天然气集输管网优化研究

1、中国石油大学（华东）现代远程教育毕业设计（论文）题 目： 天然气集输管网优化研究 学习中心：河南农业广播电视学校焦作分校奥鹏学习中心年级专业： 1003级油气储运工程(油气储运方向) 学生姓名： 邓磊 学 号： 1080680007 指导教师： 梁风龙 职 称： 助教 导师单位： 中国石油大学（华东） 中国石油大学（华东）远程与继续教育学院论文完成时间： 2013年 1 月 20日中国石油大学（华东）现代远程教育毕业设计（论文）任务书发给学员 邓磊 1设计(论文)题目： 天然气集输管网优化研究 2学生完成设计(论文)期限： 2012 年 10月 18 日至 2013 年2 月5 日 3设计(论

2、文)课题要求： 简要叙述天然气管网的现状及发展趋势；提出天然气管网系统优化设计的概念及分类；详细解释天然气管网布局及优化，包括井组、站址、干支管等的布局及优化；对川西天然气集输管网的规划进行研究，最后得出合理的结论。 4实验（上机、调研）部分要求内容： 调研国内外天然气管网现状及发展趋势；调研国内外天然气集输管网的规划及存在的主要问题。 5文献查阅要求：尽量广泛阅读文献，但参考文献不宜过多，在广泛阅读的基础上参考高质量的文献。在参考文献中只列阅读过、在正文中被引用过的中外文献资料。 6发 出 日 期： 2012 年 10 月 18 日7学员完成日期： 2013 年1 月 20 日指导教师签名：

3、 梁风龙 学 生 签 名： 邓磊 摘 要天然气输送管道正向着大型化、复杂化的网络系统方向发展。因而，对天然气集输管网系统的优化进行研究具有十分重要的意义。本文在调研大量的文献资料基础上，系统阐述了天然气集输管网系统优化的发展历史和应用现状，研究了天然气集输管网系统布局优化、结构参数优化等问题。本文根据气田开发阶段的不同，以管网投资为目标，提出了管网布局优化模型，该模型不仅是管道长度的函数，还充分考虑了管径对投资费用的影响。天然气集输管网系统是一个密闭的、复杂的系统。天然气集输管网系统优化是在油气田开发地面工程建设中必须首先解决的问题。在固定的管线规格下，保证管线的外输能力，确保管线畅通无阻，解

4、决产气量增加同消耗量不变之间矛盾，都是保障整个天然气集输系统稳定的必要条件。本文通过对数据的分析，对生产运行参数和工艺流程进行优化，有效保证了冀东油田天然气集输地面系统的平稳高效运行。关键词：天然气，管网布局，优化目 录第1章 天然气管网优化设计概述11.1 天然气管网现状及发展趋势11.1.1 天然气管网建设现状11.1.2 天然气管道发展趋势21.2 天然气管网系统优化设计概述31.2.1 管网系统优化设计技术发展趋势31.2.2 最优化问题的分类3第2章 天然气集输管网布局优化42.1 概述42.2 井组划分42.3 站址优化42.4 干支管网布局优化4第3章 川西天然气集输管网系统的规

5、划研究63.1 现状及存在的问题63.1.1 川西集输管网系统建设现状63.1.2 存在的问题63.2 规划的技术原则63.2.1 井区增压开采与管网输送增压的选择63.2.2 管网系统运行压力和流向的确定73.2.3 产供销平衡计划7第4章冀东油田南堡天然气集输管网系统实际生产运行情况8第5章 结论11参考文献11致 谢13第1章 天然气管网优化设计概述近10年来，我国探明天然气储量年均以1.21011m3以上的速度增长，年产量以10%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1998年底，建产能2.181010m3 ，仅为产能的68.8%。同时，由于我国的

6、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

7、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

8、。1.1.2 天然气管网建设现状（1）国外天然气管网建设现状自60年代以来，全世界已形成了许多洲际、国际、全国性和地区性的天然气输气管网。1998年初，世界天然气输配气管网长度共约5.197106 km，其中北美占42.8%。到1997年末，美国的天然气输配管网已长达1.95106 km（不包括集气管线），其输气管网占北美地区的87.7%。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59.1%，配气管网的90.6%。目前，哥伦比亚的天然气管网也在开发中，现已拥有约1120km输气管网和2500km配气管网。委内瑞拉现在的输气管网长度约640

