1. 天然氣集輸管網(wǎng)概述
目前國內(nèi)廣泛采用的是多級集輸流程，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，每組設一個集氣站，各氣井天然氣通過集氣管線納入集氣站，再經(jīng)集氣支線、集氣干線進入集氣總站。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，承接沿線集氣站來氣，在環(huán)網(wǎng)上適當?shù)奈恢靡龉芫€至集氣總站。
天然氣集輸網(wǎng)絡是由弧與節(jié)點組成的總體，網(wǎng)絡的拓撲結構問題就是確定網(wǎng)絡中節(jié)點之間連接關系以完成某種特定功能的問題，若是有向網(wǎng)絡還要確定弧的方向。與網(wǎng)絡有關的組合最優(yōu)化問題稱為網(wǎng)絡最優(yōu)化問題，就是在網(wǎng)絡上找一個特定的子網(wǎng)絡，使它的權最小或最大。網(wǎng)絡的最優(yōu)拓撲結構問題也是一類網(wǎng)絡最優(yōu)化問題，求解的是滿足給定的最優(yōu)化準則以及約束條件的網(wǎng)絡拓撲結構。可以制定經(jīng)濟最優(yōu)化準則——最大利潤、最小總費用、最低成本等：也可以制定技術最優(yōu)化準則——最大可靠性、最快動作等。這些最優(yōu)化準則可以作為選擇系統(tǒng)功能和系統(tǒng)發(fā)展目標的明確策略。天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)布局優(yōu)化問題是指在給定氣源、用戶位置的情況下，確定天然氣管道輸送系統(tǒng)的最優(yōu)拓撲結構。
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，也是一個投資巨大、內(nèi)容復雜的系統(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系、最優(yōu)網(wǎng)絡布局以及最優(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)、地理條件及氣田開發(fā)階段的不同可分為單井集輸流程和多井集輸流程。對于面積較大和井數(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行匯集處理后，然后外輸。其各組所含的氣井數(shù)取決于地理條件、氣井和集氣站的生產(chǎn)規(guī)模、井位分布等。根據(jù)經(jīng)驗，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20口井。氣田集輸系統(tǒng)井組最優(yōu)劃分解決的問題是如何最優(yōu)劃分井組，以使建設投資費用最省。目前，在井組最優(yōu)劃分時，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井組進行劃分，沒有考慮集氣站的集氣量規(guī)模問題。井組最優(yōu)劃分的目標就是確定氣井與集氣站間的最佳隸屬關系，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，以使各氣井到相應集氣站費用最小，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，而且站位的確定又直接影響到整個氣田集輸管網(wǎng)的結構形式(網(wǎng)絡布局)，而用于集輸?shù)墓芫€投資也高達每千米數(shù)萬元，管線總的投資一般要占氣田集輸系統(tǒng)投資的60～70％，因此，研究最優(yōu)化集氣站位問題具有十分重要的實際意義。
氣田地面集輸系統(tǒng)是由氣井、集氣站、壓縮機站等部分組成。一般而言，氣井和井位是根據(jù)己探明的地層構造，在油藏工程設計中確定；集氣站位置一般是建在所轄一組生產(chǎn)井的中間。我國的油氣田地面集輸系統(tǒng)有二級布站和三級布站兩種主要類型，采取二級布站，即先將氣井用星形網(wǎng)絡連接集氣站，再將集氣站用樹枝網(wǎng)絡連接到集氣總站，形成“集氣站一集氣總站”兩級布站系統(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，最終形成氣田集輸系統(tǒng)是本節(jié)所討論的問題。在以往的管網(wǎng)布局優(yōu)化中，一般是根據(jù)圖論知識將問題分解為兩個子問題來考慮，一個是樹枝管網(wǎng)的連接方式優(yōu)化，另一個是中心集氣站的選址問題。在問題一的求解過程中，采用的頂點加權的方法進行加權計算得出最小的流量長度之和，求出最小生成樹，但是，當無向樹轉化為有向樹后，這個最小的流量長度之和不一定就是干線各管段的最小流量長度之和。雖然在中心集氣站的選址問題中考慮了流量的分配問題，目的是為了避免某些管段流量過度集中，造成管徑過大增加費用，這樣，當把問題二的中心集氣站加入到問題一的最小生成樹時，會出現(xiàn)某些集氣站的氣體輸往中心站所經(jīng)過的管線距離過長，而使各管段的流量長度之和沒有達到最小。因此，必須將這些集氣站的氣體進入集氣干線接入點進行適當?shù)恼{(diào)整。求得使整個集氣干線的流量長度之和達到最小的管網(wǎng)布局。
集氣總站的選址問題是屬于上述第二類問題中的中心問題，即在給定的集氣站中選出一個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。集氣總站作為整個氣田中綜合開發(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氣田管網(wǎng)的流量分布，應使管網(wǎng)的流量分配盡可能合理，有利于整個氣田進行最優(yōu)區(qū)域劃分和管網(wǎng)布置。
在優(yōu)化氣田綜合開發(fā)方案時，要在以各集氣站作為頂點組成的網(wǎng)絡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，即集氣總站應處于氣田的中心地帶，以利于對整個氣田的日常管理和維護，這就是網(wǎng)絡的中心問題；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，以防管徑過大，費用增加，這就是網(wǎng)絡圖中的加權問題。
3. 結束語
油氣管網(wǎng)系統(tǒng)是大系統(tǒng)，由于其復雜性、多元性，其優(yōu)化的工作量相當大。當前有必要開展現(xiàn)有設備集輸能力優(yōu)化研究工作，充分利用現(xiàn)有集輸設備的工作能力，確保集輸管網(wǎng)系統(tǒng)安全、高效地運行，并指導集輸設備的更換和改造。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)化設計專用軟件，有待科技工作者和工程技術人員進一步努力開拓。
參考文獻：
[1] 劉武，張鵬，劉祎等. 天然氣管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度方法研究[J]. 西南石油大學學報(自然科學版)，2009，(03) .
[2] 潘海源.輸油管線優(yōu)化運行技術研究[D]. 中國石油大學，2007
