（油气储运工程专业论文）天然气集输管网优化.pdf

大庆石油学院硕士研究生学位论文 o p t i m i z a t i o no fg a sg a t h e r i n gp i p en e t w o r k a b s t r a c t t h eg a s t r a n s i t i o np i p e l i n ei s p r o g r e s s e do r i e n t e dt h el a r g e s c a l ea n dc o m p l i c a t e d n e t w o r ks y s t e m t h e r e f o r e ，t h es t u d yo fo p t i m i z a t i o no fg a sg a t h e r i n gp i p en e t w o r kh a s a c t u a ls i g n i f i c a n c e b a s e do nl a r g eq u a n t i t i e so fl i t e r a t u r ei n v e s t i g a t e dm a ds t u d i e d ，t h i sp a p e rs y s t e m a t i c a l l y e x p a t i a t e st h ed e v e l o p m e n th i s t o r ya n dp r e s e n ta p p l i c a t i o no ft h es y s t e mo p t i m i z a t i o no fg a s g a t h e r i n gp i p en e t w o r k i tm a k e sat h o r o u g hr e s e a r c ho ns y s t e mt o p o l o g i c a lo p t i m i z a t i o no f g a sg a t h e r i n gp i p en e t w o r ka n dt h eo p t i m i z a t i o no fc o n f i g u r a t i o np a r a m e t e r b a s e do n d i f f e r e n td e v e l o p m e n tp h a s ei ng a sf i e l d ，i tf i n a l l yf o r m sg a sf i e l dg a t h e r i n gs y s t e mt a k i n ga i d a tp i p en e t w o r ki n v e s t m e n ta n dp r o v i d e so p t i m i z e dc o n f i g u r a t i o nm o d e lo f p i p en e t w o r k t h e m o d e ln o to n l yi st h ef u n c t i o no f p i p el e n g t h ，b u ta l s oc o n s i d e r st h ee f f e c to f p i p ed i a m e t e ro n i n v e s t m e n tc o s t i td e r i v e st h et o p o l o g i c a lo p t i m i z a t i o nb ym e a n so ft h em e t h o do fi m p r o v e d a n de l i c i t e dt y p e ，t a b o oa l g o r i t h m ，a n de d g ec u tm e t h o d ，w h i c hm a k e st h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t o fp i p en e t w o r ka r r a n g e m e n tc o n f o r mt op r a c t i c eb e t t e r o nt h eb a s i so fp i p en e t w o r k a r r a n g e m e n t ，i te s t a b l i s h e sc o n f i g u r a t i o np a r a m e t e ro p t i m i z a t i o nm o d e lo fp i p en e t w o r k b e i n gc a l c u l a t e df o rt o t a lr e d u c e dc h a r g eo fg a t h e r i n gp i p en e t w o r k i nt h i sm o d e l ，i t s u b s t a n t i a l l yc o n s i d e r st h er e l a t i o n s h i po fc