摘 要：天然气集输系统日益庞大，对运行管网进行优化调整可以有效减少费用提高管网的经济效益。文章首先概述了目前国内天然气管网组合形式，之后分别就井组、气田站及集气站管网进行优化分析。
关键词：天然气管网 集输系统 气田站
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。
1. 天然气集输管网概述
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、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。
天然气集输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题是指在给定气源、用户位置的情况下，确定天然气管道输送系统的最优拓扑结构。
2. 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，也是一个投资巨大、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。
2.1 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。根据经验，产量较大的为6～10口井，产量较小的为11～16口井，最多不宜超过20口井。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。井组最优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。
2.2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，气井和井位是根据己探明的地层构造，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。
2.3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，求出最小生成树，但是，当无向树转化为有向树后，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树时，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入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一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、外输及管理中心，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。
3. 结束语
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] 刘武，张鹏，刘祎等. 天然气管网优化调度方法研究[J]. 西南石油大学学报(自然科学版)，2009，(03) .
[2] 潘海源.输油管线优化运行技术研究[D]. 中国石油大学，2007