劉定智* 劉定東 李茜

（1.中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院；2.重慶天然氣凈化總廠長壽分廠；3.長興化學(xué)工業(yè)（中國）有限公司天津分公司）

TGNET及SPS軟件在天然氣管道穩(wěn)態(tài)計算中的差異分析和比較

劉定智*1劉定東2李茜3

（1.中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院；2.重慶天然氣凈化總廠長壽分廠；3.長興化學(xué)工業(yè)（中國）有限公司天津分公司）

介紹了天然氣管道前期研究中常用的TGNET和SPS軟件。通過分析兩種軟件的計算內(nèi)核，比較二者在穩(wěn)態(tài)計算理論上的差異。同時，結(jié)合某天然氣管道的實際運營參數(shù)，用兩種軟件分別進(jìn)行了計算和對比。結(jié)果表明，在相同設(shè)置、相同參數(shù)的情況下，TGNET和SPS的計算結(jié)果非常接近，但是又各具特點。因此，軟件選擇是次要的，參數(shù)配置才是提高計算精度的關(guān)鍵。在實際使用中，可以根據(jù)具體情況選擇TGNET和SPS軟件。在管道規(guī)劃、方案比選等前期階段建議采用TGNET；而在管道設(shè)計、生產(chǎn)運行等后期階段，建議采用SPS；對于可行性研究階段，在同樣參數(shù)、同種設(shè)置的條件下，可根據(jù)軟件熟悉程度選用任一軟件。

天然氣；管網(wǎng)；穩(wěn)態(tài)計算；軟件；TGNET；SPS

TGNET和SPS是目前天然氣長輸管道工藝計算中的常用軟件。在天然氣管道工程的前期研究、設(shè)計、運行管理的穩(wěn)態(tài)分析中，這兩款軟件都得到了廣泛應(yīng)用。目前，對這兩款軟件的計算精度存在不同認(rèn)識，一些觀點認(rèn)為 SPS的計算精度明顯高于TGNET。本文就這兩款軟件在天然氣管道前期研究工作中，穩(wěn)態(tài)計算方面的相同點和不同點進(jìn)行分析和比較。

1 TGNET和SPS軟件簡介

1.1 TGNET軟件

TGNET（Pipeline Studio for Gas）是 Pipeline Studio管道軟件分析包中關(guān)于輸氣管道工藝分析的軟件工具。TGNET歷史悠久，能夠?qū)敋夤艿乐械膯蜗鄽怏w進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和動態(tài)模擬，已經(jīng)在全世界得到了廣泛應(yīng)用。同時，TGNET具有圖形界面友好、數(shù)值求解穩(wěn)定、設(shè)備模擬完備、控制方式靈活、約束條件多樣、溫度和氣體跟蹤方式靈活、默認(rèn)值集合詳盡、易學(xué)好用等特點。除此之外，它既能以批處理方式也能以交互（互動）方式操作。在實際使用中，TGNET可以對輸氣管道的正常工況和事故工況進(jìn)行分析，計算管道的設(shè)計、運營參數(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)的工藝參數(shù)。近幾年來，我國的中-緬天然氣管道、陜-京三線等多條輸氣管道可研的工藝計算采用了TGNET。

1.2 SPS軟件

SPS（Stoner Pipeline Simulator）軟件是一套先進(jìn)的瞬態(tài)流體仿真應(yīng)用軟件，它分為氣體和液體兩個模塊，可以分別用于模擬管網(wǎng)中天然氣或油品的動態(tài)流動。目前，SPS已被眾多國際知名工程和建設(shè)公司采用，主要用于管道設(shè)計及分析。在世界各地天然氣管道公司的工程部和規(guī)劃部的日常工作中廣泛應(yīng)用了SPS，一些公司已將SPS視為管道分析的標(biāo)準(zhǔn)。近幾年來，我國的西氣東輸管道二線、澀-寧-蘭管道復(fù)線、蘭-銀管道等多條輸氣管道可研的工藝計算采用了SPS。

2 計算原理比較

與各種管網(wǎng)分析軟件類似，TGNET和SPS都是將實際的天然氣管網(wǎng)抽象成氣源、用戶、管段、各種閥（含阻力件）、壓縮機(jī)等組件，為了連接以上組件，通過引入節(jié)點這一特殊組件將其他組件連接成管網(wǎng)系統(tǒng)。當(dāng)然，這兩款軟件在個別組件上也有差異，如新版的TGNET中引入了儲氣庫組件，而SPS的壓縮機(jī)類型更加豐富，在組件的數(shù)據(jù)采集、邏輯控制方式上也更加強(qiáng)大。