a r r y i n gc a p a c i t y , p i p ed i a m e t e r , g a st r a n s m i s s i o n p r e s s u r e ，a n dp i p er a n g e i nt h ep r o c e s so fs o l v i n gc o n f i g u r a t i o np a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n m o d e l ，i t ，a i m i n g a tt h ec h a r a c t e r i s t i co fp r o b l e m ，a d o p t st h em e t h o do fc o m b i n a t i o n o p t i m i z a t i o n ，w h i c h i s a p p l i c a b l e t oc o n t i n u o u sa n dd i s c r e t ev a r i a b l e sa n dm a k e st h e o p t i m i z a t i o nr e s u l t sm o r ea c c u r a t e o nt h eg r o u n do ft h em o d e le s t a b l i s h e da n dd e r i v a t i o n m e t h o d ，i tc o m p r e h e n s i v e l yu t i l i z e ss o m ec o m p u t e rt e c h n o l o g y , s u c ha sg u it e c h n o l o g y , c o m p u t e ri m a g e ，o l et e c h n o l o g y , d a t ab a s e ，a n ds oo n t a k i n ga d v a n t a g eo fc + + b u i l d e r l a n g u a g e ，i td e v e l o p sa n ds t u d i e st h es o f t w a r eo fs y s t e mo p t i m i z a t i o nd e s i g no fg a sg a t h e r i n g p i p en e t w o r k t h es o f t w a r eh a st h ec h a r a c t e r i s t i co ff a v o r a b l eg r a p h i c a li n t e r f a c e s ，w i d e a p p l i c a b i l i t y , c o n v e n i e n t o p e r a t i o n ，h i g hc o m p u t a t i o n a la c c u r a c y , e t c t h i ss o f t w a r ei s s u c c e s s f u l l ya p p l i e di n t ot h er e b u i l d i n ga n de x t e n s i o no fg a t h e r i n gp i p en e t w o r ko fg a sf i e l d ， i nt h em e a n t i m e ，i ts t i l la p p l i e st h es y s t e mo p t i m i z a t i o nd e s i g no fg a sg a t h e r i n gp i p en e t w o r k i no t h e rg a sf i e l d k e yw o r d s ：p r e s e r v a t i o na n dt r a n s p o r t a t i o n ；p i p en e t w o r ka r r a n g e m e n t ；o p t i r h i z a t i o n ； g r a p ht h e o r y ；g a s ；g a t h e r i n g ；p a r a m e t e r i i i 火庆右油学院顺1 研究生学位论文 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说 明并表示谢意。 作者签名：堇鍪翌日期：丝2 ：主：! 学位论文使用授权声明 本人完全了解大庆石油学院有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位 论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用 于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容 编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文 在解密后适用本规定。 