摘要：天然氣是一種優(yōu)質(zhì)的清潔資源，可作為優(yōu)質(zhì)原料和燃料提供給工業(yè)和城市使用，但是需要天然氣集輸管網(wǎng)才能輸送。天然氣管網(wǎng)建設(shè)成本大，而且運(yùn)行費(fèi)用高，因此需要合理的規(guī)劃。本文對(duì)對(duì)新建管網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃從最優(yōu)化和多目標(biāo)進(jìn)行了分析法進(jìn)行了研究，使管網(wǎng)系統(tǒng)的投資和營(yíng)運(yùn)費(fèi)用最省，風(fēng)險(xiǎn)最小。

關(guān)鍵詞：天然氣管網(wǎng)；優(yōu)化；費(fèi)用；多目標(biāo)

1 天然氣集輸管網(wǎng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

天然氣集輸工程是由“井一管一站”組合成的管網(wǎng)系統(tǒng)，它是天然氣工業(yè)的重要組成部分，是氣田地面工程中的主體工程，其投資占整個(gè)氣田地面工程的60％－70％以上，占整個(gè)氣田工程的40％左右。因此，進(jìn)行輸氣管網(wǎng)的優(yōu)化對(duì)降低整個(gè)集輸系統(tǒng)的造價(jià)具有十分重要的意義。

我國(guó)大部分的天然氣集輸管網(wǎng)系統(tǒng)是不斷發(fā)展形成的，不可避免地出現(xiàn)布局不合理，難以滿(mǎn)足不斷發(fā)展的天然氣工業(yè)生產(chǎn)的要求。因此，對(duì)于新建管網(wǎng)系統(tǒng)需要進(jìn)行最優(yōu)規(guī)劃，在滿(mǎn)足天然氣生產(chǎn)的條件下，使管網(wǎng)系統(tǒng)的投資和營(yíng)運(yùn)費(fèi)用最省。在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)追求企業(yè)效益最大化的條件下，管線(xiàn)平面布置應(yīng)該尋求能夠滿(mǎn)足生產(chǎn)需求的最順暢短捷的樹(shù)枝狀徑路，以實(shí)現(xiàn)建設(shè)投資上的節(jié)省，即費(fèi)用最優(yōu)目標(biāo)；與此同時(shí)，考慮到確保生產(chǎn)連續(xù)以及企業(yè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的安全可靠，即效用最優(yōu)目標(biāo)。

2 管網(wǎng)系統(tǒng)最優(yōu)化研究

2.1 利用最優(yōu)化理論規(guī)劃管網(wǎng)

天然氣集輸管網(wǎng)系統(tǒng)主要由氣井、處理站和管線(xiàn)兩部分組成，可用一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來(lái)描述，所涉及的氣井、接轉(zhuǎn)站、集中處理站都是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，所有可能鋪設(shè)的管道構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。集中處理站的位置、數(shù)量和輸氣管網(wǎng)的布置是影響天然氣集輸系統(tǒng)投資費(fèi)用的最主要因素。因此，需對(duì)整個(gè)集輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化分析天然氣集輸管網(wǎng)優(yōu)化，主要是針對(duì)集中處理站選址和輸氣管網(wǎng)布局的優(yōu)化，以合理鋪設(shè)管道、合理分配管網(wǎng)流量，減少管道的總投資。

(1)集中處理站的優(yōu)化選址

集中處理站的位置選擇屬于網(wǎng)絡(luò)理論中連通圖的選址問(wèn)題，可在給定的固定點(diǎn)中選擇一點(diǎn)，使該點(diǎn)在所有固定點(diǎn)中到其它各點(diǎn)的線(xiàn)路總和最短，作為候選地址，即在給定的氣井中選擇一口氣井，在其附近設(shè)置集中處理站，使得氣井總運(yùn)輸距離最短，輸氣管道總投資最少，運(yùn)行費(fèi)用最低。集中處理站的選址要考慮各氣井的位置及產(chǎn)量，它決定著天然氣集輸管網(wǎng)的布局，進(jìn)而影響到投資及未來(lái)的運(yùn)行費(fèi)用。首先，處理站應(yīng)在到各氣井的距離最短的一個(gè)氣井附近，即處于各氣井的中心地帶，這就是管網(wǎng)系統(tǒng)的中心問(wèn)題；其次應(yīng)考慮各氣井的產(chǎn)量及管網(wǎng)中流量的分配，避免某些管段流量太集中，以至管徑過(guò)大增加費(fèi)用，這就是管網(wǎng)系統(tǒng)中的加權(quán)中心問(wèn)題。

目前集中處理站的選址方法有很多，特別是近幾年計(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)展，為各種選址方法的實(shí)現(xiàn)提供了強(qiáng)有力的工具。定性的選址方法主要有德?tīng)柗品治龇?、?yōu)缺點(diǎn)比較法，而定量的選址方法則越來(lái)越多，常用的有重心選址法、線(xiàn)性規(guī)劃選址法、圖上作業(yè)選址法、模擬選址法、運(yùn)輸規(guī)劃選址法、逐次逼近選址法等，每一種方法都有其側(cè)重點(diǎn)。集中處理站的選址是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題，往往需要聯(lián)合幾種方法才能達(dá)到預(yù)期的目的。

