（1.中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院；2.中國石油四川銷售分公司；3.中國石油勘探開發(fā)研究院）

0 引言

天然氣工業(yè)具有從勘探、開發(fā)、管輸?shù)戒N售上中下游一體化的特點，是一條緊密聯(lián)系的產(chǎn)業(yè)鏈。天然氣資源供應(yīng)、儲運設(shè)施及市場銷售各環(huán)節(jié)必須緊密銜接，協(xié)調(diào)一致才能確保用戶、特別是不可中斷用戶的需求，否則將造成巨大的經(jīng)濟損失和社會影響。為促進(jìn)天然氣業(yè)務(wù)上中下游一體化協(xié)調(diào)發(fā)展和整體優(yōu)化，在規(guī)劃階段就需要統(tǒng)籌協(xié)調(diào)天然氣各環(huán)節(jié)氣量的平衡，做好產(chǎn)運銷規(guī)劃方案校核，編制出貼近實際的產(chǎn)運銷規(guī)劃方案。

1 產(chǎn)運銷規(guī)劃方案校核

1.1 校核的必要性

天然氣產(chǎn)運銷規(guī)劃方案是編制天然氣業(yè)務(wù)各項規(guī)劃的基礎(chǔ)。該方案是根據(jù)資源、儲運和銷售的發(fā)展趨勢，采用產(chǎn)運銷平衡方法調(diào)整天然氣上游生產(chǎn)、中游儲運、下游銷售各環(huán)節(jié)的氣量，實現(xiàn)三個環(huán)節(jié)的氣量相互協(xié)調(diào)、整體平衡后，得出產(chǎn)運銷規(guī)劃方案。

產(chǎn)運銷平衡主要通過約束管道能力獲得管道輸量平衡，是產(chǎn)運銷規(guī)劃方案的重要工作內(nèi)容。根據(jù)特定資源配置和銷售分布，按設(shè)計工況計算的管道能力與實際運行的管道能力有差別。當(dāng)資源、銷售方案發(fā)生改變時，管道能力隨之變化。如西氣東輸一線西段由于沿線沒有進(jìn)氣和分輸，運行工況和設(shè)計工況相近，輸氣能力可以按設(shè)計能力考慮；而西氣東輸一線東段存在多個氣源進(jìn)入和沿線分輸，資源和銷售的實際工況與設(shè)計工況有差別，輸氣能力不宜再按設(shè)計能力考慮。另外，管道的輸氣能力與資源、銷售分布和進(jìn)出管網(wǎng)氣量密切相關(guān)。管網(wǎng)相互連通后，受其他管道輸量影響，各管道實際輸氣能力與原設(shè)計能力差異很大。只有對依據(jù)管道能力得出的產(chǎn)運銷平衡數(shù)據(jù)進(jìn)行校核，才能判斷產(chǎn)運銷平衡中管道輸量與實際運行能力的貼近程度。產(chǎn)運銷平衡完成后，將上中下游各環(huán)節(jié)氣量分類匯總，才能形成產(chǎn)運銷規(guī)劃方案。

產(chǎn)運銷規(guī)劃方案校核通過細(xì)化各環(huán)節(jié)工藝約束，分析產(chǎn)運銷平衡數(shù)據(jù)，可提前發(fā)現(xiàn)各環(huán)節(jié)局部瓶頸，及時修正產(chǎn)運銷平衡數(shù)據(jù)，進(jìn)而調(diào)整規(guī)劃方案，提高規(guī)劃方案的合理性。產(chǎn)運銷規(guī)劃方案校核流程如圖1所示。

圖1 產(chǎn)運銷規(guī)劃方案校核流程

1.2 天然氣產(chǎn)運銷平衡及校核方法

產(chǎn)運銷規(guī)劃方案校核過程是由生產(chǎn)運行單位利用仿真軟件將天然氣產(chǎn)運銷平衡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成仿真模型，并與實際工況進(jìn)行校核。天然氣產(chǎn)運銷平衡通常采用兩種方法：利用 Excel軟件人工平衡法和利用優(yōu)化模型［1］自動平衡法，兩種方法詳見表1。從表中可以看出，Excel人工平衡法較優(yōu)化模型平衡法在平衡效率和平衡規(guī)模上相差巨大。