学位论文作者签名：葛琴琴 日期：知7 0 。j 千 导师签名： 日期：、二妊 创新点摘要 创新点摘要 ( 1 ) 在对天然气集输管网布局进行优化设计过程中，首次采用改进启发式求解方 法、禁忌算法和边割法等进行求解，得到了较好的效果； ( 2 ) 在管网布局的基础上，以集输管网总折合费用为目标，建立了管网结构参数 优化模型，并充分考虑了输气量、管径、输气压力、管长等之间的关系，采用适用于连 续变量和离散变量的组合优化的方法对模型进行求解，使优化结果更加准确。 大庆石油学院硕士研究生学位论文 引言 研究和发现新的能源资源，寻求可供人类利用的第四代能源是2 1 世纪我们所面临 的严峻挑战。对第四代能源，不仅要求在技术和储藏上能够满足人类日益增长的经济发 展需求，更要满足人类与大自然协调发展对环境的要求。技术和能源资料的综合分析结 果表明：核能、天然气和氢气有可能在未来替代石油成为人类第四代能源。天然气作为 优质能源，其清洁、高效、环保的优势明显表现出来。发展天然气，改善能源结构，是 国内外能源发展的大趋势。能源专家普遍认为，2 1 世纪世界将进入天然气时代。最近， 总部位于科威特的环球投资机构发表报告指出，2 0 2 0 年全球能源市场对天然气的需求 量将比石油需求量高出4 4 。报告认为，2 0 0 3 至2 0 3 0 年间，中东地区交通运输等行业 的能源消费构成中，天然气将逐渐发展成为一个重要的能源选项而发挥越来越大的作 用。报告中提到，2 0 0 5 年年底，海湾合作委员会( g c c ) 成员国所拥有的天然气储量， 己占到全球己探明天然气储量的2 5 。我国许多能源机构和专家对未来需求进行了预 测，2 0 1 0 年大体在1 0 1 2 x 1 0 “m 3 ，2 0 2 0 年大体在1 8 2 1 0 “m 3 左右【”。随着“西气 东输”工程的建设，我国拉开了2 l 世纪天然气发展的序幕。天然气的勘探、开发以及 相关输气管网的建设力度将加大。 综上所述，本文调研了国内外有关管网优化技术方面的大量文献，开展了集输站场 优化布局研究，集输管网结构优化研究方面的内容。此项研究对气田集输管网的建设和 管理有一定的借鉴意义。 对管道系统的最优化设计问题进行研究始于2 0 世纪6 0 年代。在当时的一批研究工 作中，哈克斯用库恩塔克定理来确定管道系统的最优条件，但是，这个方法的实际 应用很有限。 c h e e s m a n a p 奇斯曼报导了一个管道优化设计软件，采用坐标轮换法寻优以使费用 最小。尽管对一个有约束的非线性问题而言，坐标轮换法并不是一个效率很高的算法， 但仍能使设计时间减少7 0 ，设计费用节省3 0 ，设计质量也得到了提高。 1 9 7 2 年，f l a n i g n 弗兰尼根用约束最速下降法对管道的直径和压缩机的功率进行优 化，同时满足若干非线性约束条件。设计变量被分为状态变量和决策变量两类，每次迭 代均算出相应的雅可比矩阵行列式的比值，以考虑由约束决定的状态变量与决策变量之 间的相互影响。 引入注目的是，1 9 7 8 年，e d a r 埃得加等人用广义简约梯度法对天然气管道系统的 设计进行了最优化。这一高效的算法使得对管径、压气站数及位置、进出站压力等设计 变量同时进行优化第一次成为可能。 1 9 7 9 年，b h a r k a r a n 布哈斯卡伦等人研究了天然气集输管网的优化设计。他们将该 引言 系统的设计问题再区分为系统布局子问题、节点位置子问题和直径分派子问题。 近十年来，非线性规划获得了巨大的发展。新算法不断出现，其中主要有增广拉格 朗日乘子法和序列二次规划逼近法等1 2 】【5 j 。 国内在管道系统优化设计方面的研究起步较晚，但是发展较快，在各类刊物上的论 文也不少，主要有： 1 9 8 5 年，朱琦提出经济管径的概念，用总折合费用最小来确定经济管径，并给出 了数学模型，但其优化仅限于管径。1 9 8 6 年，杨廷觉以输气管道年成本费用为目标函 数建立输气管道经济模型，并采用二维坐标轮换法求解，该模型及解法均较简单。 1 9 8 8 年，李书文、姚亦华【2 6 】研究了天然气集输网络的最优化静态设计。文中 研究了树枝状天然气集输网络静态数学模型，并用两种解法：综合约束函数双速下降法 ( s c d d ) 和混合罚函数法( s u m t ) ，即可用于现存系统又可用于新拟建的网络系统， 具有一定的实际意义。1 9 8 9 年，李书文【2 8 l 进一步研究了气田网络的优化布局问题，提 出了简化优化法：k r u s k a l 算法、s t e i n e r 最短树法和p r i m e 算法，可为气田管网规划布 局和辅助设计提供参考。 1 9 9 2 年后，刘扬等人发表了一系列文章，主要介绍了星式管网拓扑优化设计、环 形集输管网布局优化设计等问题【“h 2 1 1 。 1 9 9 3 年，宋东昱、肖芳淳【2 4 1 应用可靠性理论、灰色系统理论，结合最优化技术， 考虑了白色、灰色、随机等管道结构优化设计过程中可能遇到的影响因素，提出了地下 管道结构多目标可靠性灰色优化设计方法。 