长输管道天然气集输管网优化设计.pdf

第 3 4 卷第 4 期 2 0 1 5 ． 0 4 集输处理 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 摘要 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 。 关键词天然气 ； 集输管网；规划；运行优化 d o i l O ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 6 - 6 8 9 6 ． 2 0 1 5 ． 4 ． 0 1 2 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n ，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 确定气井一井组一集气站的隶属关系 ，按照产量较 大 的气井组隶属 6 1 0口井 、产量较小的气井组隶 属 1 1 1 5口井 ，最多不能超过 2 O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 。 气井 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 一 2 4 一 油气田地面工程 h t t p ／ ／ v m w W． y q t d mg c ． c o rn 第 3 4 卷第 4 期 2 0 1 5 ． 0 4 集输处理 化井组划分 。图 l 中J 1 、J 2 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 ，形成井组一集气站 一 集气总站的优化规划布置系统 ，如图2 所示 。 曼 二 二 - ． B 气井 分布 图 2 气 田集输场站选址布局优化 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 、 分接等接人点进行科学调整，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、接人点等进行合理设置。 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～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S 1 、S 2 、S 3 、S 4 ， 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 油气田地面工程 h t t p ／ ／ 、 ． y q t d m g c ．c 。 m 一2 5 第3 4 卷第2 期 2 0 1 5 ．0 2 集输处理 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 。 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 的函数式计算 ，集输管网的总投资 函数如下 F F f D ， m ， I l 1 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 F ∑F ∑f p ， ， q 1 l 1 式中P 为集输系统第 i 条输气管道上所有的压 缩机总数 ；U 为压缩机的停止或使用状态，停止 或运行用O 或 1 代替；U 为输气管道上第 ． 台压缩 机使用时的效率；q 为输气管道上第 ． 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 ， 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 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。 参考文献 [ 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，2 0 0 6 ，2 5 2 6 - 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