1. 天然氣集輸管網(wǎng)概述
目前國(guó)內(nèi)廣泛采用的是多級(jí)集輸流程，所采用的集輸系統(tǒng)管網(wǎng)主要有放射狀、枝狀和環(huán)狀，以及這三種的組合形式。放射狀管網(wǎng)按照一定的要求將若干氣井劃分為一組，每組設(shè)一個(gè)集氣站，各氣井天然氣通過(guò)集氣管線納入集氣站，再經(jīng)集氣支線、集氣干線進(jìn)入集氣總站。枝狀管網(wǎng)有一條貫穿于氣田的主干線，由干線輸入到集氣總站。環(huán)狀管網(wǎng)是將集氣干線布置成環(huán)狀，承接沿線集氣站來(lái)氣，在環(huán)網(wǎng)上適當(dāng)?shù)奈恢靡龉芫€至集氣總站。
天然氣集輸網(wǎng)絡(luò)是由弧與節(jié)點(diǎn)組成的總體，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)問(wèn)題就是確定網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間連接關(guān)系以完成某種特定功能的問(wèn)題，若是有向網(wǎng)絡(luò)還要確定弧的方向。與網(wǎng)絡(luò)有關(guān)的組合最優(yōu)化問(wèn)題稱為網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)化問(wèn)題，就是在網(wǎng)絡(luò)上找一個(gè)特定的子網(wǎng)絡(luò)，使它的權(quán)最小或最大。網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)問(wèn)題也是一類(lèi)網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)化問(wèn)題，求解的是滿足給定的最優(yōu)化準(zhǔn)則以及約束條件的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。可以制定經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化準(zhǔn)則——最大利潤(rùn)、最小總費(fèi)用、最低成本等：也可以制定技術(shù)最優(yōu)化準(zhǔn)則——最大可靠性、最快動(dòng)作等。這些最優(yōu)化準(zhǔn)則可以作為選擇系統(tǒng)功能和系統(tǒng)發(fā)展目標(biāo)的明確策略。天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局優(yōu)化問(wèn)題是指在給定氣源、用戶位置的情況下，確定天然氣管道輸送系統(tǒng)的最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
2. 天然氣集輸管網(wǎng)的優(yōu)化分析
氣田地面集輸管網(wǎng)工程是氣田地面工程的主體工程，也是一個(gè)投資巨大、內(nèi)容復(fù)雜的系統(tǒng)。氣田地面集輸管網(wǎng)的優(yōu)化，即明確氣井與集氣站的最佳歸屬關(guān)系、最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)布局以及最優(yōu)管徑組合。
2.1 井組優(yōu)化
氣田內(nèi)部的集輸流程根據(jù)氣田的地質(zhì)、地理?xiàng)l件及氣田開(kāi)發(fā)階段的不同可分為單井集輸流程和多井集輸流程。對(duì)于面積較大和井?dāng)?shù)較多的氣田，為了生產(chǎn)和管理上的方便，通常將氣井劃分為若干組，每一組氣井的天然氣都在各自的集氣站進(jìn)行匯集處理后，然后外輸。其各組所含的氣井?dāng)?shù)取決于地理?xiàng)l件、氣井和集氣站的生產(chǎn)規(guī)模、井位分布等。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)量較大的為6～10口井，產(chǎn)量較小的為11～16口井，最多不宜超過(guò)20口井。氣田集輸系統(tǒng)井組最優(yōu)劃分解決的問(wèn)題是如何最優(yōu)劃分井組，以使建設(shè)投資費(fèi)用最省。目前，在井組最優(yōu)劃分時(shí)，大都采用在一定井式和集輸半徑約束下，以距離之和最短為原則對(duì)井組進(jìn)行劃分，沒(méi)有考慮集氣站的集氣量規(guī)模問(wèn)題。井組最優(yōu)劃分的目標(biāo)就是確定氣井與集氣站間的最佳隸屬關(guān)系，即在一定的井式約束下，把各氣井劃分為隸屬于各自集氣站的井組，以使各氣井到相應(yīng)集氣站費(fèi)用最小，各集氣站的集氣量分布最合理。
2.2氣田站址優(yōu)化