1 9 9 5 年，郑清高【2 s 1 提出了在不考虑地形因素时，用s i 算法确定井站以外引入s t e i n e r 点时集输管网的最短几何布局：再根据地形因素对其结果进行局部调整或提出若干可行 几何布局方案，用关键路线法确定出最终几何布局。 2 0 0 0 年，李宏伟、谭家华【2 2 】为提高海上边际油田开发的经济性，对海上边际油田 群综合开发的海底油气集输管网系统进行了分析，利用图论中的最小生成树方法和网络 的加权中心问题，对海底管网布置进行优化，得出了满意的投资方案。 2 0 0 1 年，李波、余红伟1 2 9 】通过介绍国内外在输气管网布局优化、树状供水管网布 局优化、环状供水管网布局优化方面的研究成果，总结应用于这一领域的数学规划方法， 认为在进行输气管网的布局研究时可借鉴供水管网布局优化设计的些技术方法和经 验作参考。 2 0 0 1 年，李长俊 3 0 1 就输气管道线路投资、压气站投资、运行管理费用及其工艺要 求，建立了输气管道优化设计数学模型。并针对模型中既含有离散变量，又含有连续变 量，基于复合形求解方法讨论了组合型算法。 2 0 0 2 年，潘红丽、杨鸿雁 3 l 】通过分级优化和模型协调法，将复杂的气田地面集输 系统整体优化问题先分解为若干子问题，分阶段进行优化，然后应用模型协调法，协调 管网布局和参数的关系，最终解决气田地面集输系统的整体优化问题。 2 0 0 3 年，刘震，潘斌例运用图论及网络分析理论，对变权网络的优化提出了解决 2 大庆石油学院硕士研究生学位论文 方法，并利用这些方法对海底油气集输管网进行了优化。得出图的加权中心与逐步生长 法思想的结合逐步构造以中心平台为汇点的费用最小的优化树，是一个比较好的方法。 2 0 0 5 年，甄宝军、梁政、邓雄1 3 4 蟓合考虑管道与集气站建造费用的关系，建立了 井组划分的模型，并提出了相应的计算方法。 2 0 0 5 年，李卫华、李长俊【3 5 】针对天然气管网的参数优化设计模型属于非线性离散 化最优组合问题，且目标函数具有多峰性。以管道建设费用为目标函数，以管道的稳态 分析、各节点的流量、压力及管道的压力限制等为约束条件，建立了天然气集输管网的 参数优化设计模型，采用遗传算法对其进行求解。 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。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。 从数学上讲，天然气集输配管网系统优化问题是一类非常复杂的优化问题，包括离 散优化、非线性优化和动态优化等方面的内容。其目标函数包括运行费用，站的投资费 用和管线投资费用；约束条件包括井口压力、流量约束，井、管线、站等隶属关系唯一 性约束，管道、站等承压能力约束，节点输入( 出) 气量约束等。其优化问题是一个非 常复杂的问题，尤其是大量离散变量的出现，使得对原问题的直接求解变得不现实，因 而，寻求有效的近似解求解方法具有实际意义。 本文针对天然气集输管网系统开展优化技术研究。对天然气集输管网系统的规划、 设计和改造方案进行了研究，由于天然气集输管网系统的复杂性，采用了分级优化的方 法，依次进行管网布局优化和管网结构参数优化。提出了集输管网布局优化模型，在该 模型中针对各气田气受滚动开发模式的限制，气田已建成的管网规模和发展要求，充分 考虑已有管网系统与新建管网系统间的关系，进行了气井与站的隶属关系、集气站站数 优化、布站位置优化以及各集气站的连接关系方面的优化问题。提出了集输管网结构参 数优化模型，在该模型中以集输管网系统建设时的一次性投资和在使用年限中所付出的 总经营费用作为目标，并考虑管网系统强度的约束、稳定性的约束、参数约束等约束条 件，同时针对优化模型中既含有气压、气量连续变量，又含有管径、壁厚等离散变量， 基于复合型求解方法运用组合型算法进行求解模型，确定了集输管网的结构参数。综合 利用g u i ( 图形用户接口) 技术、计算机图像技术、o l e ( 对象连接及嵌入) 技术、数 据库技术、面向对象技术等，完成了专业工程设计和计算机技术的良好结合。编制了“天 然气集输管网系统优化设计”软件，并在某气田天然气集输管网系统规划、设计及改造 中得以应用。该软件既能适合新建管网系统、又能适合已有管网系统，对指导天然气集 输管网系统建设具有重要指导意义。 本文综观国内外大量文献，紧跟国内外在天然气管道系统规划、设计方面的最新研 究成果，针对天然气管网系统，在优化方面提出了一些新理论和方法。在天然气集输管 网布局优化过程中，综合考虑已建管网和新建管网的关系，提出的优化数学模型具有更 加普遍适用性，既可用于新气田管网系统的规划建设，又可用于老气田的改造和扩建。 引言 在进行井组划分时，针对以往设计中的一些弊端，将算法加以改进。在进行集气站站址 优化过程中，考虑站址优化是一个无约束非线性规划问题，对此类问题通常采用单纯形 法求解，单纯形法对初始解的依赖性较强，容易陷入局部极小点，本文采用一种人工智 能搜索算法禁忌搜索算法对站址优化的数学模型进行求解。引入一种工程上有重要 应用价值的计算网络中最短树的算法进行s t e i n e t 点的引入，该算法从工程实际出发， 对理论公式作了进一步推导和严格的数学证明，将高阶非线性方程组转化成多个一元和 二元的线性方程组，使计算机进行快速迭代运算成为可能。