天然氣集輸管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

王飛

山東萊克工程設(shè)計(jì)有限公司 山東東營 257100

在經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展過程中，我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展速度不斷加快，天然氣集輸管網(wǎng)的覆蓋面積也不斷擴(kuò)大，管網(wǎng)的安裝呈現(xiàn)出放射狀、環(huán)繞狀等，受到內(nèi)外工作條件的影響，管道容易出現(xiàn)各類安全隱患問題，特別是管道交叉、管道連接所產(chǎn)生的問題，因此，需要做好管網(wǎng)的優(yōu)化工作，提高其安全性，實(shí)現(xiàn)天然氣的有效性生產(chǎn)及管理[1]。

1 簡述天然氣工藝技術(shù)

21世紀(jì)天然氣的重要性和必要性愈發(fā)凸顯，需要得到更多的重視和關(guān)注?？陀^來看，天然氣存在于自然環(huán)境中，蘊(yùn)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(dú)特的優(yōu)勢。具體來看，天然氣的有害含量少，可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)效益的并舉。當(dāng)前，天然氣的發(fā)展動(dòng)力，來自于日常生活和工業(yè)用氣。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在2019年，我國天然氣的生產(chǎn)總量提升，達(dá)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(xù)向前，亟需提高處理工藝的水平，完善集輸及凈化的環(huán)境，切實(shí)保證天然氣的利用率，實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約型和環(huán)境保護(hù)型社會(huì)建設(shè)。新時(shí)期，天然氣工藝技術(shù)迎來機(jī)遇和挑戰(zhàn)，亟需轉(zhuǎn)型升級(jí)和改革創(chuàng)新。自20世紀(jì)80年代后，天然氣受到環(huán)保和節(jié)能雙重驅(qū)動(dòng)，摒棄破壞環(huán)境、浪費(fèi)資源的工藝技術(shù)，不斷調(diào)整實(shí)施方法和應(yīng)用手段，優(yōu)化整體的工作流程和步驟。

2 長輸管道天然氣集輸管網(wǎng)設(shè)計(jì)概述

想要優(yōu)化長輸管道天然氣集輸管網(wǎng)的設(shè)計(jì)，我們首先需要對(duì)它有一定的了解。天然氣集輸管網(wǎng)的建設(shè)難度較大，并且用時(shí)時(shí)間長，在建設(shè)過程之中受到很多因素的影響。因此在氣田開發(fā)地面工程建設(shè)過程中，就對(duì)施工企業(yè)提出了較高的要求，施工企業(yè)需要具備一定的專業(yè)知識(shí)與技能，建設(shè)一二級(jí)氣站，井口和一級(jí)集氣站之間的管網(wǎng)。在建設(shè)過程中，需要按照規(guī)范操作，選取質(zhì)量過硬的原材料，技術(shù)人員只有做到科學(xué)地進(jìn)行建設(shè)，才能夠確保各級(jí)集氣站合理布局。倘若由于技術(shù)因素影響到集氣站的布局狀況，就會(huì)給后續(xù)的運(yùn)營過程帶來麻煩，增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)支出，也不利于長輸管道天然氣集輸管網(wǎng)的運(yùn)營。很多地區(qū)由于建筑企業(yè)的技術(shù)不過關(guān)，導(dǎo)致二次建設(shè)的狀況發(fā)生，極大地增加了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)支出。不僅如此，還給后續(xù)的施工帶來許多的麻煩[2]。因此我們需要優(yōu)化設(shè)計(jì)長輸管道天然氣集輸管網(wǎng)的運(yùn)營，盡可能的提高運(yùn)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(xiǎn)的可能性。在優(yōu)化過程之中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)實(shí)地考察當(dāng)?shù)氐臓顩r，充分地了解當(dāng)?shù)氐奶鞖馇闆r以及土壤結(jié)構(gòu)，堅(jiān)持安全性、經(jīng)濟(jì)性等原則。保障長輸管道處于穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)之中。設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)考察當(dāng)?shù)馗鞣矫娴馁Y源，并且針對(duì)該地區(qū)的資源加以利用，促進(jìn)集輸管網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的提高。分析當(dāng)?shù)氐臍夂蛞约肮艿啦季?，在設(shè)計(jì)過程之中規(guī)避那些重要的管道，防止對(duì)其他管道造成破壞，設(shè)計(jì)人員針對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行全方位地評(píng)價(jià)。在施工人員施工過程中，也需要設(shè)計(jì)人員不定期到施工工地進(jìn)行考察，了解各個(gè)環(huán)節(jié)的施工狀況，保障施工效果，能夠按照設(shè)計(jì)師的要求進(jìn)行。

