长输管道天然气集输管网优化设计

李学军 天津中海油工程设计有限公司

长输管道天然气集输管网优化设计

李学军 天津中海油工程设计有限公司

针对天然气集输管网规划设计问题，从井组划分优化、集输场站选址布置优化、干支管网连接网格化设计优化等三个方面对其管网系统的规划进行优化，通过对各优化方案进行设计方案分析表明，本文提出的优化方案好于传统优化方法。在天然气集输管网布局优化的基础上，从集输管网设计优化、管网运行优化等方面对其系统整体优化设计进行补充分析。详细提出了设计优化、运行优化的数学函数优化模型，界定了优化约束条件，对管网优化方案思路进行了明确。

天然气；集输管网；规划；运行优化

油气集输工程是油气田地面工程的主体工程，包括天然气输送、转送必不可少的传输设施，以及油田生产天然气系统中的核心环节设备。集输管道的主要功能就是对油气田开采出的天然气和伴生物进行处理，包括分离、净化、输送、外销等。集输管网设备系统复杂、建造成本巨大，投入使用后运行和维护费用昂贵，并且由于天然气的易燃易爆特性，导致天然气集输管网系统不但建设运行成本高，而且存在的潜在风险隐患较大。因此，对集输管网系统进行优化设计和规划在经济效益、安全可靠方面都具有重要的实用意义。

随着天然气开发规模的扩大，集输管网越来越多、系统越来越复杂，管网主要采用放射状、枝状、环状等形式安装，管道之间交叉、连接存在许多问题和不协调之处，这些问题都需要在集输管网设计安装初期以及运行过程中进行充分考虑。不断地优化使集输管网不但运行成本最低、使用最安全，同时还可方便于油气田生产和管理。本文从最低成本、最大安全性、最快动作、最佳可靠性等要求出发对油气田天然气的集输管网系统的布局规划进行合理优化和设计。

1 管网系统设置布局优化

天然气集输管网布局是集输系统规划优化的最主要内容，天然气集输系统管网前期布局设计是优化集输系统规划设置的首要内容，在设计规划初期，按照要求对油气田井组、干支管道走线、集输场站选址等进行合理布局[1]，通过优化促使其既要满足气田生产开发工艺、现场条件、成本、外销供求情况等要求的条件，又要满足投资小、安全稳定性好的要求。

1.1 天然气田井组区域划分优化

天然气田集输系统根据天然气储存资源量、开发技术水平、现场地理地质条件等实际可分为单个气井独立连接管网输送和多个气井组合到一起进行集输等两种方式。对于油气田规模较大，同时开挖生产的气井数量较多的气田，为提高设备利用效率和开采的便捷，通常根据生产需要将现场所有气井划分成若干组，对同一井组的开采气资源用同一个集输站进行集输处理。井组区域划分优化就是确保每一个气井与其相连接的集输站处在最佳的隶属条件下，确保集输管道长度、直径、集输流量等处于最有利于降低成本的前提下。

本文在考虑气井与集气站之间的距离和气井集输产量的基础上对其进行优化，按照距离最短原则确定气井—井组—集气站的隶属关系，按照产量较大的气井组隶属6～10口井、产量较小的气井组隶属11～15口井，最多不能超过20口井。按照拓扑优化方式对天然气集输管网进行优化。井组划分的优化结构见图1。

图1井组划分优化布局

图1 中所示虚线为一种井组划分布局结构，实线为另一种井组划分布局结构，两种结构均为最优化井组划分。图1中J1、J2代表两个集气站，圆圈代表各个气井位置，其中1号、2号气井分布在两个集气站中间，且与集气站的距离大致相等，这就需要根据集气站的规模、输送天然气量、集气站隶属井组数量进行实际确定，确保每一个集气站的气井数量、集输天然气量均匀化。

1.2 集输场站选址规划优化

集输场站是气田天然气集输的储存和中转装置，因此在对气田集输管网系统进行优化时，首先要对集输场站进行合理选址，既要确保集输气站位址、数目符合井组的隶属，又要保证气井集输量、距离合理，节约成本。天然气田集气场站设置的数量会直接影响油田生产的成本，集输场站的位置布置又直接与集输管网管线连接和网管结构布局形式直接相关，天然气集输管网管道安装成本每公里高达数万元，而管道又是整个集输系统的最主要设施及成本比最大部分，因此，优化集气站选址，从而减少集输管线总长度显得十分重要。

一般情况下，天然气井的位置基本上在油藏设计和设备设施安装前都已经确定，主要是根据油气资源分布和开采难易程度等天然条件确定的；集气站的建设一般设置在同一组隶属气井位置分布的区域中间。我国油气田地面集输安装设计通常分为二级分布安装和三级分布安装两种类型。本文根据天然气田实际情况对其集输站布置设计规划进行优化，可以先对集中的气井和集气站按照辐射式网络状进行安装，然后再通过树枝状结构体系将各个集气站进行汇总连接到集气总站，形成井组—集气站—集气总站的优化规划布置系统，如图2所示。

图2 气田集输场站选址布局优化

图3 传统优化管网布置

图4 额外集散点改进法优化管网布置

图2 中大方框为气田区域，其中四个小方格为气田集气站及其隶属井组的分布区域，每一个集输站分布多个气井，它们按照星形网络连接构成二级气站布置；三集气站布置有实线和虚线两种方式，对应于辐射网络和树枝网络两种模式，图2中A、B为集气总站，其两种三级气站布置方式需根据气田实际区域面积、周边情况、气田其他设施分布进行选择，都属于集气场站选址布局优化方案。