由于在天然气集输管网系统 结构参数优化中含有大量的连续变量和离散变量，运用基于复合型求解方法的组合算法 进行求解，使求解结果更加符合实际。 所采用的方法和技术，在理论研究方面有所创新，在实际应用方面有新意，所开发 的软件对各气田地面管网改、扩、新建均适用，对其它气田天然气管网系统建设具有指 导意义。 4 大庆石油学院硕士研究生学位论文 第1 章天然气管网优化设计概述 近l o 年来，我国探明天然气储量年均以1 2 1 0 “m 3 以上的速度增长，年产量以1 0 以上的速度增长，下游配套建设也在加快进行。以中国石油天然气集团公司为例，截止 1 9 9 8 年底，建产能2 1 9 x 1 0 ”m 3 ，生产天然气1 4 9 7 x 1 0 ”m 3 ，仅为产能的6 8 8 。同时， 由于我国的天然气分布和需求不均，原有的输气管网和储运设施无法满足要求。随着我 国对天然气的勘探、开发力度的加强，大力加强天然气管道建设是天然气工业高速发展 的迫切要求。 1 1 天然气管网现状及发展趋势 1 1 1 天然气管网建设现状 1 国外天然气管网建设现状 自6 0 年代以来，全世界己形成了许多洲际、国际、全国性和地区性的天然气输气 管网。1 9 9 8 年初，世界天然气输配气管网长度共约5 1 9 7 x 1 0 6 k m ，其中北美占4 2 8 。 到1 9 9 7 年末，美国的天然气输配气管网已长达1 9 5 x 1 0 6 k m ( 不包括集气管线) ，其输 气管网占北美地区的8 7 7 。在拉丁美洲，阿根廷和墨西哥国家石油公司及私人作业者 拥有大量管网。这两个国家占该地区输气管网总长度的5 9 1 ，配气管网的9 0 6 。目 前，哥伦比亚的天然气管网也在开发中，现己拥有约1 1 2 0k m 输气管网和2 5 0 0k m 配气 管网。委内瑞拉现在的输气管网长度约6 4 0 0k m 。加拿大还拥有横贯全国的泛加输气管 道，管道总长8 5 0 0k m ，管径从5 0 0 到1 0 0 0n u n ，年输气量达3 1 0 ”m 3 ，是世界上最长 的输气管道。 早在7 0 年代初期，西欧的天然气输配气管网长度就达到4 1 4 1 旷k i n ，是世界管网 总长的1 8 8 ，到1 9 9 7 年，己攀升至2 4 2 。西欧的管网为许多国家提供了管网互联， 把北部( 荷兰) 、东部( 俄罗斯) 和南部( 阿尔及利亚) 的天然气田与欧洲大陆的消费 中心连为一体。1 9 9 7 年中欧、匈牙利和波兰的配气管网占该地区配气管网总长度的 5 7 2 。前苏联在解体之前，它的输气管网长度占世界总长的1 5 6 。白俄罗斯输气公 司拥有5 8 0 0k m 的输气管道和1 4 5 0 0k m 的配气管线。 非洲的阿尔及利亚和埃及分别拥有5 7 7 9k m 和2 9 0 0k m 长的输气管道，占该地区的 5 6 。到1 9 9 7 年底，这两个国家的配气管网长度分别达到了1 4 1 0 0k m 和9 5 0 0k m 。7 0 年代初，中东的天然气管网主要集中在伊朗和伊拉克。1 9 9 8 年伊朗拥有1 1 0 0 0 k m 输气 管道和4 3 0 0 0k m 配气管网，各占该地区的5 1 9 。到了8 0 年代初，沙特阿拉伯的集气 管网m a s t e rg a ss y s t e m 开始运营。现在，它的管网总长己达到1 1 0 0 0k m ，其中配气管 第1 章天然气管网优化设计概述 线长9 0 0 0 k m 。 亚太地区天然气开发时间不长。但有些国家，如澳大利亚、日本和巴基斯坦拥有覆 盖面甚广的天然气管网。马来西亚正在建设的半岛天然气利用管网将为国内的天然气消 费奠定坚实的基础。 目前世界输气干线仍以每年1 4 x 1 0 4 k m 的速度增长。 2 国内天然气管网建设现状 我国一批区域性管网建设【6 】，为市场开拓奠定了基础。在“西气东输”工程建设前， 中国石油天然气集团公司输气管线总长度为9 9 7 2k m ，初步建成了三类区域性管线：川 渝地区的环形管网；陕甘宁气区的放射形管网；各油田建成的一些区域性管网。这些管 网和“西气东输”工程的建成及投入使用改善我国能源消费结构、实现国民经济的可持 续发展和提高人民的生活水平起到了至关重要的作用。 川渝地区是我国天然气运输业较发达的地区。2 0 世纪7 0 年代后，继威成线、沪威 线、卧渝线后，于1 9 8 9 年建成了从渠县至成都的半环输气干线( 北干线) 。这标志着四 川天然气环形管网己形成，这是我国第一个区域性环形管网系统，基木上具备了向用户 安全、平稳供气的能力。历经4 0 年的发展，川渝地区天然气管网基础设施配套己形成 较完善的供应网络。迄今为止，己建成连接四川、重庆等地区的输气管道约6 5 0 0k m ， 占全国天然气管线总长度的2 6 。 涩宁兰管道工程于2 0 0 1 年建成投产，是青海气区为满足题宁及兰州用气而修建的 一条气田外输管道。管道起自青海省柴达木盆地涩北一号气田集气总站，东至甘肃省兰 州西周区，经青海、甘肃两省的1 3 个市区县，线路总长9 3 0k m 。管径6 6 0 m m ，设计压 力6 4 m p a 设计输量2 1 0 9 m 3 a 。 