表1 Excel人工平衡法和優(yōu)化模型平衡法

目前常用的天然氣管網(wǎng)仿真軟件有：SPS（Stoner Pipeline Simulator）、TGNET（Transient Gas Network）、SynerGEE Gas、WinFlow等。在穩(wěn)態(tài)仿真功能上，以上幾種軟件均能滿足規(guī)劃階段精度要求［2-4］。其中，TGNET軟件界面簡單，操作方便，價格適中，在管道前期規(guī)劃、方案分析和可研比選中普遍使用［5-6］。校核前，先將天然氣產(chǎn)運銷規(guī)劃方案的產(chǎn)運銷平衡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為TGNET模型，再利用TGNET仿真分析，完成方案校核。

平衡方式不同，TGNET模型轉(zhuǎn)換方法也不同。采用 Excel人工平衡法需手工繪制管網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ?，手工輸入或逐一拷貝平衡參?shù)后才能進(jìn)行仿真計算。人工 Excel平衡前，為了減小工作量，需要大幅簡化管網(wǎng)結(jié)構(gòu)，將一條管道在一個省內(nèi)的所有分輸站合并為一個節(jié)點，同一省有幾條管道供應(yīng)就簡化為幾個節(jié)點和客戶，這樣的簡化導(dǎo)致產(chǎn)運銷規(guī)劃方案與管網(wǎng)仿真所需數(shù)據(jù)的顆粒度差別很大。由于數(shù)據(jù)顆粒度不一致，無法直接向TGNET軟件拷貝數(shù)據(jù)，需要人工完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工作。另外，在未來5～10年規(guī)劃期內(nèi)，資源銷售和儲氣庫逐年增加，管道規(guī)劃布局需要按不同年份分別建立逐年的仿真模型。如果存在多個規(guī)劃方案，還要人工建立多個方案的模型，Excel人工平衡法工作量巨大，轉(zhuǎn)化效率很低。

產(chǎn)運銷平衡涉及上中下游多個環(huán)節(jié)，完成各環(huán)節(jié)校核的工作量很大。只有利用優(yōu)化模型自動平衡才能對多條管道、多節(jié)點、多年份、多方案的產(chǎn)運銷規(guī)劃方案進(jìn)行更準(zhǔn)確的模擬校核。如何提高校核效率，開發(fā)高效準(zhǔn)確的校核方法成為近年來工作重點。

2015年以來，規(guī)劃總院逐步采用自主研發(fā)的天然氣產(chǎn)運銷一體化優(yōu)化軟件，開發(fā)了基于KWS腳本的TGNET校核方法，來完善優(yōu)化模型平衡法，完成產(chǎn)運銷平衡及優(yōu)化工作。該軟件分為線性規(guī)劃、混合整數(shù)線性規(guī)劃和含節(jié)點工藝參數(shù)的非線性優(yōu)化三種方法。其中，非線性優(yōu)化部分涉及參數(shù)與TGNET軟件類似，為實現(xiàn)產(chǎn)運銷優(yōu)化模型自動轉(zhuǎn)化為TGNET模型提供了可能。采用這種方法較Excel人工的平衡規(guī)模擴大15倍左右，年度優(yōu)化平衡時間由3天縮短到40分鐘，月度優(yōu)化平衡時間由2周縮短到10小時左右。

2 基于KWS腳本的TGNET校核方法介紹

2.1 KWS腳本與TGNET軟件

TGNET軟件包含*.TGW、*.KWS、*.KEY、*.OCE、*.OSS、*.ODY等多種文件［7］。其中，TGW 文件由軟件用戶創(chuàng)建。TGNET的輸入數(shù)據(jù)包括拓?fù)洹⒐に嚭驮O(shè)置三類，均存儲在TGW文件中。TGNET通過讀寫此文件，完成仿真數(shù)據(jù)交換工作。TGW文件是TGNET專用文件，文件語法和讀寫方式尚未公開，其他程序難以直接通過TGW文件實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

