一、 序言
21世纪是世界天然气能源高速增长时期，也是我国天然气作为能源走向成熟时期。目前世界上普遍采用管道方式运输天然气，做好管网系统的优化技术研究，是建设和管理管道网络的重要工作。
国外尤其是西方发达国家天然气工业发展比较早，美国大规模管线建设开始于20世纪20年代，西欧天然气工业开始于20世纪50年代，到20世纪70、80年代长输管道工程设计技术已趋于成熟。
前苏联从60年代开始对供气系统最优化问题进行了大量研究。包括确定干线输气管最优参数数学关系式的一般形式，目标函数采用最少金属耗量、最少投资、最少经营费用或最少折合费用，计算方法采用分析法和方案挑选法。解决方法主要采用解析法如拉格朗日乘数法。将传统最优化技术用于最优线路选择、最优支线布局、管道最佳运行参数优化、工艺流程优选等方面，取得了显著的经济效益。
美国对管道系统的最优设计研究也始于60年代。采用的优化方法有库恩－塔克定理、单纯形法、鲍威尔共轭方向直接搜索法、动态规划法、广义简约梯度法、序列二次规划逼近法、广义几何规划法等。从对管道系统的布局、几何参数、管网各点压力、压气站数及位置、压缩机功率等分别优化，发展到能够将管径、压气站数及位置、压力比等同时进行最优化。
规划应该能够定量评价可靠性，而无需事前假设哪些环境情况会导致系统失灵。60年代，前苏联开始研究干线输气管压缩机组的运行可靠性问题，并就干线输气的线路部分可靠性问题作了研究，提出评价线路部分可靠性的定量指标。
由于历史的原因，目前我国在长输及城市管网方案优化设计中基本上还是采用前苏联的方法，已不能满足目前大规模、极其复杂的管网规划设计的要求。
二、 国外现阶段天然气输气管网优化技术研究
优化设计、优化运行和优化可靠性都属于优化技术。此外管网地理信息系统可以作为管网数据管理的平台。
国外发达国家对天然气管道输送系统的传统优化技术已较为成熟，随着天然气工业的发展，以及计算机技术和应用数学的迅速发展，正在应用新的现代优化技术方法对更复杂输气管道网络系统进行深入研究。各种优化算法如遗传算法、模拟退火算法、禁忌搜索算法、神经网络算法、模糊决策等正逐渐应用于管线布局、工艺流程设计、可靠性设计等。如加拿大马尼托巴大学针对决策者经常遇到几个决策目标发生冲突或在其领域是模糊的问题，开发了神经网络基本结构，决策目标采用最小费用和几何特性，利用神经网络模拟目标函数和参数的关系，设计天然气管线。基于从模糊元理论中提取的逻辑构造，采用多层结构确定决策过程的局部和不同种类的特性。神经网络模拟决策可以确定天然气管线一系列可供选择规划的过程。国外线路选择不仅考虑经济因素，而且对环境因素也格外重视，考虑建设管线整个过程中对环境造成的影响，以及工程完成后尽量不改变周围环境生态，尤其当线路经过特殊保护区和特殊地形时，更是慎重选择。
输气管道系统建成后需要对整个系统的运行进行控制，为了获得经济效益，优化运行技术是必不可少的。国外管道模拟公司组织集和了管道模拟软件技术和管道设计技术，能够通过管道模拟实现管道规划设计和运行控制。英国阿伯丁大学应用人工智能进行油气输送设备运行的模拟与控制，将模糊逻辑应用于管道系统泵站的控制，人工神经网络用于确定重要管道特性。通过人工智能在关于油气输送设备运行的特定问题上的应用，来改善管道系统控制过程的运行和重要的系统参数。
由于输配气管网系统的特性，管网可靠性评价日益重要。国外多家天然气输气公司合作开发PIPESAFE（管道安全）软件包，以逻辑的方式相联结，计算个别及社会性的风险。英国Advantica技术有限公司对管道系统进行风险评估，分析事故发生原因，计算事故发生概率以及造成的后果程度，判断是否可以接受以及确定改进措施。西欧天然气输送公司风险分析的总体目标是对引发不良后果的故障采用定量分析和定性分析进行确认、分类和排序。荷兰采用蒙特卡罗模拟方法定量评价输气系统规划可靠性，对管网多次重复计算失效状态的数量，可估算整个系统失效的概率。另外为解决不确定信息量化的局限性，采用模糊分析法，将模糊性引入到结构安全中，目前油气管线模糊神经网络可靠性评价已得到应用。