3 天然氣集輸管網(wǎng)的優(yōu)化思路

3.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化

在天然氣集輸管網(wǎng)項(xiàng)目操作中，需要實(shí)現(xiàn)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的結(jié)合，都需要針對(duì)實(shí)際情況，進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化及整合，無論是星狀管網(wǎng)、樹狀管網(wǎng)還是其他形狀的管網(wǎng)，都需要進(jìn)行組合應(yīng)用。需要針對(duì)具體的工作狀況，采用相應(yīng)的天然氣集輸結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，進(jìn)行不同種集氣運(yùn)輸結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，從而降低集輸管網(wǎng)成本，實(shí)現(xiàn)高效性的調(diào)控。我國不同區(qū)域的地形差異較大，因此，需要結(jié)合工作區(qū)域狀況，有效發(fā)揮不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，要遵循揚(yáng)長避短的集輸原則，發(fā)揮集輸管網(wǎng)系統(tǒng)的最大化經(jīng)濟(jì)效益[4]。在操作過程中，環(huán)形管網(wǎng)的優(yōu)化，需要實(shí)現(xiàn)集輸主線與各個(gè)分線的布局性優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)集輸干線與不同氣站間的有效性連接，這種環(huán)形結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)壓力的平衡，從而使壓力處于一個(gè)比較平穩(wěn)的狀態(tài)，這種結(jié)構(gòu)比較適應(yīng)于井間串接。在樹狀管網(wǎng)優(yōu)化過程中，需要遵循主干線連接其他支線結(jié)構(gòu)的原則，以此更改優(yōu)化輸管網(wǎng)建設(shè)方案，進(jìn)行管線投資費(fèi)用成本的降低，減少其前期投資費(fèi)用，需要根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，減少其支管分流不均勻的問題，保障其生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)姆€(wěn)定性，使其多多適應(yīng)于氣井分布為直線的狀況。在星型管網(wǎng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化過程中，需要優(yōu)化不同集輸站電的布局，進(jìn)行不同的單獨(dú)性布局，采取各種方法保障輸氣過程中的平穩(wěn)性，使其保障穩(wěn)定性的輸送量，滿足管網(wǎng)敷設(shè)工作的相關(guān)要求。

3.2 管網(wǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

在安裝之前需要設(shè)計(jì)人員科學(xué)地設(shè)計(jì)管網(wǎng)，了解到不同集輸管道直徑的最佳組合，結(jié)合自己的專業(yè)知識(shí)與技能以及以往的工作經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用不同的理論對(duì)管道流量和壓力等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，尋找到最節(jié)省資金、降低企業(yè)生產(chǎn)成本的設(shè)計(jì)方案。在計(jì)算天然氣集輸管網(wǎng)系統(tǒng)成本的過程中需要了解不同變量參數(shù)之間的關(guān)系，運(yùn)用連續(xù)變量函數(shù)模型計(jì)算最優(yōu)解[3]。將油氣田生產(chǎn)設(shè)備設(shè)施的布置以及企業(yè)的經(jīng)濟(jì)投入進(jìn)行對(duì)比，保障企業(yè)的資金都能夠得到合理地利用。最初進(jìn)行集輸管網(wǎng)的設(shè)計(jì)時(shí)，一定要秉承著降低企業(yè)經(jīng)濟(jì)成本，保障管道安全性的理念，提高整個(gè)系統(tǒng)的科學(xué)性，尋找到最優(yōu)秀的建設(shè)方案。