1.3 干支管网布局优化

在气井与其所属集气站合理连接的基础上，进行干支管网布局连接。在传统的天然气集输管网设计布局时，一般是根据数学论和集合论中的图论分布知识进行分析，包括在集输管网系统中设置一个独立的集气总站或采用多交叉树枝网络状连接等两种。对天然气集输干支管网优化分析时，就是要以天然气输送管段总长最小、总流量分布最均匀为目标，以此为依据对集气站的管网连接干线、支线、分接等接入点进行科学调整，确保干支管道气体传输顺畅。对干支管网进行布局优化时需要考虑四个方面的内容：

（1）采用树枝状管网的连接方式优化干支管网，可以合理安排管网连接和布置。

（2）树枝状管网在中心集气站选址，这样可以确保各个集气场站能够全部连接集气总站，集气管线最短。

（3）根据树枝网络方式进行干支管网布局的确定。

（4）管网布局引入额外集散点，根据集散优化理论对干线、支线、接入点等进行合理设置。

依据上述内容，进行传统的干支管网优化，并按照传统的干支管网优化结果进一步优化，选择某一油气井田干支管网特征进行布置。图3为传统干支管网优化后的布置规划图，井组按照位置分布就近整合，实现最小距离优化，达到降低成本、减少管道长度的目的。图4是在传统优化管网布置的基础上进一步优化，增加额外集散点S1、S2、S3、S4，实现气井按照井组分布后，管线根据管径、流量实现交汇统一连接到集气站或集气总站，可以在减少管长的同时，实现天然气流量的优化布置，实现了更加优化、科学的管网布置规划方案。

2 管网设计优化

天然气技术管网的优化不仅要从其布局、选址、安装等规划上进行优化，还需要优化其管网设计。天然气集输管网安装建设前要对其进行科学设计，此过程中要着重处理集输管道管径的最佳组合问题，通过数学、物理理论对管道流量、压力等参数进行计算确定，通过最小解或最优解等方式获取集输系统造价成本最低的优化设计[2]。

天然气集输系统建设安装投入成本总额F可以通过建立函数模型转化成与管壁厚度m、管径D、管道长L的函数式计算，集输管网的总投资函数如下

其中，计算天然气集输管网系统成本最低的边界约束有系统稳定性约束、管道强度约束、管道内部气压约束和函数模型体现的设计变量约束等。

对天然气集输管网初期的设计进行优化主要是按照上述函数模型进行。这种模型主要以约束条件确定变量的优化结果，包含的变量参数均为离散型分布，这就可以解决通常采用的连续变量函数模型计算最优解近似忽略的问题；这种方法计算结果准确，与油气田生产设备设施布置和投资成本实际比较接近。集输管网初期阶段的设计优化就是在一定的目标条件下，以一定的约束条件得出函数模型最佳数值解的过程，充分考虑各参数之间的数学函数关系，一方面提高了系统整体结果的收敛特性，另一方面解决了设计变量符合优化条件的极值问题，据此得到问题的最优解，获得天然气集输管网设计参数的整体协调、耦合、适应性最优解。

3 管网运行优化

天然气集输管网运行优化是指管网建设完成投入使用后，就需要对其投入使用后的运行状况进行优化，以合理的运行参数设置和管理模式，确保天然气集输管网使用时整体处在最稳定良好的状态。分析天然气集输管网运行过程最优化的内容，就是根据管道结构、分布方式、压缩机特征、边界条件、设计极限要求等设定部分限制条件，以此达到运行时最顺畅、成本最低的目的。运行优化模型可以归纳成如下函数公式

式中pi为集输系统第i条输气管道上所有的压缩机总数；u1i为压缩机的停止或使用状态，停止或运行用0或1代替；uej为输气管道上第j台压缩机使用时的效率；qij为输气管道上第j台压缩机运行时产生的操作压力。

建立天然气集输管网投入使用后的运行优化函数模型，首先要界定其为线性模型还是离散模型[3]，这将直接影响到优化结果。本文由于选择的变量为数量、压力、状态等离散参数，因此运行优化函数关系属于离散模型。天然气集输管网优化要充分考虑油气田天然气产量、输出量、市场需求量、集输站运转处理规模、集输管道气体压力等因素，在确保安全稳定的条件下，以最大输出、最低成本为目标对其运行进行优化[4]。

4 结论

（1）针对天然气集输管网规划设计问题，从井组划分优化、集输场站选址布置优化、干支管网连接网格化设计优化等三个方面对其管网系统的规划进行优化，通过对各优化方案进行设计方案分析表明，本文提出的优化方案好于传统优化方法。

（2）在天然气集输管网布局优化的基础上，从集输管网设计优化、管网运行优化等方面对其系统整体优化设计进行补充分析。详细提出了设计优化、运行优化的数学函数优化模型，界定了优化约束条件，对管网优化方案思路进行了明确。

[1]陈进殿，汪玉春，黄泽俊．天然气管网系统最优化研究[J]．油气储运，2006，25（2）：6-15．

[2]何川，孟庆华，李渡．川西天然气集输管网系统最优规划研究[J]．天然气工业，2011，26（7）：107-111．

[3]张亚飞，杨强，陈庚．寒冷地区高含CO2气田集输工艺设计[J]．油气田地面工程，2011，30（9）：25-27.

[4]李奕霖，吴涛．某稠油区块集输系统的方案设计[J]．油气田地面工程，2014，33（10）：66-67.

（022）66913881、243170376@qq.com

（栏目主持张秀丽）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.4.012

李学军：工程学士，天津中海油工程设计有限公司总经理，研究方向为工程设计。