9、0km。加拿大还拥有横贯全国的泛加输气管道，管道总长8500km。管径从500到1000mmm，年输气量达31010m3 ，是世界上最长的输气管道。早在70年代初期，西欧的天然气输配气管网长度就达到4.14105 km，是世界管网总长的18.8%，到1997年，已攀升至24.2%。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、1997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57.2%。前苏联在解体之前，它的输气管网长度占世界总长的15.6%。白俄罗斯输气公司拥有5800km的输气管道和14500km的

10、配气管线。非洲的阿尔及利亚和埃及分别拥有5779km和2900km长的输气管道，占该地区的56%。到1997年底，这两个国家的配气管网长度分别达到14100km和9500km。70年代初，中东的天然气管网主要集中在伊朗和伊拉克。1998年伊朗拥有11000km输气管道和43000km配气管网，各占该地区的51.9%.到了80年代初，沙特阿拉伯的集气管网master gas system开始运营。现在，它的管网总长已达到11000km，其中配气管线长9000km。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

11、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1.4104 km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，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9972km，初步建成了三类区域性管网=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、实现国民经济的可是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。20世纪70年代后，继戚成线、泸戚线、卧渝线后，于1989年建成了从渠县至成都的半环输气干

12、线（北干线）。这标志着四川天然气环形管网已形成，这是我国第一区域性环形管网系统，基本上具备了向用户安全、平稳供气的能力。历经40年的发展，川渝地区天然气管网基础设施配套已形成较完善的供应网络。迄今为止，已建成连接四川、重庆等地区的输气管道约6500km，占全国天然气管线总长度的26%。陕京线是我国第一条陆上大口径高压输气管道，1997年建成投产，主要目标市场是以京津为主的环渤海地区。2003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呵呵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。西气东输管道工程是我国第一条赶超世界先进水平的陆

13、上大口径高压输气管道，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、苏地区已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、大口径高压力、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70年代以来，世界上新开发的大型气田大多数远离消费

14、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。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。(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。(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。(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。(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，对输送过程控制盒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。(6)高压输送富气技术1.2

15、 天然气管网系统优化设计概述1.2.1 管网系统优化设计技术发展趋势（1）多目标化；（2）模糊优化；（3）灰色优化；（4）随机优化。1.2.2 最优化问题的分类（1）无约束优化与有约束优化问题；（2）线性优化与非线性优化问题；（3）连续变量优化与离散变量优化问题；（4）单目标优化与多目标优化问题；（5）确定性优化与非确定性优化问题；（6）静态优化与动态优化。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得一个重要环节，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。目前国内广泛采用的是多级集输流程，所采

16、用的集输系统管网主要有放射状（或称为星形）、枝状和环状，以及这三种得组合形式。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。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。2.2 井组划分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，没一

17、组气井的天然气都在各自的集气战进行汇集处理后，然后外输。其各组所含的气井数取决于地理条件、气井和集气战的生产规模、井位分布等。2.3 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战的数目和站位。很显然集气战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成（网络布局），而用于集输的管线投资业高达每千米数万元，管线总的投资一般要占气田集输系统投资的6070%，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，气井和井位是根据已探明的地层构造，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

18、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。2.4 干支管网布局优化（1）树枝状管网的连接方式优化；（2）树枝状管网中心站的选址；（3）管网布局的确定；（4）管网布局引入steiner点。第3章 川西天然气集输管网系统的规划研究中石化西南分公司川西天然气集输管网系统是在气田陆续发现并投入开发，站、场逐步形成，用户不断增多，由简单到复杂，逐渐扩展、发展形成的。随着气田的滚动勘探与开发建设，管道系统的管龄参差不齐，输气能力差异很大；而且，随着老气田的枯竭和新气田的不断开发及临时性的应急管线的建设，使得管道系统的运行状态越来越复杂，不仅难以实现管网系统运行、管理目标，而且事