陕京线是我国第一条陆上大口径高压输气管道，1 9 9 7 年建成投产，主要目标市场 是以京津为主的环渤海地区。之后，为满足京津地区日益增长的用气需求和缓解冬季调 峰压力，又相继于2 0 0 0 年、2 0 0 1 年和2 0 0 3 年建成大张沱、板8 7 6 和板中北高点3 座 配套地下储气库。2 0 0 3 年完成对陕京线的扩容改造，增建了灵丘压气站，使管道输气 能力提高。 忠武线是为充分利用川渝地区天然气资源和满足中南地区用气市场需求而修建的 一条川气东输出川管道。该工程是由忠县武汉干线和枝江襄樊、潜江湘潭、 武汉黄石3 条支线组成。管道总长1 3 6 5 k m ，其中忠县武汉干线管道长7 3 8 k m ， 管径7 1 1 m m ，设计压力6 4 m p a ，设计输量3 1 0 9 m 3 a 。该管道已于2 0 0 5 年1 月投入 商业运行。 西气东输管道工程是我国第一条赶超世界先进水平的陆上大口径高压输气管道，输 气规模达到1 2 0 x 1 0 1 0 m 3 a ，管径1 0 1 6 n u n ，输气压力i o m p a 、己子2 0 0 5 年1 月正式投 入商业运营，主要目标市场是河南、江苏、浙江、上海等中东部地区。为保证供气安全， 在冀、鲁、苏地区己开始建设西气东输与陕京二线的联络线冀宁联络管道，这是我 6 大庆石油学院硕士研究生学位论文 国第一条以联络为主要目的的天然气管道。同时，用于调峰的地下储气库也在建设之中。 但是，由于我国的天然气分布和需求不均，现有的输气管网和储运设施无法满足要 求。因此，大力加强天然气管道建设是天然气工业高速发展的迫切要求。 1 1 2 天然气管道发展趋势 当前世界的输气管道发展的总趋势：长运距、大e l 径高压力、网络化、采用高钢级 管道钢，控制管理的自动化和通信技术以及采用高压输送富气技术。 1 长运距 自7 0 年代以来，世界上新开发的大型气田大多数远离消费中心，同时国际天然气 贸易量迅速增加，促使全球输气管道向长距离的方向发展。1 9 8 6 年建成的美国阿拉斯 加输气管道，纵贯加拿大并延伸到美国中西部地区，管线总长7 7 6 4k m 。1 9 9 0 年，前苏 联的西西伯利亚中央输气系统全长4 4 5 1k m 。阿尔及利亚西班牙管线全长2 1 5 0 k m 。我国“西气东输”工程的管线长4 2 0 0k m 。目前在建和计划建设的许多输气管道都 是距离较大的输气管道p 6 j 。 2 加大口径和提高压力 这一发展趋势是与长运距一致的，长距离只有在大口径和大输量的前提下才能体现 其经济性。计算表明：一条管径为1 4 2 0 r a m ，输送压力为7 5 m p a 的输气管道可代替3 条1 0 0 0 m m 、输送压力为5 5 m p a 的管道。前者比后者节省3 5 的投资，节省1 9 的钢 材。目前世界上输气管道最大管径为1 4 2 0 r a m ，陆上输气管道工作压力一般为 7 5 - 8 0 m p a 。阿拉斯加输气管道美国东部支线的工作压力为1 0 m p a ，刚建成的a l i a n e e 管道为1 2 m p a ，穿越西西里海峡的阿意输气管道最大工作压力为1 5 m p a 。 3 网络化 建设输气管网，使输气系统网络化，已成为世界天然气储运的主要发展趋势之一。 自六十年代以来，随着天然气产量和贸易量的增长及消费市场的扩大，全世界形成了洲 际的、国际的、全国性的和许多地区性的大型供气系统。目前欧洲的输气管网已从北海 延伸到地中海，从东欧边境的中转站延伸到大西洋，阿意输气管道的建成实际上己 将欧洲的管网与北非连接起来了。而阿尔及利亚西班牙的输气管道最终将延伸到葡 萄牙、法国和德国，与欧洲输气管网连成一体。 4 高钢级管道钢 目前，世界上干线输气管道均采用高强度合金钢，以达到减少钢材耗量，降低工程 造价的目的。加拿大的统计分析表明，每提高一个钢级可减少建设成本7 。国外输气 管道普遍采用x 7 0 管道钢，少数采用了x 8 0 管道钢。某些公司正在研制x 1 0 0 及更高 等级的管道钢。国内x 7 0 级管道钢和钢管生产技术己趋成熟。西气东输管道完全采用 国产x 7 0 级管道钢，不仅填补了我国高强度大口径螺旋埋弧焊钢管和大口径埋弧焊钢 7 第l 章天然气管网优化设计概述 管制造技术的空白，而且也标志着西气东输管道工程的高强度大口径钢管国产化目标的 实现【3 8 1 。 5 控制管理的自动化和通信技术 随着管道输送规模的不断扩大，对输送过程控制和管理的复杂度也成倍地增加，对 管道输送的安全性、可靠性和经济性的要求越来越高。通过应用计算机、s c a d a 系统 和现代通信技术，管道系统的自动控制和管理进入了一个新阶段。自动化和通信技术己 成为管道系统必要的组成部分。 6 高压输送富气技术 输气压力始终高于富气的临界点，使被输送的介质不出现凝析液，从而大大提高管 输效率。 1 2 天然气管网系统优化设计概述 集输管网的优化，是一个多学科互相交叉运用的河题，涉及到最优化、运筹学、图 论方面的数学理论、技术经济评价以及如何通过计算机实现优化的问题等等方面。