天然气管道系统工艺参数分析与优化设计

洪雪

摘 要：天然气输送管道管网的设计不仅要考虑管网本身的技术先进性，而且还要考虑其经济合理性，复杂天然气管网设计中迫切需要引入最优化技术以达到提高管道运行水平的目的。而在天然气管道系统优化设计中，要使管网投资费用最低，如何选择管径、壁厚、压气站压比等工艺参数就成为优化设计中的主要问题，这也是本文目所在。

关键词：天然气管道；系统工艺参数；设计优化

将天然气从气田输送到下游用户离不开天然气管道系统，天然气管道系统设计就是已知天然气在井口处的初始状态以及输送到用户时的最终状态、管道系统的布局、天然气的产量和用户的需求量，对此管道系统进行最优设计， 设计目标通常是求解各管段的管径、压气站的数目、两个压气站之间的管长以及每个压气站中压缩机的吸入和排出压力，以使总费用最小。约束条件通常包括反映管段长度和流量平衡的等式约束，以及反映对气源压力、供气压力和压缩机压比限制的不等式约束。由于天然气管道系统的最优化设计是一个复杂的有约束的非线性最优化问题， 而且维数很大， 因此其研究工作都是在假定一些变量为已知的情况下求解问题中的部分设计变量， 即对设计问题的局部进行最优化研究。在这些研究中，最常使用的数学规划方法分别为动态规划法、约束导数法和广义既约梯度法。

1 天然气管道系统影响因素分析

1.l 流量的考慮

管道系统的设计应满足工艺对管道系统要求，其流通能力应按正常条件下介质的最大流量考虑，其最大压力降应不超过工艺允许值，其流速应位于根据介质特性所确定的安全流速范围内。

1.2 综合权衡建设费用和运行费用

在设计管道系统时，一般应在允许压力降的前提下尽可能地选用较小管径，特别是在确定合金管管径时更需慎重对待，以节省投资。但是，管径太小则介质流速增高，摩擦阻力增大，增加了机泵的投资和功率消耗，从而增加了操作费用。因此，在确定管径时，应综合权衡投资和操作费用两种因素，取其最佳值。

1.3 流速的选择

不同流体按其性质、状态和操作要求的不同，应选用不同的流速。粘度较高的液体，摩擦阻力较大，应选较低流速。允许压力降较小的管道，例如常压自流管道和输送泡点状态液体的泵入口管道，应选用较低的流速。允许压力降较大或介质粘度较小的管道，应选用较高流速。为了防止因介质流速过高而引起管道冲蚀、磨损、振动和噪声等现象，液体流速一般不宜超过4M/S；气体流速一般不超过其临界速度的85%，真空下最大不超过100M/s；含有固体物质的流体，其流速不应过低，以免固体沉积在管内而堵塞管道，但也不宜太高，以免加速管道的磨损或冲蚀。

2 管道系统工艺参数优化设计方法

2.1 动态规划法

动态规划法是对天然气管网中各节点的压力进行优化，并通过求得的最优压力从设备列表中选择相应的管网元件——管道和压缩机，使管网的建设和运行费用最低。动态规划法适用于为可选管径范围不太大的输气管道系统确定最优的管径组合。当可选管径范围较大时，此方法的计算量仍然较大。但由于在一定输量下存在着经济管径，因此在进行工程设计时， 只要输量较明确， 可选管径的范围并不大，可使用此方法。该方法压气站的数目和位置以及各管段的长度和管径都需要预先给定，并且不适用于处理网络元件较多的大型网络系统。其原因是用动态规划法求解时存在维数灾难：若一维状态变量有m個取值，那么对于n 维问题，状态xk就有mn个取值， 对于每个状态值都要计算、存储最优值函数fk（xk）。对n稍大（即使n=3）的实际问题的计算往往是不现实的，目前还没有克服动态规划中维数灾难的一般方法。

对于一个结构或者布局已定的树状天然气管网系统，如果管网的节点数为n，那么便有n-1条管段。若每个管段有7种管径供选择，就会有7n-1种管径组合。要解决的问题是要从这些管径组合中选择出一种最优组合，以使管网的投资和运行费用最低。解决问题的关键在于找出可以剔除那些不经济的管径组合而无需枚举的方法。

2.2 约束导数法

对于那些具有等式约束或能将不等式约束条件化为等式约束的输气管道工艺参数优化设计问题，国外学者主要使用约束导数法来解决。Flanigan使用约束导数法分别对天然气管网系统中管道的直径和压缩机的功率进行了优化，优化时预先给定管网中压气站的数量与位置。约束导数法是一种经典的数学规划方法，在进行输气管道的工艺参数优化设计时，对于无约束或容易将约束条件消去的非线性规划问题，使用该法容易获得最优解。但是该方法也只能对设计问题的局部进行最优化。

2.3 广义既约梯度法

Edgar等人首先将广义既约梯度法应用于天然气输送网络（管道）的最优化设计。此项技术能同时确定压气站的数目、两个压气站之间的管段长和管径以及压气站中压缩机的操作工况等设计变量的最优值，使管网投资和运行费用最低。

广义既约梯度法在解决有约束的非线性天然气管网规划问题方面具有较高效率，此算法使对所有设计变量同时进行最优化成为可能。但应注意，优化得到的最优管道直径只能以连续的形式给出，要得到离散的最优管道直径值还需要辅以其它优化方法，如分支定界法、次梯度优化法等。

3 结语

天然气管道系统工艺参数最优化设计问题是一个十分复杂的非线性规划问题， 要提高优化设计效率， 必须应用各种数学规划方法， 尤其是一些新的效率高的非线性规划方法， 并需要与输气管道工艺设计的工程实际结合进行。

参考文献：

[1]康正凌.复杂天然气管网系统工艺参数研究[J].西南石油大学学报，2009，13（5）：26-32.