魚東溟，馬 躍

（1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2.延安大學(xué)石油學(xué)院，陜西 延安 716000）

隨著國(guó)民環(huán)保意識(shí)不斷增強(qiáng)，傳統(tǒng)化石能源被大眾慢慢冷落。人們對(duì)天然氣的需求量日益增加，伴隨這樣的大趨勢(shì)，保障天然氣輸送安全的管網(wǎng)技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。集輸官網(wǎng)建設(shè)費(fèi)用高昂，因此為了實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)優(yōu)化，只能優(yōu)化站點(diǎn)布局、優(yōu)選管徑和壁厚、優(yōu)化站內(nèi)集輸工藝[1-2]。

1 天然氣管網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)

1）長(zhǎng)距離管道輸送[3]。長(zhǎng)距離管道輸送技術(shù)是因?yàn)樘烊粴庠a(chǎn)地和天然氣用戶群居住地之間的矛盾而產(chǎn)生的技術(shù)。正是西北荒漠的天然氣無(wú)法高效的輸送到對(duì)燃?xì)庑枨罅枯^大的江浙滬地區(qū)，長(zhǎng)距離輸送高效地解決了這個(gè)問(wèn)題。例如西氣東輸管道就是長(zhǎng)距離輸送管線的代表。長(zhǎng)距離是送管線是集輸?shù)闹饕\(yùn)行方式。

2）大管徑管道輸送。根據(jù)經(jīng)濟(jì)性原理，大管徑管道輸送相較于多條管線在建設(shè)費(fèi)用和管理費(fèi)用都大大減少。因此在管道設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)多進(jìn)行經(jīng)濟(jì)型評(píng)價(jià)。通過(guò)多個(gè)案例得到大管徑管道輸送往往比小管徑管道經(jīng)濟(jì)性更好。

3）集輸管網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。集輸官網(wǎng)結(jié)構(gòu)上的優(yōu)劣往往代表著，該國(guó)家或地區(qū)集輸技術(shù)的強(qiáng)弱。天然氣是一種全球性的能源，在全球范圍內(nèi)都有很大的市場(chǎng)。只有科學(xué)的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)才可以保障我國(guó)天然氣消費(fèi)市場(chǎng)與國(guó)際對(duì)接。

4）新型材料的管網(wǎng)應(yīng)用。采用更高強(qiáng)度的合金進(jìn)行管網(wǎng)敷設(shè)可以大大減少壁厚，從而減少集輸管網(wǎng)用鋼量，降低成本。比如X70 管道鋼材的應(yīng)用，相交上一級(jí)剛才投資費(fèi)用降低7%。因此高強(qiáng)度鋼材的研發(fā)水平是官網(wǎng)集輸?shù)囊粋€(gè)重要因素。

5）自動(dòng)化管理。隨著我國(guó)不斷發(fā)展，天然氣管線總長(zhǎng)也不斷增加。如此巨大的管網(wǎng)數(shù)量，人工管理的方式對(duì)管線的安全性也提出了較大的挑戰(zhàn)。因此較為合理的應(yīng)用計(jì)算機(jī)和SCADA 系統(tǒng)，進(jìn)行大數(shù)據(jù)檢測(cè)，可以有效降低管線風(fēng)險(xiǎn)，保障管線安全。

2 天然氣管網(wǎng)優(yōu)化原則

1）運(yùn)行安全性原則。因?yàn)樘烊粴獾奈ｋU(xiǎn)性，集輸官網(wǎng)的安全性要求較高。在管網(wǎng)運(yùn)行工作時(shí)，必須嚴(yán)格遵守管網(wǎng)安全性原則。具體到管線上主要是管道的溫度、壓力、管材強(qiáng)度等工藝參數(shù)。所有參數(shù)都應(yīng)在安全范圍內(nèi)，才能保障管線的安全運(yùn)行[4]。

2）經(jīng)濟(jì)性原則。在管網(wǎng)建設(shè)時(shí)，成本是管網(wǎng)敷設(shè)最重要的參數(shù)。費(fèi)用主要包括前期建設(shè)的建設(shè)費(fèi)用和后期管理的維護(hù)費(fèi)用。經(jīng)濟(jì)性原則的目的是將錢較為高效的花費(fèi)在管線建設(shè)上，盡量減少資金浪費(fèi)。

3 天然氣管網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

天然氣集輸結(jié)構(gòu)優(yōu)化是最經(jīng)濟(jì)的方法，好的結(jié)構(gòu)不僅能降低成本還能實(shí)現(xiàn)更加高效的調(diào)控。常見集輸官網(wǎng)結(jié)構(gòu)有環(huán)形管網(wǎng)、樹狀管網(wǎng)、星型管網(wǎng)。但是由于全國(guó)各地地形差異較大，只有結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，高效發(fā)揮各結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)揚(yáng)長(zhǎng)避短。集輸系統(tǒng)才能創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益[5-6]。

1）環(huán)形管網(wǎng)優(yōu)化

該結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是集輸主線與各個(gè)分線在環(huán)內(nèi)或環(huán)外與氣井或下級(jí)氣站之間的連接。利用環(huán)形結(jié)構(gòu)將管道內(nèi)的壓力平衡。從而壓力處于一個(gè)平穩(wěn)的狀態(tài)。該結(jié)構(gòu)主要適用于井間串接，鄰井區(qū)支線連接。