理論上，無論是TGNET還是SPS，均將流體模型、管段模型、壓縮機(jī)模型、各類閥模型、氣源、用戶等結(jié)合到一起，聯(lián)立形成一個大型的方程組，統(tǒng)一計算出管道系統(tǒng)中各點的工藝參數(shù)。在天然氣管道前期研究中，主要用到的組件為管段、壓縮機(jī)（通用壓縮機(jī)和離心壓縮機(jī)）、氣源和用戶?，F(xiàn)分別比較TGNET和SPS中各種組件模型之間的差別。

2.1 流體模型

2.1.1 狀態(tài)方程

TGNET軟件采用Sarem、BWRS、Peng 3種方程，而SPS軟件采用BWRS、AGA、CNGA 3種方程。在實際使用中，通常選用 BWRS，此時兩個軟件的狀態(tài)方程是相同的。

2.1.2 黏度模型

TGNET軟件的黏度分為指定常數(shù)和Lee-Gonzalez-Eakin Orrelation兩種。其中Lee-Gonzalez-Eakin Orrelation公式為：

式（1）中： ——氣體黏度，Pa·s；T——氣體溫度，K； ——氣體密度，kg/m3；Δ——氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的相對密度，無量綱。

SPS軟件的黏度計算公式為：式（2）中： ——指定壓力、溫度下的黏度，Pa·s；0μ——標(biāo)況下的黏度，Pa·s；ΔP——氣體壓力與標(biāo)況壓力差，Pa；ΔT——氣體溫度與標(biāo)況溫度差，K；VPMI——黏度壓力系數(shù)，1/Pa；VTMI——黏度溫度系數(shù)，1/K。

對黏度計算來說，兩個軟件有差別，采用了不同的經(jīng)驗公式，但具體到天然氣上，兩種模型的計算結(jié)果差別很小。

2.2 管段模型

2.2.1 水力模型

對TGNET軟件、SPS軟件來講，水力模型均包括質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程 3個方程。比較TGNET和SPS，對于管段的質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒來說，兩個軟件的水力模型實質(zhì)是相同的，只是由于簡化方式不同，在具體表達(dá)式上稍有差異。

2.2.2 管段摩阻系數(shù)

TGNET的摩阻系數(shù)采用了AGA、Colebrook、Pan（A）、Pan（B）、Weymouth 5種方法，而SPS的摩阻系數(shù)采用了 Colebrook、Nikuradse、Moody、Back-calculate 4種方法。在實際使用中，常用Colebrook公式計算摩阻系數(shù)，此時兩個軟件的摩阻計算方法是相同的。

2.2.3 熱力模型

在Simulation Options對話框的Tracking幀中，TGNET通過不同設(shè)置表示不同的熱力計算模型：一是，不選Temperature、不選Wall temperature，等溫計算；二是，選中Temperature、不選Wall temperature，考慮管道換熱，但只考慮總換熱系數(shù)，不考慮管道各層間的熱量傳遞；三是，選中Temperature、選中Wall temperature，考慮管道換熱，詳細(xì)計算管段各層溫度。

SPS則是通過Thermal Modes editor設(shè)置來表示不同計算模型：ISOTHERMAL模式，等溫模式；THERMAL模式，熱力模式；TRANSTHERMAL，傳熱模式（詳細(xì)計算管道各層溫度）。

對于TGNET和SPS，等溫計算的處理方法是相同的。對于換熱的情況，TGNET和SPS計算方法存在差異，但計算結(jié)果表明，二者的差異較小。

2.3 壓縮機(jī)模型

在TGNET中，壓縮機(jī)模型有3種：通用壓縮機(jī)、離心壓縮機(jī)和往復(fù)壓縮機(jī)。

而在SPS中，壓縮機(jī)模型有6種：通用壓縮機(jī)、離心壓縮機(jī)、理想控制式離心壓縮機(jī)、理論功率流量壓縮機(jī)、往復(fù)式壓縮機(jī)和可變導(dǎo)向葉片式壓縮機(jī)。

在壓縮機(jī)模型上，SPS比TGNET豐富，特別對于壓縮機(jī)的控制，SPS要強(qiáng)大得多。但在天然氣管道前期研究的穩(wěn)態(tài)計算中，常用的壓縮機(jī)為通用壓縮機(jī)和離心壓縮機(jī)兩種。計算結(jié)果表明，在相同輸入條件下，二者的差異不大。