在氣田集輸系統(tǒng)工程中，首先遇到的問(wèn)題是如何確定集氣站的數(shù)目和站位。很顯然集氣站的多少直接與投資相關(guān)，而且站位的確定又直接影響到整個(gè)氣田集輸管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)形式(網(wǎng)絡(luò)布局)，而用于集輸?shù)墓芫€投資也高達(dá)每千米數(shù)萬(wàn)元，管線總的投資一般要占?xì)馓锛斚到y(tǒng)投資的60～70％，因此，研究最優(yōu)化集氣站位問(wèn)題具有十分重要的實(shí)際意義。
氣田地面集輸系統(tǒng)是由氣井、集氣站、壓縮機(jī)站等部分組成。一般而言，氣井和井位是根據(jù)己探明的地層構(gòu)造，在油藏工程設(shè)計(jì)中確定；集氣站位置一般是建在所轄一組生產(chǎn)井的中間。我國(guó)的油氣田地面集輸系統(tǒng)有二級(jí)布站和三級(jí)布站兩種主要類(lèi)型，采取二級(jí)布站，即先將氣井用星形網(wǎng)絡(luò)連接集氣站，再將集氣站用樹(shù)枝網(wǎng)絡(luò)連接到集氣總站，形成“集氣站一集氣總站”兩級(jí)布站系統(tǒng)。
2.3集氣站管網(wǎng)布局優(yōu)化
如何將各集氣站與集氣總站連接起來(lái)，最終形成氣田集輸系統(tǒng)是本節(jié)所討論的問(wèn)題。在以往的管網(wǎng)布局優(yōu)化中，一般是根據(jù)圖論知識(shí)將問(wèn)題分解為兩個(gè)子問(wèn)題來(lái)考慮，一個(gè)是樹(shù)枝管網(wǎng)的連接方式優(yōu)化，另一個(gè)是中心集氣站的選址問(wèn)題。在問(wèn)題一的求解過(guò)程中，采用的頂點(diǎn)加權(quán)的方法進(jìn)行加權(quán)計(jì)算得出最小的流量長(zhǎng)度之和，求出最小生成樹(shù)，但是，當(dāng)無(wú)向樹(shù)轉(zhuǎn)化為有向樹(shù)后，這個(gè)最小的流量長(zhǎng)度之和不一定就是干線各管段的最小流量長(zhǎng)度之和。雖然在中心集氣站的選址問(wèn)題中考慮了流量的分配問(wèn)題，目的是為了避免某些管段流量過(guò)度集中，造成管徑過(guò)大增加費(fèi)用，這樣，當(dāng)把問(wèn)題二的中心集氣站加入到問(wèn)題一的最小生成樹(shù)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)某些集氣站的氣體輸往中心站所經(jīng)過(guò)的管線距離過(guò)長(zhǎng)，而使各管段的流量長(zhǎng)度之和沒(méi)有達(dá)到最小。因此，必須將這些集氣站的氣體進(jìn)入集氣干線接入點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。求得使整個(gè)集氣干線的流量長(zhǎng)度之和達(dá)到最小的管網(wǎng)布局。
集氣總站的選址問(wèn)題是屬于上述第二類(lèi)問(wèn)題中的中心問(wèn)題，即在給定的集氣站中選出一個(gè)集氣站作為集氣總站，使得其它集氣站距離集氣總站的最大距離為最小。集氣總站作為整個(gè)氣田中綜合開(kāi)發(fā)的生產(chǎn)處理、外輸及管理中心，其位置的選擇要考慮到整個(gè)氣田管網(wǎng)的流量分布，應(yīng)使管網(wǎng)的流量分配盡可能合理，有利于整個(gè)氣田進(jìn)行最優(yōu)區(qū)域劃分和管網(wǎng)布置。
在優(yōu)化氣田綜合開(kāi)發(fā)方案時(shí)，要在以各集氣站作為頂點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)中確定集氣總站的位置，其原則是：首先要考慮到各集氣站距離集氣總站不要太遠(yuǎn)，即集氣總站應(yīng)處于氣田的中心地帶，以利于對(duì)整個(gè)氣田的日常管理和維護(hù)，這就是網(wǎng)絡(luò)的中心問(wèn)題；此外，還要考慮到管網(wǎng)中流量的分配，即要避免某管段中流量太集中，以防管徑過(guò)大，費(fèi)用增加，這就是網(wǎng)絡(luò)圖中的加權(quán)問(wèn)題。
3. 結(jié)束語(yǔ)
油氣管網(wǎng)系統(tǒng)是大系統(tǒng)，由于其復(fù)雜性、多元性，其優(yōu)化的工作量相當(dāng)大。當(dāng)前有必要開(kāi)展現(xiàn)有設(shè)備集輸能力優(yōu)化研究工作，充分利用現(xiàn)有集輸設(shè)備的工作能力，確保集輸管網(wǎng)系統(tǒng)安全、高效地運(yùn)行，并指導(dǎo)集輸設(shè)備的更換和改造。然而迄今為止，世界上尚未出現(xiàn)完善的油氣管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)專用軟件，有待科技工作者和工程技術(shù)人員進(jìn)一步努力開(kāi)拓。
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