气田集输管网优化运行方案的设计

曹月蕊(吉林油田勘察设计院，吉林 松原 138000)

气田集输管网优化运行方案的设计

曹月蕊(吉林油田勘察设计院，吉林 松原 138000)

本文通过综合考虑压缩机站、气田集输管网的实际运行情况，充分考虑全部约束条件，以实现管网中所有压缩机站能源消耗总量的最小化为目标，建立了气田集输管网优化运行方案的数学模型，通过应用科学的混沌遗传算法进行模型计算，最终得到最终的优化运行方案。同时经过实践发现，优化运行方案数学模型、混沌遗传算法均具有良好的实用性、有效性。

气田集输管网；优化运行方案；天然气运输

为了解决天然气资源区域分布不均、城市天然气资源供求矛盾等问题，我国逐渐加强了对天然气集输管网的建设。气田集输管网是我国天然气集输管网体系中的重要组成部分，其主要包括天然气处理厂、压缩机站、集气站以及气井四个不同的单元，单元之间主要通过管道连接。为提高气田地面工程的经济效益，必须加强对气田集输管网的优化运行设计，同时也有利于减少天然气在运输过程中的压力损耗，实现能源节约、环境保护。下文中，笔者主要探讨了气田集输管网的优化运行方案，以供参考。

1 建立优化运行方案数学模型

气田集输管网的运行过程中，通常情况下会受到多种因素的影响，例如，压缩机站配置情况与压缩机运行参数、气源的分布情况、用户的用气量与用气压力需求以及管网输送能力等。优化运行方案的主要内容包括，实现集输管网运行参数的优化、实现压缩机运行参数的优化、确保压缩机站开机台数合理，其目的在于，降低压缩机站的能源消耗与运行成本[1]。根据现阶段气田集输管网的实际运行情况，以实现管网中所有压缩机站能源消耗总量的最小化为目标，在符合如下3个假设条件的前提下：压缩机型号相同、压缩机之间并联连接、开机台数始终≥1台，建立优化运行方案数学模型，函数式如下：

式中：i为气田集输管网中压缩机站的进气节点编号；j为排气节点编号；ε为进气、排气节点编号(i、j)构成的集合；Qij为压缩机站中的总流量(m3/s)；Zi为压缩机处于进气状态中的时候，天然气所具有的压缩系数；Ti为压缩机的进口温度(K)；pi为进气压力(MPa)；pj为排气压力(MPa)；ω=(k-1)/k，k为是绝热系数；ηij为压缩机的效率。

设计优化运行方案的过程中，必须确保其切实符合气田的资源分布状况、能够切实满足用户的用户压力、用气量需求，与此同时，也要确保压缩机站的实际运行参数始终保持在合理范围之内。除此之外，相关研究学者在进行气田集输管网优化运行方案设计的过程中，提出了相应的约束条件，主要有节点流量平衡、管道强度限制等方面的数学描述。

2 模型求解方法

针对上述所建立的气田集输管网优化运行方案数学模型进行分析，可以发现其是一个较为复杂的多维非线性问题[2]。进行数学模型求解的过程中，国内外大部分研究学者普遍运用非线性混合规划法，但在气田集输管网规模越来越大的今天，也逐渐提高了对计算机存储量的要求，进而导致初始可行解很难得到有效的确定，基于这样的原因，进行计算的时候，极易出现死循环的问题。面对这样的现象，相关研究学者有机结合了混沌优化方法的便利性、遗传算法的搜索机制，成立了混沌遗传算法，在混沌遗传算法下，模型求解的步骤如下：

①明确管网结构参数与基础数据、管网节点与压缩机的运行边界条件、天然气的物性参数，在综合考虑以上因素的前提下，制定水力计算的方法；②确定算法的结束循环代数以及种群数目，同时充分考虑算法中要用到的初始交叉概率以及变异概率，按照混沌序列，从而产生一组初始优化运行方案，并评估其优劣，从中择优选出几个较为理想的初始优化运行方案，组建初始遗产算法种群[3]；③构建罚函数，计算当前方案的适应度、好坏，选出目标函数值最优、可以满足所有约束条件的方案，并将其作为当前最优解；④对当前的优化运行方案进行选择操作，并与最佳保留策略进行结合，将其作为当前方案；⑤对交叉概率以及变异概率进行自适应调整、动态调整，并将调整后的交叉概率以及变异概率当作主要根据，对(④)中的方案进行混沌优化交叉、变异操作；⑥综合评估上述步骤中的运行方案，判断其是否能够达到预期的最大循环代数，并检查最优解经过多次迭代的情况下运行方案有没有变化，若没有发生变化，则可进入下一步骤，若发生变化，则重新转向(③)；⑦将当前最优解作为优化运行方案数学模型的解，得到最终的气田集输管网优化运行方案。实践发现，上述优化运行方案模型、算法具有实用性、有效性。

3 结语

气田集输管网在进行运行的过程中，提供能量的通常是压缩机站，从而预防天然气在管道中流动时发生压力损耗，进而避免不必要的资源浪费。气田集输管网的空间范围较大，气田各区块的产量、压力处于不断变化的状态下，同时，用户的用气量、用气压力存在很大的不确定性，所以，必须适当调整各压缩机站的开机台数以及运行参数，以便于在确保气田集输管网可以良好地完成输气任务的同时，实现压缩机站能源消耗量的降低。

[1]孙立新.浅析气田集输管网的优化运行方案[J].化工管理,2016，(17)：24.

[2]李学军.长输管道天然气集输管网优化设计[J].油气田地面工程,2015，(04)：24-26.

[3]王洪元,卜莹,潘操.基于遗传蚁群算法的气田集输管网优化方法[J].计算机与应用化学,2012，(12)：1495-1498.

曹月蕊(1983- )，女，汉，助理工程师，本科，主要从事油气集输设计工作 。