天然气集输管网的优化设计研究

蒋佳宗 石晓天

摘 要：由于天然气具有高压、易燃易爆的危险特点，因此天然气的集输安全至关重要，同时天然气集输系统的安全管理也是重点和难点。在天然气集输系统的安全设置上关键是要科学合理的进行天然气集输井站的布置和安全防护，本文主要是对天然气集输管网进行描述，分析其概况，讨论其相关优化方法，主要是从井组优化、气田站址优化和集气站管网优化三个方面进行分析，充分利用现有集输设备的工作能力，确保集输管网系统安全、高效地运行。

关键词：天然气集输 管网 井组

中图分类号： S611 文献标识码： A

天然气集输工程是气田地面工程的主体工程，也是天然气生产过程中的一个重要环节，集输的任务是收集自地下开采出的天然气或其混合物，并进行分离、转运、外输。集输系统的耗资十分巨大，主要包括管网造价，中间站投资及运行费用，其中中转站的投资近千万元，管材费用也高达每千米数万元。因而在管网规划设计中，采用优化技术确定合理的网络拓扑结构并确定最佳工艺设计方案可以获得较好的经济效益。

一、天然气集输管网的安全管理

1腐蚀及人为因素

（1）土壤腐蚀。不同的土壤、电阻率，对管道造成的腐蚀情况也不同。

（2）微生物腐蚀。微生物腐蚀是由于土壤中繁殖的细菌造成的。最常见的是还原性硫酸盐细菌，在厌氧土壤中，还原性硫酸盐细菌能够生长并且能够在有欠缺的涂层附近改变其化学成分，从而产生腐蚀作用。

（3） 应力腐蚀。由于管道结构方面的不均匀性，低温变化、流通介质压力变化而产生应力，形成应力腐蚀。

（4）在管材和土壤环境相同的情况下，施工质量直接影响管道的防腐效果。

（5）现有地下管网的施工单位多，必然带来施工质量管理混乱，野蛮施工成为较为普遍的现象。而且地下各类金属结构密集，不同材料，不同直径，不同形状的气管、水管及电缆相互穿插交错，构成复杂而巨大的地下网络，给管网的安全运行带来极大危害。

2处理措施

（1）严格加强工程的质量管理。工程质量管理控制包括施工前的设计准备、施工阶段的质量监督、施工后竣工验收和管网的运行管理等四个阶段，其中前两个阶段为关键阶段。

（2）推广应用新技术，尤其是加强阴极保护技术的应用。阴极保护技术是通过被保护管道与直流电源的负极相连，使大量电子流入管道，使它成为阴极，这是解决埋地钢质管道腐蚀和老化引发的泄漏事故最有效、最经济的防腐蚀措施。

（3）严格加强设备的运行管理。由于供气用户的增加，供气时间的延续，以及周围地质情况的变迁，一些天然气管网老化、腐蚀，给安全管理工作提出了新的要求。随着天然气输配管网逐渐老化，燃气管道泄漏故障也呈上升趋势，所以要加大巡检力度，做到有隐患早发现、早消除，避免重大事故的发生。

（4）采用科学先进的安全管理手段。依托现有的生产指挥系统和GIS管网信息系统，提高输配管网管理的安全可靠性。通过实践，GIS管网管理系统能最大程度地满足天然气管网的资料维护及信息查询、安全运行、报警抢修、日常调度及场站维护等日常事务。它已成为代替人工进行城市天然气管网管理的一种真正实效可行的、科学化、信息化的管理方法和手段。

二、天然气集输管网的优化分析

气田地面集输管网工程是气田地面工程的主体工程，也是—个投资巨大、内容复杂的系统。气田地面集输管网的优化，即明确气井与集气站的最佳归属关系、最优网络布局以及最优管径组合。