(2)天然氣管網(wǎng)集輸布局優(yōu)化

天然氣集輸管網(wǎng)布局優(yōu)化主要技術(shù)路線(xiàn)：運(yùn)用系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)理論，構(gòu)造由各個(gè)作業(yè)單位以及它們之間可行的管線(xiàn)布置徑路組成的加權(quán)簡(jiǎn)單圖網(wǎng)絡(luò)模型；應(yīng)用圖論中求解最小連接問(wèn)題的理論與方法，尋求加權(quán)簡(jiǎn)單圖的最小樹(shù)作為管線(xiàn)平面布置方案的基本構(gòu)架；在模糊聚類(lèi)分析的基礎(chǔ)上確定各作業(yè)單位相對(duì)重要度等級(jí)關(guān)系，并據(jù)此對(duì)基本構(gòu)架進(jìn)行調(diào)整與改進(jìn)，得到優(yōu)化的管線(xiàn)平面布置方案。

通過(guò)綜合的氣井一管道一集氣站系統(tǒng)的優(yōu)化方法，不僅對(duì)節(jié)約建設(shè)投資費(fèi)用和集輸運(yùn)行費(fèi)用，還方便運(yùn)行管理。這種方法將集輸管網(wǎng)的加權(quán)中心問(wèn)題和最小生成樹(shù)結(jié)合起來(lái)，首先確定出油氣集中處理站的最佳位置，然后優(yōu)化輸油管網(wǎng)的布局，是進(jìn)行油氣集輸管網(wǎng)優(yōu)化的一種行之有效的方法，對(duì)各種復(fù)雜地形，復(fù)雜的氣候條件下集輸管網(wǎng)的設(shè)計(jì)都適用，因此在天然氣管網(wǎng)設(shè)計(jì)中該方法具有普遍意義。

2.2 多目標(biāo)分析法研究天然氣管網(wǎng)

天然氣集輸系統(tǒng)除了路線(xiàn)問(wèn)題外，還要考慮費(fèi)用、管道承壓、風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題，管網(wǎng)布局的核心問(wèn)題是弄清楚管網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)規(guī)劃運(yùn)力的響應(yīng)，針對(duì)關(guān)鍵的工藝參數(shù)，選擇技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的滿(mǎn)足運(yùn)行工藝的方案。進(jìn)行氣井一集氣站系統(tǒng)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中是以管網(wǎng)系統(tǒng)的總費(fèi)用和該系統(tǒng)的相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。因此，首先給出管網(wǎng)系統(tǒng)的總費(fèi)用和該系統(tǒng)相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法，以此作為目標(biāo)函數(shù)，用AHP法確定井站的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)，目的在于滿(mǎn)足約束條件，使整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)費(fèi)用省且風(fēng)險(xiǎn)較小。這種計(jì)算方法設(shè)計(jì)管網(wǎng)系統(tǒng)可分以下步驟：1)最短樹(shù)構(gòu)成法求出一級(jí)集氣站和集氣總站間管網(wǎng)系統(tǒng)的MT；2)用sI算法求出管網(wǎng)系統(tǒng)的SMT；3)由前兩步確定的若干SMT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由費(fèi)用最省得出若干個(gè)管網(wǎng)布局的單目標(biāo)優(yōu)化方案；4)用AHF方法優(yōu)選費(fèi)用省且風(fēng)險(xiǎn)小的最佳布局方案。

這種算法不僅選擇費(fèi)用少，而且考慮風(fēng)險(xiǎn)小的方案，通過(guò)綜合考慮產(chǎn)生最優(yōu)方案。長(zhǎng)慶、新疆許多實(shí)例分析結(jié)果表明，這種方法建立的集輸管網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化模型和采用的優(yōu)化算法切實(shí)可行，此集輸管網(wǎng)優(yōu)化方案既可用于優(yōu)化該集輸管網(wǎng)的日常運(yùn)營(yíng)，又可用于指導(dǎo)集輸管網(wǎng)的改造和未來(lái)規(guī)劃。

3 結(jié)論

1、天然氣集輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求應(yīng)用系統(tǒng)的觀點(diǎn)，將油氣集輸工程放在整個(gè)開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目的總環(huán)境中統(tǒng)籌考慮，以達(dá)到總體優(yōu)化之目的。

2、天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)問(wèn)題，實(shí)際上是對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行工況進(jìn)行模擬，找出系統(tǒng)中那些可能?chē)?yán)重制約系統(tǒng)運(yùn)力的因素，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后使管網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)達(dá)到合理匹配，以滿(mǎn)足規(guī)劃和市場(chǎng)的要求。

3、天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)需要考慮環(huán)境因素、風(fēng)險(xiǎn)、腐蝕性氣體，擴(kuò)建改造以及天然氣藏生產(chǎn)規(guī)律等多項(xiàng)因素，需要在生產(chǎn)中發(fā)展不斷完善，此外，為保證安全連續(xù)生產(chǎn)，需要對(duì)連接集輸系統(tǒng)中重要組成部分的最短徑路管線(xiàn)布置方案進(jìn)行調(diào)整，以期形成圍繞重要組成部分的管網(wǎng)局部小循環(huán)，達(dá)到最佳費(fèi)用效果目的，才能達(dá)到較好的效果。