在天然气田地面工程的建设过程中,集输管网系统作为地面工程的核心,投资费用巨大。本文针对目前天然气田星枝状集输管网布局设计求解中多为分级优化、递进优化,得到的结果通常为局部最优设计,开展了基于离散空间的气田星枝状管网布局整体优化设计研究。本文通过调研国内外天然气田管网布局结构以及布局优化方法,针对天然气田管网布局优化中的分级优化和整体优化设计研究进行了讨论,总结了分级优化的特点,基于分级优化的目标函数和约束条件,提出了以基于遗传算法为核心思想的气田星枝状管网布局分级优化求解算法,并在该算法思想基础上,对气田星枝状管网布局整体优化设计进行了研究,进一步提出了基于离散空间的气田星枝状管网布局整体优化算法,优化了气田星枝状管网布局的求解结果。本文主要完成了如下几个方面的研究成果和结论:(1)考虑离散空间特性,对天然气管网结构形态进行了介绍,对星-枝状管网布局结构进行了详细描述并提出了相应的数学模型和分级优化的设计思路,将传统布局分级优化中井组划分、站场/阀组选址优化、干支管网连接和管网结构参数优化整合为井组-阀组选址优化,干支管网连接优化和管网结构参数优化。(2)对传统遗传算法特性进行介绍,并以遗传算法为思想,考虑气田星枝状集输管网结构特性,对算法进行改造设计,进行气田星枝状管网分级优化求解算法的设计和实现,包括了井-阀组对应整体编码、制定管网求解适应性函数,以编码设计为依据对选择方式、交叉和突变算子进行了设计改进,并在改进后通过OR-LIBRARY数据库中的测试数据与其他算法进行对比测试,验证算法的可行性;对星状井组划分后的枝状管网连接进行了设计,对比计算复杂度采用Kruskal进行枝状管网连接设计,并在连接设计完成后,对管网结构参数优化进行了讨论。(3)在气田星枝状管网分级优化的设计基础上,进行基于离散空间的气田星枝状管网布局整体优化设计。将井组-阀组选址优化,干支管网连接优化整合为星枝状管网设计优化,将分级优化设计中的星状采气管网求解和枝状集气管网求解整合为一个整体进行求解,保证每次求解过程中的个体都是一个完整的气田布局设计。(4)在基于离散空间的气田星枝状整体布局优化模型和基于离散空间的气田星枝状管网布局分级优化求解算法为基础,对整体优化设计求解方法进行算法设计研究,在进行求解时,引入归一化和协方差矩阵,在遗传算法的进化求解中,规避了遗传算法一贯的无梯度性和随机性,间接增加了遗传算法的梯度下降趋势,增加了遗传算法的进化精准性。在进行突变操作时,引入“小生境”思想,通过对比选定突变编码的多个“局部遗传”选定最优解,从而达到提高突变效率的结果;将枝状连接整合至遗传算法中每个个体的求解方式里,将星状和枝状整合为一组编码,保证在遗传算法的计算中种群中所有个体都是满足约束条件的设计方案,在进行枝状设计时,利用2-opts算法与kruskal算法相结合,在进行管网连接时,与管网结构参数设计相结合,使求解考虑情况更充分,进一步强化求解算法的整体性,保证考虑连接不存在满足局部星状井组划分最优下时,无法得到枝状管线连接方式的设计方案。(5)针对气田星枝状集输管网整体优化求解算法进行程序编译设计,考虑到程序设计的复杂性和可读性,以及本文中讨论气田集输管网布局的不完整性,因此进行编译的程序应有较好的可扩展性,根据上述情况本文采用java语言,利用springboot+vue+mybatis框架进行星枝状管网布局整体优化算法求解的设计,保证程序具有良好的可读性和可扩展性。(6)以国内某煤层气田为例,在原有管网布局设计研究基础上,分别通过分级优化和整体优化进行求解,得到分级优化和整体优化的设计结果并进行对比,验证算法的可行性。研究认为,对离散空间下的气田星枝状管网布局设计而言,设计特定的求解算法对模型求解有优化效果,且整体优化效果优于分级优化。