19、故时有发生。因此，必须对已建和新建管网进行规划，即在满足天然气生产和用户需求的条件下，使管网系统的投资和营运费用最省，风险最小。3.1 现状及存在的问题3.1.1 川西集输管网系统建设现状川西天然气集输管网所经区域属四川盘地，海拔600m左右，地形以平原和丘陵为主。川西集输管网系统以新彭管线、新青管线、黄金管线、金青管线、青彭管线等5条输气管线为主干线，在川西地区的德阳、广汉、青白江、彭州、金堂等地区内形成了环状输气管网，其余输气管线均以此环为依托，向绵竹、绵阳、都江堰等地呈放射状分布，形成了以干线为依托的环状和放射状相结合的天然气产、供、销集输网络。3.1.2 存在的问题（1）中江、彭州大邑

20、、川东南井研为等新区无外输管线，将严重制约新区产能建设步伐。（2）袁塔管线、德棉管线腐蚀严重。不具备扩展潜力，满足不了安县、绵阳地区的用气需求。（3）心彭线管径小，输量有限，满足不了沿线天然气用户需求和孝一新合气田深层发展需要。（4）齐福站新市站管线管径较小，满足不了齐福的用气需求。3.2 规划的技术原则3.2.1 井区增压开采与管网输送增压的选择由于川西气田的输气管网还没有形成完善的环状管网，输气干线的使用时间不同，腐蚀程度不同，致使管段的承压能力也不一样；而且气田承担用户调峰，压缩机工况变化频繁，气田离用户也较近，采取井区增压开采后，管网运行压力可以维持较低状态，不需要在输气管网上增压。3

21、.2.2 管网系统运行压力和流向的确定由于川西用户市场压力需求变化不大，气田与用户的相对位置也没有发生大的改变，为充分利用气田的压能资源，最大限度地推迟气井增压开采的时间，提高气田开发效益，高压管网运行压力2.02.5mpa，低压管网运行压力1.5mpa左右，遵循环状管网中天然气的流向不发生改变的原则。3.2.3 产供销平衡计划川西气田所产低压气和增压开采所产气量均计划供给川西低压用户，高压气在通过川西输气管网输送满足“十一五”期间川西地区其他各用户用气需求的同时，补充低压用户供气量的不足，从而实现气田生产、管网输送、用户市场的产供销平衡。四、冀东油田南堡天然气集输管网系统实际生产运行情况冀东

22、油田南堡作业区随着开发的不断深入，原有的天然气集输管网系统已经不能满足现在的开发需要。为此，本文通过对南堡作业区天然气集输管网系统的实际生产运行情况及问题的分析对天然气集输管网系统和生产运行参数进行优化。南堡作业区天然气为原油伴生气 天然气集输处理系统核心在先导试验站，处理能力为8o万方天，各岛产出气量见表11。各岛集输来液压力及设定压力见表12。2、天然气集输管网系统存在问题(1)天然气实际外输量超出了设计外输量。南堡作业区日产天然气量95万方 天然气的日消耗量10万方剩余85万方需要外输。然而，压缩机作为天然气外输的核心，其处理能力只有75万方，故天然气的实际外输量超出了设计外输量。(2)

23、各采油队集输汇管压力高出设定压力，单井井口回压升高能耗增大产量降低。3、天然气集输管网系统问题分析天然气集输管网系统是一个密闭的复杂的系统。天然气产量的日益增加同天然气消耗量不变之间的矛盾造成南堡作业区集输管网系统回压升高 从而致使井口回压升高。先导试验站外输管线作为南堡作业区天然气集输管网的最终外输管线管线规格一定外界环境一定所以可根据水平管线基本方程式如下鉴于输气管线几乎都在粗糙区和混合摩擦区工作这一情况西方国家广泛采用输气管线水力摩阻系数的专用公式，威莫斯公式：若管线规格已知则可计算出水力摩阻系数 。由上述推导得知：在相同的管线规格，相同温度变化 外输气量增加 外输起点压力同外输终点压力的平方差增大。天然气集输管网是一个密闭系统，取管线终点单位体积管线作为研究对象 可根据理想气体状态方程单位体积管线的容积不变，实际外输情况下温度变化不大，也视为不变当天然气管网下游用户的用气量保持不变的情况下外输天然气气量增加则n增大 故p增大。管线终点压力增加故管线起点压力增加。因此，造成南堡作业区集输管网系统回压升高 从而导致各岛集输汇管压力升高 单井井口回压升高。4、天然气集输管网系统优化对天然气集输管网系统所存在的问题进行分析并根据分析结果对天然气集输管网系统进行了优化。41天然气集输管网优化投产号岛集输系统，配合陆岸终端联合站投产，优化南堡油田集输