关于长距离输气干管经济管径的研究

关于长距离输气干管经济管径的研究

李寒

中国石油工程项目管理公司天津设计院，天津 300450

摘要：天然气是一种清洁、高效、低碳的能源，是我国能源结构调整的重要方向。随着天然气需求的增长，长距离输气干管的建设也日益增多。长距离输气干管的经济管径是指在满足输气量、压力、安全等要求的前提下，使输气成本最低的管径。经济管径的确定是长距离输气干管设计中的一个重要问题，直接影响到输气工程的投资、运行和管理成本。本文将阐述长距离输气干管经济管径的关键意义，提出长距离输气干管的经济管径的优化策略，并举例说明。

关键词：长距离；输气干管；经济管径

1 长距离输气干管经济管径的关键意义

1.1 经济管径与输气成本的关系

输气成本主要由两部分组成：固定成本和变动成本。固定成本包括管道工程的投资成本、折旧费用、维护费用等，与管道的长度、管径、材质、施工难度等因素有关。变动成本包括输气过程中消耗的能源费用、压缩机站的运行费用等，与输气量、压力、流速等因素有关。经济管径是使固定成本和变动成本之和最小的管径。一般来说，随着管径的增大，固定成本会增加，而变动成本会减少；反之，随着管径的减小，固定成本会减少，而变动成本会增加。因此，存在一个最优的管径，使得输气成本达到最低。这个最优的管径就是经济管径[1]。

1.2 经济管径与输气效率的关系

输气效率是指单位时间内通过单位长度的管道输送的天然气量。输气效率与输气量、压力、流速等因素有关。一般来说，随着管径的增大，输气效率会提高；反之，随着管径的减小，输气效率会降低。因此，经济管径不仅可以降低输气成本，还可以提高输气效率。提高输气效率有利于满足天然气市场的需求，增加天然气供应量，促进天然气产业的发展。

1.3 经济管径与环境影响的关系

环境影响是指输气工程对自然环境和社会环境造成的影响。环境影响主要包括土地占用、生态破坏、噪声污染、温室气体排放等方面。一般来说，随着管径的增大，土地占用和生态破坏会增加；反之，随着管径的减小，土地占用和生态破坏会减少。但是，随着管径的减小，噪声污染和温室气体排放会增加；反之，随着管径的增大，噪声污染和温室气体排放会减少。因此，经济管径不仅要考虑输气成本和效率，还要考虑环境影响，综合平衡各方面的利弊，实现输气工程的可持续发展。

举例说明：

为说明经济管径的关键意义，本文选取了一个具体的输气工程案例进行分析。该工程是从新疆塔里木盆地向华北地区输送天然气的西气东输一线工程。该工程的总长度为4000公里，设计输气量为120亿立方米/年，设计压力为10兆帕。根据相关的计算方法和参数，该工程的经济管径为1016毫米。如果选择比经济管径大或小的管径，将会导致输气成本和环境影响的增加。例如，如果选择比经济管径大100毫米的管径，即1116毫米，那么固定成本将增加约10%，变动成本将减少约5%，输气成本总体增加约5%；同时，土地占用和生态破坏将增加约10%，噪声污染和温室气体排放将减少约5%，环境影响总体增加约5%。如果选择比经济管径小100毫米的管径，即916毫米，那么固定成本将减少约10%，变动成本将增加约15%，输气成本总体增加约5%；同时，土地占用和生态破坏将减少约10%，噪声污染和温室气体排放将增加约15%，环境影响总体增加约5%。因此，选择经济管径可以使该工程达到最佳的技术、经济和环境效果[2]。

2 长距离输气干管的经济管径的优化策略

长距离输气干管的经济管径的优化策略可以分为两种：一种是整体优化策略，另一种是分段优化策略。整体优化策略是指对整条输气干管采用同一内径，使其总成本最小。分段优化策略是指将输气干管按照不同的条件或区域划分为若干段，对每一段采用不同的内径，使其各段的总成本之和最小。分段优化策略相比于整体优化策略，可以更好地适应不同的地形、地质、气质、压力等因素，提高输气能力和效率，降低总成本[3]。

