天然气是一种清洁优质能源，提高天然气在一次能源中的比重，对于优化我国能源结构，缓解我国能源需求紧张和环保压力有着重要的意义。近年来随着天然气开发规模和使用规模的不断增大，天然气输气管线建设也快速发展，天然气输气管线系统日趋庞大和复杂，管线的建设投资和运行费用相应增大，进行天然气输气管线系统进行优化设计和运行研究，对增加管线系统经济效益和保证管线系统安全运行有着重要意义。本文论述了国内外天然气输气管线系统优化设计和动态数值模拟的研究现状。针对天然气输气管线系统优化设计问题，建立了以输气管线系统总费用最小为目标函数的技术经济模型，约束条件包括边界条件约束、管道强度约束和水力学约束等，优化变量为管径、压缩机压比、压缩机出站压力和管壁厚度。利用遗传算法对数学模型进行了求解分析，通过案例计算与方案比较，模型比较合理的反映出管径、输气压力和管壁厚度对总费用的影响，与实际设计数据误差较小，验证了该模型的可靠性。天然气输气管线在运行中由于用户用气量随生产负荷的变化、管道进/分气支线的接通或关闭、压缩机站的启停等原因，导致系统处于非稳态工况。针对输气管线系统非稳态工况的特点，根据流体连续性方程、运动方程和能量方程，分别建立了非稳态快瞬变过程和慢瞬变过程的数学模型，采用特征线法和隐式中心差分法分别对快瞬变和慢瞬变模型进行求解，并分析了特征线法和隐式中心差分法求解偏微分方程的数学方法及边界条件的处理方法。将所建立的模型分别应用于输气管线系统的快瞬变工况案例和慢瞬变工况案例，模拟结果与文献值所描述的管道末端压力变化趋势相同，能够较好的反映输气管线的不稳定运行状态，证明了模型的可靠性，可以用来指导天然气输气管线实际运行操作。