣站間的有效性連接，這種環形結構可以實現管道內壓力的平衡，從而使壓力處于一個比較平穩的狀態，這種結構比較適應于井間串接。在樹狀管網優化過程中，需要遵循主干線連接其他支線結構的原則，以此更改優化輸管網建設方案，進行管線投資費用成本的降低，減少其前期投資費用，需要根據其結構特點，減少其支管分流不均勻的問題，保障其生產運輸的穩定性，使其多多適應于氣井分布為直線的狀況。在星型管網結構的優化過程中，需要優化不同集輸站電的布局，進行不同的單獨性布局，采取各種方法保障輸氣過程中的平穩性，使其保障穩定性的輸送量，滿足管網敷設工作的相關要求。

3.2 管網設計優化

在安裝之前需要設計人員科學地設計管網，了解到不同集輸管道直徑的最佳組合，結合自己的專業知識與技能以及以往的工作經驗，運用不同的理論對管道流量和壓力等參數進行計算，尋找到最節省資金、降低企業生產成本的設計方案。在計算天然氣集輸管網系統成本的過程中需要了解不同變量參數之間的關系，運用連續變量函數模型計算最優解[3]。將油氣田生產設備設施的布置以及企業的經濟投入進行對比，保障企業的資金都能夠得到合理地利用。最初進行集輸管網的設計時，一定要秉承著降低企業經濟成本，保障管道安全性的理念，提高整個系統的科學性，尋找到最優秀的建設方案。

3.3 布局優化與工藝參數優化

在工藝參數的優化過程中，需要深入分析管徑、壁厚、保溫層厚度等要素，就這些要素參數展開優化。集輸管網的優化需要遵循整體性優化及分級優化的原則。在整體優化的過程中，需要首先確定管網拓撲形式，然后進行工藝參數的優化，將壁厚參數、管徑參數等納入管網連接場景中。在整體優化過程中，需要遵循費用最省原則。在分級優化過程中，需首先進行管網拓撲結構的優化，進行最優化拓撲結構的選擇，進行現有管網的連接，從而優化管網工藝參數。在管網布局的生產過程中，若沒有相應確定的工藝參數，則無法進行相關投資費用的計算，因此，需要遵循距離最短的原則。在天然氣集輸管網的整體優化過程中，其設計模式更加先進及合理，區別于分級優化模式，整體優化的設計比較復雜，相對求解方式比較簡單。在星狀管網操作過程中，可以應用整體優化方法。在樹狀管網的設計過程中，由于其連接關系的復雜性，因此需要應用分級優化模式。在井組劃分及站址整體優化過程中，需要就樹狀管網連接路徑展開編碼，從而實現管道工藝參數與樹狀管網連接的優化，積極落實好分級優化原則，以管道建設費用最低為工作原則，以最省為優化目標，進行目標函數的建立，從而獲得經濟最優性的方案。在站址及井組劃分過程中，應積極應用遺傳算法原則，積極展開求解。其求解的過程比較復雜，為了避免陷入局部最優原則，需要就適度函數、選擇運算函數等展開計算，進行自適應概率調節原則的應用，實現天然氣集輸管網系統的有效性運作。在地形起伏區域的管道路徑優化過程中，需要利用專業性軟件進行管線起伏狀態的分析，就起伏程度較大的管道進行路徑優化，從而減少管道起伏程度，減少管道三維總長度。在管網結構參數的優化過程中，需要首先進行管網布局的確定，分析管道內流體的流速狀況，確定管材費用及防腐蝕費用，以此為目標函數，根據井口壓力狀況、體積流量狀況、經濟流速狀況，等進行管道強度的計算，在不同的壁厚、管徑、管材等組合中，應用不同的計算方案，得到最優工藝參數。在集氣站選址過程中，需要首先明確單井與集氣站的關系。在站址優化過程中，需要針對實際情況，降低管道長度，解決井組劃分問題、站址優化問題，落實好整體性的優化方案，遵循管道、集氣站建設費用最優化原則，進行目標函數的建立，就遺傳算法進行優化，應用自適應交叉變異概率調節機制。

4 結語

天然氣在我們的日常生活中起到了重要的作用，是整個城市甚至工業發展中必須運用到的原料以及燃料。只有保障運輸管道的安全性，才能夠順利地運輸天然氣。