1.井组优化

气田内部的集输流程根据气田的地质、地理条件及气田开发阶段的不同可分为单井集输流程和多井集输流程。对于面积较大和井数较多的气田，为了生产和管理上的方便，通常将气井划分为若干组，每一组气井的天然气都在各自的集气站进行汇集处理后，然后外输。其各组所含的气井数取决于地理条件、气井和集气站的生产规模、井位分布等。气田集输系统井组最优划分解决的问题是如何最优划分井组，以使建设投资费用最省。目前，在井组最优划分时，大都采用在一定井式和集输半径约束下，以距离之和最短为原则对井组进行划分，没有考虑集气站的集气量规模问题。井组最饨划分的目标就是确定气井与集气站间的最佳隶属关系，即在一定的井式约束下，把各气井划分为隶属于各自集气站的井组，以使各气井到相应集气站费用最小，各集气站的集气量分布最合理。

2.气田站址优化

在气田集输系统工程中，首先遇到的问题是如何确定集气站的数目和站位。很显然集气站的多少直接与投资相关，而且站位的确定又直接影响到整个气田集输管网的结构形式（网络布局），而用于集输的管线投资也高达每千米数万元，管线总的投资一般要占气田集输系统投资的60～70%，因此，研究最优化集气站位问题具有十分重要的实际意义。气田地面集输系统是由气井、集气站、压缩机站等部分组成。一般而言，气井和井位是根据已探明的地层构造在油藏工程设计中确定：集气站位置一般是建在所辖一组生产井的中间。我国的油气田地面集输系统有二级布站和三级布站两种主要类型，采取二级布站，即先将气井用星形网络连接集气站，再将集气站用树枝网络连接到集气总站，形成“集气站一集气总站”两级布站系统。

3.集气站管网布局优化

如何将各集气站与集气总站连接起来，最终形成气田集输系统是本节所讨论的问题。在以往的管网布局优化中，一般是根据图论知识将问题分解为两个子问题来考虑，一个是树枝管网的连接方式优化，另一个是中心集气站的选址问题。在问题一的求解过程中，采用的顶点加权的方法进行加权计算得出最小的流量长度之和，求出最小生成数，但是，当无向数转化为有向数后，这个最小的流量长度之和不一定就是干线各管段的最小流量长度之和。虽然在中心集气站的选址问题中考虑了流量的分配问题，目的是为了避免某些管段流量过度集中，造成管径过大增加费用，这样，当把问题二的中心集气站加入到问题一的最小生成数时，会出现某些集气站的气体输往中心站所经过的管线距离过长，而使各管段的流量长度之和没有达到最小。因此，必须将这些集气站的气体进人集气干线接入点进行适当的调整。求得使整个集气干线的流量长度之和达到最小的管网布局。集气总站的选址问题是属于上述第二类问题中的中心问题，即在给定的集气站中选出—个集气站作为集气总站，使得其它集气站距离集气总站的最大距离为最小。集气总站作为整个气田中综合开发的生产处理、外输及管理 ，其位置的选择要考虑到整个气田管网的流量分布，应使管网的流量分配尽可能合理，有利于整个气田进行最优区域划分和管网布置。在优化气田综合开发方案时，要在以各集气站作为顶点组成的网络中确定集气总站的位置，其原则是：首先要考虑到各集气站距离集气总站不要太远，即集气总站应处于气田的中心地带，以利于对整个气田的日常管理和维护，这就是网络的中心问题；此外，还要考虑到管网中流量的分配，即要避免某管段中流量太集中，以防管径过大，费用增加，这就是网络图中的加权问题。

油气管网系统是大系统，由于其复杂性、多元性，其优化的工作量相当大。当前有必要开展现有设备集输能力优化研究工作，充分利用现有集输设备的工作能力，确保集输管网系统安全、高效地运行，并指导集输设备的更换和改造。然而迄今为止，世界上尚未出现完善的油气管网系统优化设计专用软件，有待科技工作者和工程技术人员进一步努力开拓。

参考文献

[1]王惠 韩兴刚 冯朋鑫 徐文龙 马海宾 ReO软件在苏里格气田集输系统生产优化中的应用[J] 石油化工应用 2011.12 .

[2]叶宣宏 刘丹 张鲜 天然气气田开发中钻井与集输管线工程环境监理浅议[J] 四川环境 2011.5.

[3]吴德才 陶忠 汪秀琼 基于TOPSIS法的天然气集输管网规划方案决策[J] 价值工程2011.27.