2）樹狀管網(wǎng)優(yōu)化

樹狀管網(wǎng)是一條主干線連接多個(gè)支線的結(jié)構(gòu)。好像一棵大樹的枝干連接各個(gè)枝干。樹狀集輸管網(wǎng)建設(shè)在管線投資費(fèi)。因此該結(jié)構(gòu)在前期投資費(fèi)用會(huì)大大減少，但因其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，會(huì)導(dǎo)致支管分流不均勻，生產(chǎn)不夠平穩(wěn)。該結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用在氣井分布為直線的情況。

3）星型管網(wǎng)結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用在各集輸站以某一戰(zhàn)場(chǎng)為中心的布局上。星狀結(jié)構(gòu)管網(wǎng)既可以形成單獨(dú)的布局，相互不干擾。也可以輸氣運(yùn)行平穩(wěn)，保持輸送量。該結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用在處理廠的管網(wǎng)敷設(shè)中。

4 氣田管網(wǎng)集輸優(yōu)化

氣田優(yōu)化主要是對(duì)井組和氣田選址的優(yōu)化。針對(duì)井組應(yīng)考慮每一口井的地理位置、產(chǎn)氣量等因素。因?yàn)楦鱾€(gè)氣井的天然氣通過(guò)集氣站進(jìn)行匯集外輸。而氣井的數(shù)量與產(chǎn)量等都與地理環(huán)境、和井位布置有關(guān)。盡量保證集輸管網(wǎng)匯集各井天然氣后能高效運(yùn)行。氣田選址的優(yōu)化主要是避免多余氣井的出現(xiàn)。不經(jīng)會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失也會(huì)對(duì)管網(wǎng)運(yùn)行造成更高的負(fù)擔(dān)[7]。

5 優(yōu)化模型求解算法

隨著科技的發(fā)展，模型求解方面出現(xiàn)了大量的優(yōu)秀算法和技術(shù)。構(gòu)建高質(zhì)量的集輸管網(wǎng)求解模型，可以有效改善管網(wǎng)管理模式，提高管理效率。主要是應(yīng)用算法針對(duì)集輸管網(wǎng)模型進(jìn)行參數(shù)求解，從而改善全局的管理水平。還有很多優(yōu)秀的算法[8]，如：蟻群算法、狼群算法、粒子群算法等。下面簡(jiǎn)要介紹蟻群算法和離子群算法：

1）相較于其他傳統(tǒng)算法，蟻群算法在參數(shù)求解方面能力出眾，并且擁有較高的最優(yōu)解搜索能力。蟻群算法的本質(zhì)是一種群落優(yōu)化算法?？梢赃M(jìn)行并行搜說(shuō)。蟻群算法也可以與其他算法相結(jié)合，改善自身性能。但是該算法的局限性主要體現(xiàn)在：①如果你的參數(shù)設(shè)置不合理，會(huì)大大降低求解速率并且最優(yōu)解質(zhì)量較低。②由于蟻群算法的運(yùn)算量過(guò)大，因此耗費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)。因?yàn)橄伻核惴ㄔ诶碚撝幸笏械膮?shù)都從最優(yōu)路徑通過(guò)，因此時(shí)間被大大增長(zhǎng)。③針對(duì)實(shí)際情況，在有限的循環(huán)次數(shù)下很難得出最為合理的最優(yōu)值。

2）粒子群算法的優(yōu)勢(shì)是最優(yōu)解得出時(shí)長(zhǎng)較短，因此可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。該算法本質(zhì)是通過(guò)調(diào)整自身已有值指導(dǎo)下一步數(shù)值迭代。但是粒子群算法會(huì)產(chǎn)生提前收斂現(xiàn)象。局部收斂性差。主要是因?yàn)榱Ｗ尤核惴ㄖ械膮?shù)多樣性較少。這主要是一種全局優(yōu)化和局部?jī)?yōu)化的矛盾。

各個(gè)算法都有自己的優(yōu)點(diǎn)和局限性，在模型優(yōu)化時(shí)應(yīng)當(dāng)結(jié)合模型自身特點(diǎn)先進(jìn)行算法優(yōu)選。然后對(duì)模型進(jìn)行求解，再次驗(yàn)證之后得到最優(yōu)解。在得到最優(yōu)解后應(yīng)再次檢驗(yàn)，驗(yàn)證模型是否正確，參數(shù)是否合理。一個(gè)優(yōu)秀的模型及其配套算法都應(yīng)進(jìn)行多次調(diào)試，盡可能保證模型與實(shí)際情況的一致性，以及參數(shù)產(chǎn)生結(jié)果的再現(xiàn)性。

6 結(jié)語(yǔ)

本文主要簡(jiǎn)述了集輸管網(wǎng)的發(fā)展歷史和在管網(wǎng)優(yōu)化時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮的幾個(gè)主要方面。通過(guò)研究集輸管網(wǎng)優(yōu)化原則。針對(duì)當(dāng)前集輸系統(tǒng)較為常用的幾種結(jié)構(gòu)做了詳細(xì)的描述。在氣站管道優(yōu)化方面提出建議。并針對(duì)計(jì)算機(jī)求解集輸管網(wǎng)模型做了進(jìn)一步的了解。意旨在集輸管網(wǎng)優(yōu)化方面進(jìn)行總結(jié)與歸納，為日后的管網(wǎng)工作人員提供了技術(shù)基礎(chǔ)。