随着管网规模的扩大，规划设计与运行管理需要处理大量数据，地理信息系统不仅保留传统形式的信息（文字，数字），还有图形和地区说明，可进行网络设计、设施管理、风险分析、事故处理等。意大利SNAM(国家燃气输送公司)从1989年开始建立S.I.G.A.S-SNAM图形化和字母数字信息系统，帮助管理天然气输配网络。美国运输部管道安全局正在开发全数字全球信息系统GIS数据库，称为全美管道绘图系统NPMS数据库，包括全美所有天然气管道、有害液体管道干线和液化天然气设施。
三、 国内天然气输气管网优化技术研究
我国天然气事业正在蓬勃发展，规划了一系列纵横东西南北的输气大干线，输配气管网规模日益扩大。管网优化技术不可能全依靠进口国外软件，我们有必要紧跟并赶上国际燃气输送技术水平，开发国内自己的输配气管网优化软件。
国内一些大专院校、科研院所、生产企业对天然气管道输送技术进行了许多研究。
对干线输气管线、树枝状输气管线、城市配气管网，在确定管线规划布局以及工艺参数设计方面分别作了研究，编制相关软件。针对管网系统运行管理建立 SCADA 监测控制及数据采集系统。现阶段开始重视对可靠性的研究，进行管道使用寿命的预测、管道事故概率的统计、管线系统风险评估等。
国内一些城市及天然气公司正开发利用GIS地理信息系统，建立输配气管网地理信息系统，使管网设计、运行控制、事故预测等均可在管网地理信息系统基础上进行，得到提高效率、改善性能的良好效果。
哈尔滨工业大学对长输管道输气稳定流动和不稳定流动进行了系统的理论研究，应用四阶龙格—库塔法、隐式有限差分法数值求解稳定流动，应用隐式中心有限差分法数值求解不稳定流动，并对长输管线末端静、动态储气量进行计算。对城市配气管网有着长期研究，进行了静、动态仿真，采用遗传算法进行管网管径优化设计。并编制软件实现以上功能。现正在进行天然气长输管线和城市配气管网的优化设计及可靠性评价研究。其中设计方案优选采用模糊综合评判方法，通过模糊关系运算，确定评判各设计方案的评判指标，得到优选设计方案。可靠性评价采用失效故障树分析，确定影响天然气管线失效的主要因素。通过天然气管线失效故障树的模糊分析，采用模糊逻辑门算子对基本事件概率的模糊值进行计算，得出天然气管线失效事件发生的概率。对天然气管线故障树进行模糊分析，是传统故障树分析的推广，可解决传统故障树分析中基本事件概率难以精确赋值的问题。
四、 结束语
我们国内在天然气输气管网优化技术研究方面做了一些工作，但尚不够完善，涉及长输管线较多，涉及城市管网相对较少，远远不能适应我国西气东输、天然气大发展的形势。目前存在的问题是大专院校、科研院所相对人力资源比较丰富，但缺乏财力的支持，而企业由于繁重的管理工作，工程技术人员无力专门进行科研工作。希望学会能够组织大专院校、科研院所和生产企业的联合，达到资源优化配置，对重大科研项目进行联合攻关。这不仅可以多出成果，快出成果，而且也有利于科研成果迅速转化成生产力。我们学校和西安天然气公司合作，仅用很少的经费，完成的储气优化研究使一次投资节省了8000万元人民币就是一个很好的例证。另外，也希望我们学会建立和国家科技部的沟通渠道，推荐重大科研课题，争取列入国家重点科研项目计划，得到国家科研经费的支持，以便吸纳更多科技人员从事燃气重点科研项目的研究，促进我国燃气事业的发展。