3.3 布局優(yōu)化與工藝參數(shù)優(yōu)化

在工藝參數(shù)的優(yōu)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(shù)展開優(yōu)化。集輸管網(wǎng)的優(yōu)化需要遵循整體性優(yōu)化及分級(jí)優(yōu)化的原則。在整體優(yōu)化的過程中，需要首先確定管網(wǎng)拓?fù)湫问剑缓筮M(jìn)行工藝參數(shù)的優(yōu)化，將壁厚參數(shù)、管徑參數(shù)等納入管網(wǎng)連接場景中。在整體優(yōu)化過程中，需要遵循費(fèi)用最省原則。在分級(jí)優(yōu)化過程中，需首先進(jìn)行管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化，進(jìn)行最優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇，進(jìn)行現(xiàn)有管網(wǎng)的連接，從而優(yōu)化管網(wǎng)工藝參數(shù)。在管網(wǎng)布局的生產(chǎn)過程中，若沒有相應(yīng)確定的工藝參數(shù)，則無法進(jìn)行相關(guān)投資費(fèi)用的計(jì)算，因此，需要遵循距離最短的原則。在天然氣集輸管網(wǎng)的整體優(yōu)化過程中，其設(shè)計(jì)模式更加先進(jìn)及合理，區(qū)別于分級(jí)優(yōu)化模式，整體優(yōu)化的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，相對(duì)求解方式比較簡單。在星狀管網(wǎng)操作過程中，可以應(yīng)用整體優(yōu)化方法。在樹狀管網(wǎng)的設(shè)計(jì)過程中，由于其連接關(guān)系的復(fù)雜性，因此需要應(yīng)用分級(jí)優(yōu)化模式。在井組劃分及站址整體優(yōu)化過程中，需要就樹狀管網(wǎng)連接路徑展開編碼，從而實(shí)現(xiàn)管道工藝參數(shù)與樹狀管網(wǎng)連接的優(yōu)化，積極落實(shí)好分級(jí)優(yōu)化原則，以管道建設(shè)費(fèi)用最低為工作原則，以最省為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)的建立，從而獲得經(jīng)濟(jì)最優(yōu)性的方案。在站址及井組劃分過程中，應(yīng)積極應(yīng)用遺傳算法原則，積極展開求解。其求解的過程比較復(fù)雜，為了避免陷入局部最優(yōu)原則，需要就適度函數(shù)、選擇運(yùn)算函數(shù)等展開計(jì)算，進(jìn)行自適應(yīng)概率調(diào)節(jié)原則的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)天然氣集輸管網(wǎng)系統(tǒng)的有效性運(yùn)作。在地形起伏區(qū)域的管道路徑優(yōu)化過程中，需要利用專業(yè)性軟件進(jìn)行管線起伏狀態(tài)的分析，就起伏程度較大的管道進(jìn)行路徑優(yōu)化，從而減少管道起伏程度，減少管道三維總長度。在管網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化過程中，需要首先進(jìn)行管網(wǎng)布局的確定，分析管道內(nèi)流體的流速狀況，確定管材費(fèi)用及防腐蝕費(fèi)用，以此為目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)井口壓力狀況、體積流量狀況、經(jīng)濟(jì)流速狀況，等進(jìn)行管道強(qiáng)度的計(jì)算，在不同的壁厚、管徑、管材等組合中，應(yīng)用不同的計(jì)算方案，得到最優(yōu)工藝參數(shù)。在集氣站選址過程中，需要首先明確單井與集氣站的關(guān)系。在站址優(yōu)化過程中，需要針對(duì)實(shí)際情況，降低管道長度，解決井組劃分問題、站址優(yōu)化問題，落實(shí)好整體性的優(yōu)化方案，遵循管道、集氣站建設(shè)費(fèi)用最優(yōu)化原則，進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)的建立，就遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化，應(yīng)用自適應(yīng)交叉變異概率調(diào)節(jié)機(jī)制。

4 結(jié)語

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