天然 气集输管网系统的优化设计主要解决三个问题： ( 1 ) 布局优化问题：确定网络的拓扑形式，即确定管网连接形式以及布站方式； ( 2 ) 位置优化问题：确定中间站的位置； ( 3 ) 参数优化问题：确定各管径、壁厚等参数： 将各个子问题统一起来，求得整个天然气集输管网系统的优化设计方案。 1 2 1 管网系统优化设计技术发展的趋势 天然气管道系统最优化技术与最优化理论和技术的发展息息相关。随着最优化理论 的日益成熟完善，天然气管道系统优化技术得到进一步的发展和推动，但对于天然气管 道工程的特殊性和复杂性，在此领域最优化技术的发展也有自身的特色。 1 多目标化 天然气管道系统的优化问题实质是多目标优化问题，在给定管网布局后对天然气管 道进行结构设计，既要保证其结构可靠度，又不能和以往一样不计成本地进行大余量设 计。设计人员的作用不应该是过去的“分析和校对”而应该是“综合优选”。即在现有 条件下，在满足各种常规约束和可靠性约束下，使天然气管道输送系统的某些性能指标 为最佳，这些指标可以是：降低管网投资、管网的动力能耗指标、管网的热力能耗指标。 而这三个指标是矛盾的，不同目标发生在不同阶段，所以需按一定的过程分阶段进行优 化分析。 减少管道建设的投资，提高管道输送系统的可靠性，降低输送成本是管道运输建设 方面的主要科研课题。管道结构的强度、刚度和稳定性，应作为构成管道系统可靠性总 链条上的重要一环来研究。 8 大庆石油学院硕士研究生学位论文 2 模糊优化 模糊优化的要领是由美国控制论专家l a z a d e h 5 1j 于1 9 6 5 年提出的。它的基本思 想是在考虑事物的模糊性时，用隶属函数作桥梁将其数量化，从而利用传统的数学方法 进行分析处理。自从模糊数学理论提出后就显示出强大的生命力，其应用范围涉及自然 科学、社会科学、工程技术和国民经济等诸多领域【4 7 h 5 们。在油气集输管网系统优化设 计和运行方面也得到广泛应用。 3 灰色优化 1 9 8 2 年，我国邓聚龙教授创立了灰色系统理论。灰色是指信息不完全，灰色系统 是指信息不完全的系统。社会、经济系统一般都是以“灰元”、“灰数”、“灰关系”为特 征的灰色系统。灰色系统理论以其横断面大，渗透性强的特点，正在各个方面得到日益 广泛的应用1 5 6 1 q 5 9 1 。 4 随机优化 客观事物的不确定性是一个普遍的现象。目前对工程设计中不确定性问题的研究已 形成了两个具有本质区别又有深刻联系的领域，一个是前面所提及的用模糊数学的方法 研究与处理，由于事物本身界限的不明确性而造成的不确定性问题。另一个则是用概率 论和数理统计学的方法研究与处理由于随机因素造成的不确定性问题。在概念上，这两 种不确定性是不相同的，前者对事物的本身没有明确的“边界”，因而是一种排中律被 破坏而造成的不确定性；而后者对事物具有明确的含义，但对事物的发生是不可预知的， 因而是一个对因果律掌握不住( 偶然性) 而造成的。不确定性随机优化是利用概率密度 或分布函数将随机性加以定量化。随机优化在机械、军事等方面得到了很广泛应用，可 以预见也将会在油气集输优化方面得到广泛应用【5 4 j 。 1 2 2 最优化数学模型的建立 最优化问题的数学模型是由目标函数和约束条件组成的，而目标函数和约束条件中 又包含着许多设计变量。在设计中可调整的而又必须最终确定其值的各项独立参数即为 设计变量，它既可以是连续变化的，也可以取离散值或整数值。而目标函数是设计变量 的函数，可根据问题的性质不同选择不同的目标函数。在许多实际问题中，设计变量的 取值范围是有限制的或必须满足一定的条件，这样的约束可分为两类。一类是尺寸约束， 用以限制某个设计变量的变化范围或规定某组变量间的相对关系。例如管道直径必须符 合规范系列，壁厚有上下限要求等。另一类是性态约束，它是考虑设计系统的性态或性 能要求而导出的约束条件。例如管道强度要求，在多数情况下，性态约束是隐约束，即 约束函数是设计变量的隐函数。 总之，最优化设计问题就是求一组设计变量的最优值，既满足约束条件又使目标函 数最优。对于一般的可用非线性规划表达的天然气工程设计问题，可统一表述为： f i n d 工= ( 鼍，屯，_ ) r m i n s ( x ) 9 第l 章天然气管网优化设计概述 s t g ，( x ) 0 一薯r 式中 ，( z ) 目标函数； g j ( 工) 约束函数，m 个； 五设计变量，n 个； ，设计变量的下、上限。 - ，；1 ，2 ，历 i = l ，2 ，刀 1 2 3 最优化问题的分类 对于工程优化问题，根据约束条件存在与否可分为无约束优化与有约束优化问题； 根据目标函数和约束函数的性质可分为线性优化与非线性优化问题；根据变量的性质可 分为连续变量优化与离散变量优化问题；根据评价函数的个数可分为单目标优化与多目 标优化问题；根据决定设计的因素、条件是不是确定性的可分为确定性优化与非确定性 优化问题；根据优化问题的解是否随时闯变化可分为静态优化与动态优化【7 】圳o 】。 1 无约束优化与有约束优化问题 变量的变化不受限制，即为无约束优化问题。常用的无约束最优化方法有p o w e l l 法、梯度法、共轭梯度法、牛顿法、d f p 变尺度法等。不同方法之间的差别主要是用不 同的方法选取下降方向和下降点。根据构成搜索方向所使用的信息性质的不同，无约束 优化方法可以分为两类。