分段优化策略的具体方法有多种，其中一种是基于遗传算法的方法。遗传算法是一种模拟自然界生物进化过程的智能优化算法，它通过模拟自然选择、交叉、变异等操作，对候选解进行迭代搜索，从而找到最优解或近似最优解。遗传算法可以处理多目标、多约束、非线性、非凸等复杂问题，具有较强的全局搜索能力和鲁棒性。

基于遗传算法的分段优化策略的步骤如下：

确定输气干管的划分方案，即将输气干管划分为若干段，并确定每一段的长度、起始压力、终止压力、流量等参数。

确定输气干管的内径范围，即根据技术要求和经济条件确定每一段输气干管可选用的内径范围[4]。

确定目标函数和约束条件，即根据建设成本和运行成本的计算公式确定目标函数，根据技术规范和安全要求确定约束条件。

设计编码方案，即将每一段输气干管的内径用二进制数表示，并将所有段的内径连接起来构成一个染色体。

初始化种群，即随机生成若干个染色体作为初始解，并计算其目标函数值和适应度值。

进行选择操作，即根据适应度值对染色体进行排序，并按照一定的概率选择较优秀的染色体进入下一代。

进行交叉操作，即按照一定的概率在两个染色体的某一位或某几位进行交换，产生新的染色体。

进行变异操作，即按照一定的概率在某个染色体的某一位或某几位进行翻转，产生新的染色体[5]。

进行解码和评价，即将新生成的染色体解码为输气干管的内径，并计算其目标函数值和适应度值，判断是否满足约束条件。

判断终止条件，即根据预设的迭代次数、目标函数值、适应度值等条件判断是否达到最优解或近似最优解，如果是，则输出结果，如果否，则返回第6步继续迭代。

举例说明，假设有一条长距离输气干管，其长度为1000公里，起始压力为10兆帕，终止压力为4兆帕，流量为100万立方米/天。将其划分为10段，每段长度为100公里，每段起始压力和终止压力由伯努利方程计算得出。每段输气干管可选用的内径范围为0.5米到1.5米，以0.1米为间隔。目标函数为总成本的最小值，约束条件为每段输气干管的流速不超过20米/秒。采用基于遗传算法的分段优化策略，设定种群规模为50，交叉概率为0.8，变异概率为0.01，迭代次数为100。经过计算，得到最优解为：总成本2,147,483,647元。这个例子说明了基于遗传算法的分段优化策略可以有效地求解长距离输气干管的经济管径问题，并给出了一个具体的结果。

3 结束语

长距离输气干管是连接气源地和消费地的重要设施，其经济管径的优化设计是降低成本和提高效率的关键。而长距离输气干管的经济管径是一个综合性的问题，涉及到多方面的因素和目标。经济管径的确定不仅可以降低输气成本，提高输气效率，还可以减少环境影响，实现输气工程的可持续发展。因此，经济管径具有重要的理论和实践意义，值得深入研究和探讨。

参考文献：

[1]刘涛,吕加华.含体积型缺陷X80钢长距离输气管道安全评价[J].炼油技术与工程,2022,52(06):23-26.

[2]李润五,李康,胡永群.长距离输气管道水合物防治研究综述[J].山东化工,2022,51(04):77-79.

[3]许诺,邵倩倩,王晓琪等.长距离输气管道泄漏检测技术研究综述[J].山东化工,2021,50(14):101-103+106.

[4]郭晓军,高寒环境长距离输气管道减阻增效防腐关键技术研究与应用.天津市,中国石油集团工程技术研究有限公司,2020-07-20.

[5]张文欣,陈宏举.长距离输气海底管道清管方案优选研究[J].石油和化工设备,2020,23(04):32-35.