2.4 氣源

在TGNET和SPS中，氣源數(shù)據(jù)均作為計算求解的邊界條件，主要用于控制模型的求解方式，兩種軟件對參數(shù)的設(shè)置基本相同。二者的差異主要在于TGNET對氣源的壓力控制分為了最大和最小壓力兩種，而SPS的壓力控制只有一種。

在TGNET中，主要控制方式有3種：Max Flow（最大流量）、Max Pressure（最大壓力）和 Min Pressure（最小壓力）。

在SPS中，主要控制方式有2種：Flow（流量控制方式）和Pressure（壓力控制方式）。

2.5 用戶

在TGNET和SPS中，用戶數(shù)據(jù)也是作為計算求解的邊界條件，主要用于控制模型的求解方式，兩種軟件對參數(shù)的設(shè)置基本相同。二者的差異主要在于 TGNET對用戶的壓力控制分為了最大和最小壓力兩種，而SPS的壓力控制只有一種。在計算過程中，用戶和氣源的主要區(qū)別在于氣體進(jìn)出管網(wǎng)的方向不同。

在TGNET中，主要控制方式有3種：Max Flow（最大流量）、Max Pressure（最大壓力）和 Min Pressure（最小壓力）。

在SPS中，主要控制方式有2種：Flow（流量控制方式）和Pressure（壓力控制方式）。

3 計算實例分析

為了進(jìn)一步比較說明TGNET和SPS在穩(wěn)態(tài)計算上的差異，現(xiàn)以實際運營的一段管道為例，采用同一參數(shù)、同樣設(shè)置進(jìn)行計算，比較計算結(jié)果。

3.1 管道

首先單獨分析管道的情況。取出某天然氣管道首站出口與第一個壓氣站入口間的管道，該段管道長 170km，管徑 660mm，沿線的里程高程見表 1、圖1。

利用管道SCADA系統(tǒng)采集的2008年各月首日的出入站壓力、溫度和流量數(shù)據(jù)，計算并校核管段末端壓力參數(shù)。

表1 管道里程高程數(shù)據(jù)

圖1 某管道沿線的里程、高程

3.1.1 理想的等溫管道情況

從最簡單的等溫情況入手，假定天然氣流動為等溫過程，用TGNET和SPS分別作等溫模擬（狀態(tài)方程均采用 BWRS，摩阻計算采用 Colebrook），計算結(jié)果見表2、表3。

表2 管道等溫計算結(jié)果

表3 管道等溫計算結(jié)果的誤差分析

從表2、表3可以看出：在相同設(shè)置的情況下，TGNET和SPS的計算結(jié)果差別很?。慌c實際結(jié)果相比，兩款軟件的計算結(jié)果均存在一定誤差，其中一個重要原因是沒有考慮管道沿線換熱對壓力參數(shù)的影響。

3.1.2 考慮換熱的管道情況

將TGNET和SPS模型的計算模式選擇為傳熱模式，輸入相同的環(huán)境溫度、傳熱系數(shù)等參數(shù)，計算結(jié)果見表4、表5。

表4 考慮傳熱后的管道計算結(jié)果

表5 考慮傳熱后管道等溫計算結(jié)果的誤差分析

從表4、表5可以看出：在相同設(shè)置的情況下，TGNET和SPS的計算結(jié)果差別仍然很小；與等溫計算相比，兩款軟件的計算結(jié)果均有了改進(jìn)，平均誤差減小。如果要進(jìn)一步提高精度，還可以考慮采用細(xì)化管道里程和高程，修正換熱系數(shù)，加入各類閥的影響等措施。

3.2 通用壓縮機(jī)計算

在天然氣管道前期研究中，常用的壓縮機(jī)模型為通用壓縮機(jī)和離心壓縮機(jī)。對于通用壓縮機(jī)，考慮到TGNET和SPS的共同特點，統(tǒng)一采用最大功率模式（功率由 SCADA系統(tǒng)采集的自耗氣量折算而來），計算通用壓縮機(jī)的出口壓力，計算結(jié)果見表6、表7。

從表 6、表 7可以看出：在輸入相同功率的情況下，TGNET和SPS的計算結(jié)果差別仍然較??；在個別工況點，TGNET和SPS的計算誤差較大，這是由于通用壓縮機(jī)模型沒有考慮不同轉(zhuǎn)速、不同工況的影響。

3.3 離心壓縮機(jī)計算

鑒于離心壓縮機(jī)在管道工程中的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)重點比較 TGNET和 SPS在離心壓縮機(jī)上的計算差異。某天然氣管道首站離心壓縮機(jī)的性能曲線見表8。離心壓縮機(jī)能頭曲線、效率曲線見圖2、圖3。