一类是利用目标函数的一阶或二阶导数的无约束优化方法，如 最速下降法、共轭梯度法、牛顿法及变尺度法等。另一类是只利用目标函数值的无约束 优化方法，如坐标轮换法、单纯形替换法及鲍威尔法等。对于大多数工程问题来说，设 计变量的选择是受到约束限制的，如集输管网中的气量、压力约束及管道中的管径约束 等，就是所谓的有约束优化问题。约束最优化方法根据求解方式的不同可分为间接法和 直接法两大类。间接法是先将约束优化设计问题转化为一系列的无约束优化设计问题， 再调用无约束优化方法来求解。常用的方法有：简约梯度法、惩罚函数法、序列二次规 划算法等。在工程优化设计中，混合罚函数法的应用非常广泛。直接法是在选取下降方 向和下降点时直接判断是否在可行区域内，常用的方法有：约束随机方向法、复合形法、 可行方向法等。这类方法的优点是：算法简单，直观性强，对函数无特殊要求。缺点是： 计算量大，收敛慢，因而效率低。这类方法只适用于维数低、函数复杂、要求精度不高 的问题。 2 线性优化与非线性优化问题 线性优化是指目标函数和约束函数都是设计变量的线性函数。如果目标函数和约束 函数中存在设计变量的非线性函数关系，则称为非线性优化。求解线性规划问题的有效 方法是单纯形法。求解非线性规划问题的方法有罚函数法、随机方向搜索法、复合形法、 可行方向法、简约梯度法及广义简约梯度法、二次规划迭代法等。 l o 大庆石油学院硕士研究生学位论文 3 连续变量优化与离散变量优化问题 连续变量优化是指设计变量在允许范围内是连续变化的。在某些实际应用问题中， 由于工程设计需要符合本行业的设计规范和技术标准，所以某些设计变量只能取整数值 或取离散值。求解这类混合离散变量优化问题的方法有随机搜索法、组合型法、直接搜 索法、试探组合法等。 4 单目标优化与多目标优化问题 单目标优化问题是指评价待设计系统效能的函数只有一个，而在实际工程优化问题 中往往需要对几项设计指标进行最优化。一般说来，单目标优化问题的解是唯一的，而 在多目标优化问题中，各目标函数通常是互相冲突的、不协调的，这造成没有绝对的最 优解，只有“有效解”。因此，多目标优化问题应对优化目标进行协调，某些目标应作 出“让步”，以便对各分目标函数值来说都算是比较好的方案。自从由法国经济学家 v p a r e t o 提出多目标最优化问题以来，特别是上世纪7 0 年代，多目标优化的研究得到 越来越多的重视，并提出了许多求解方法，但比较单目标优化来说，在理论和算法上还 不完善，也不系统。不同的多目标优化方法有各自不同的转化策略，其中几种常用的方 法有统一目标函数法、主目标法、极大极小法等。 5 确定性优化与非确定性优化问题 确定性优化闯题是指构成优化问题的条件、因素等都是确定的。这类问题可以用经 典的数学手段研究。非确定性优化问题是指用以决定设计的一些因素、限制条件等都具 有不确定性。天然气工程设计问题中，主要存在两类不确定性因素：一类是随机性，如 钻头的磨损系数、材料的扭矩等都是随机变量；第二类是模糊性，如集输温度、压力的 限制条件等都具有模糊性。随机性在优化问题中体现为可靠性优化问题；对于模糊性的 研究，需要借助模糊数学的方法，求解模糊条件下的优化问题。由于目标函数和约束的 模糊性，模糊优化问题的解也不是唯一的。在确定了隶属函数后，它的解由模糊优化集 给出，从中求得一个特定的解，涉及对目标和约束的重要性做出评价。 6 静态优化与动态优化 静态最优化是指最优化问题的解不随时间变化，又称为参数最优化问题。而如果最 优化问题的解随时间而变，则称为动态优化问题，即最优控制问题，动态优化是解决多 阶段决策过程最优化的一种方法。 第2 章天然气集输管网布局优化 第2 章天然气集输管网布局优化 2 1 概述 油气集输工程是油气田地面工程的主体工程，也是石油与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原油、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， 其中一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。 目前国内广泛采用的是多级集输流程，所采用的集输系统管网主要有放射状( 或称 为星形) 、枝状和环状，以及这三种的组合形式。放射状管网按照一定的要求将若干气 井划分为一组，每组设一个集气站，各气井天然气通过集气管线纳入集气站，再经集气 支线、集气干线进入集气总站。枝状管网有一条贯穿于气田的主干线，由干线输入到集 气总站。环状管网是将集气干线布置成环状，承接沿线集气站来气，在环网上适当的位 置引出管线至集气总站。 网络是由弧与节点组成的总体，网络的拓扑结构问题就是确定网络中节点之间连接 关系以完成某种特定功能的问题，若是有向网络还要确定弧的方向。与网络有关的组合 最优化问题称为网络最优化问题，就是在网络上找一个特定的子网络，使它的权最小或 最大。网络的最优拓扑结构问题也是一类网络最优化问题，求解的是满足给定的最优化 准则以及约束条件的网络拓扑结构。可以制定经济最优化准则最大利润、最小总费 用、最低成本等：也可以制定技术最优化准则最大可靠性、最快动作等。这些最优 化准则可以作为选择系统功能和系统发展目标的明确策略。天然气管网系统布局优化问