表6 通用壓縮機(jī)出口壓力計算結(jié)果

表7 通用壓縮機(jī)出口壓力計算結(jié)果的誤差分析

表8 離心壓縮機(jī)性能曲線

圖2 離心壓縮機(jī)能頭曲線

圖3 離心壓縮機(jī)效率曲線

由SCADA系統(tǒng)采集到的壓縮機(jī)入口壓力、入口溫度、機(jī)組流量，分別計算各時間點上壓縮機(jī)出口壓力，計算結(jié)果見表9、表10。

表9 離心壓縮機(jī)出口壓力計算結(jié)果

表10 離心壓縮機(jī)出口壓力計算結(jié)果的誤差分析

從表9、表10可以看出：在相同設(shè)置的情況下，TGNET和SPS對壓縮機(jī)出口壓力的計算差別較??；TGNET和SPS的壓縮機(jī)出口計算結(jié)果與實際測量值存在一定差異，其主要原因是由于壓縮機(jī)性能曲線取點較少，計算精度偏低。

通過對比天然氣管道前期研究中常用的等溫管段、換熱管道、通用壓縮機(jī)和離心壓縮機(jī)的計算結(jié)果，TGNET和 SPS對這幾種組件的計算結(jié)果很接近。對于氣源和用戶，由于二者只是作為邊界條件體現(xiàn)在管網(wǎng)模型的方程組中，其在 TGNET和 SPS中的處理方法是相同的。

4 結(jié)論

總體來看，在相同設(shè)置、相同參數(shù)的條件下，TGNET和 SPS在天然氣管道穩(wěn)態(tài)計算中的差別很小。因此，軟件選擇是次要的，參數(shù)配置才是提高計算精度的關(guān)鍵。在實際使用中，可以根據(jù)具體情況選擇TGNET和SPS軟件。由于TGNET的界面簡單，操作方便，不必編寫程序，在管道規(guī)劃、方案比選等前期階段建議采用TGNET。而在管道設(shè)計、生產(chǎn)運行等后期階段，建議采用 SPS。另外，如果要進(jìn)行瞬態(tài)計算、邏輯控制和二次開發(fā)時，SPS具有較大優(yōu)勢，建議也采用 SPS。對于可行性研究階段，在同樣參數(shù)、同種設(shè)置的條件下，兩種軟件穩(wěn)態(tài)計算的精度相當(dāng)，可根據(jù)軟件熟悉程度選用任一軟件。

[1] Energy Solutions International. Pipeline Studio (Version 2.0)[Z].2000.

[2] Advantica. Stoner Pipeline Simulator(SPS)9.5[Z].2005.

[3] 蘇欣,章磊,劉佳,等.SPS與 TGNET在天然氣管網(wǎng)仿真中應(yīng)用與認(rèn)識[J].天然氣與石油,2009,27(1):1-3,10.

TGNET and SPS software were commonly used in the earlier-stage research of the natural gas pipeline. The difference in the steady-state calculation between TGNET and SPS software was compared through the analysis of the calculation principle of both. Based on the actual operation parameters of a natural gas pipeline，calculation were conducted by means of TGNET and SPS software respectively. The results showed that under the same setting and same parameters condition，calculation results of TGNET and SPS software were very close，but had different distinguishing features. Therefore，the software selection was secondary，the parameter configuration was the key to improve the calculation accuracy. TGNET and SPS software would be selected on the basis of the concrete condition. In the earlier stage of pipeline planning，plan selection and so on，TGNET software was recommended. In the later stage of pipeline design，operation and so on，SPS software was recommended. For the feasibility study stage，under the same parameters and same settings condition，any one of both could be selected according to the familiarity with the software.

Variance Analysis of TGNET and SPS Software in the Steady-State Calculation of the Gas Pipeline

Liu Dingzhi，et al.

劉定智等. TGNET及SPS軟件在天然氣管道穩(wěn)態(tài)計算中的差異分析和比較. 石油規(guī)劃設(shè)計，2011，22 （5）：18～22

TE832.3，TP319

A

1004-2970（2011）05-0018-05

* 劉定智，男，工程師。2003年畢業(yè)于西南石油大學(xué)儲運專業(yè)，獲碩士學(xué)位。現(xiàn)在中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院從事油氣管道工程前期規(guī)劃研究工作。地址：北京市海淀區(qū)志新西路3號，100083。E-mail：liudingzhi@petrochina.com.cn

2010-04-24

郜婕