在 TGNET早期版本中，沒有提供圖形建模功能。需要按照公開的KWS語法，編寫KWS文本文件（關(guān)鍵詞文件），人工建立仿真模型。計算前，軟件首先將TGW項目文件導(dǎo)出為KWS文件；計算時，軟件內(nèi)核直接從KWS文件讀取數(shù)據(jù)并計算。新版本的TGNET軟件支持直接導(dǎo)入KWS文件，可在軟件界面上生成仿真模型并導(dǎo)出為TGW項目文件。

由此可見，KWS文件可以選作 TGNET與其他軟件交換數(shù)據(jù)的中間文件。另外，KWS文件是純文本格式，可參照KWS語法規(guī)則，編寫數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序，自動生成KWS文件，將產(chǎn)運銷優(yōu)化模型自動轉(zhuǎn)化為TGNET校核模型。

2.2 KWS主要語法

KWS語法采用不同關(guān)鍵字生成不同組件（下文中[?]表示需要由產(chǎn)運銷優(yōu)化軟件導(dǎo)出的參數(shù)替換）：

（1）節(jié)點：NODE [節(jié)點名稱]，ELEV=[節(jié)點高程] X=[X坐標(biāo)]，Y=[Y坐標(biāo)]；

（2）氣源：XREG [氣源名稱]，AT=[連接節(jié)點名稱]，SUPPLY SOURCE=[流體名稱]，TEMP=[溫度值]， FLMX=[最 大 流 量]， PMAX=[最 大 壓 力]，PMIN=[最小壓力]，MODE=FLMX；

（3）客戶：XREG [客戶名稱]，AT=[連接節(jié)點名稱]，DELIV FLMX=[最大流量]，MODE=FLMX；

（4）管段：PIPE [管段名稱]，UP=[上端連接節(jié)點名稱]，DN=[下端連接節(jié)點名稱]，L=[長度]，ID=[內(nèi)徑]，WT=[壁厚]，KNOT=[管道網(wǎng)格長度]，NWALL=0；

（5）壓縮機：UNITCMP [壓縮機名稱]，UP=[上端連接節(jié)點名稱]，DN=[下端連接節(jié)點名稱]，PDNMX=[壓縮機出口壓力]，MODE=PDNMX STATUS=ON，EFFAD=[絕熱效率]，EFFMEC=[機械效率]，AUXL=0；

（6）調(diào)節(jié)閥：REGU [調(diào)節(jié)閥名稱]，UP=[上端連接節(jié)點名稱] DN=[下端連接節(jié)點名稱]，CV=[CV值]， VSIZE=[外 徑]， PDNMX=[下 端 壓 力 值]，MODE=PDNMX；

（7）阻力件：RESI [阻力件名稱]，UP=[上端連接節(jié)點名稱]，DN=[下端連接節(jié)點名稱]，COEFF=[阻力系數(shù)]；

（8）流體設(shè)置：TYPE [流體名稱]，METHOD=MOLE，C1=[甲烷比例]，C2=[乙烷比例]，C3=[丙烷比例]，IC4=[異丁烷比例]，NC4=[正丁烷比例]，IC5=[異戊烷比例]，NC5=[正戊烷比例]，C6=[己烷比例]，C7+=[碳 7 及以上比例]，CO2=[二氧化碳比例]；

（9）其他設(shè)置：除了添加組件，還要設(shè)置TGNET的狀態(tài)方程、標(biāo)況壓力、標(biāo)況溫度、黏度、是否溫度跟蹤等參數(shù)。這些參數(shù)在常用TGNET模型中的設(shè)置基本相同，可直接按現(xiàn)有設(shè)置寫入。另外，參數(shù)單位由KEY文件設(shè)置，可直接復(fù)制現(xiàn)有TGNET模型的KEY文件完成單位配置。

2.3 組件合并

產(chǎn)運銷優(yōu)化軟件通過 12種組件描述實際的天然氣業(yè)務(wù)鏈系統(tǒng)，包括節(jié)點、氣源、客戶、管段、儲氣庫、固定自耗氣、壓縮機、調(diào)節(jié)閥、阻力件、冷卻器、加熱器、儲氣罐等，詳見表2。

表2 產(chǎn)運銷優(yōu)化軟件包含的組件

不論系統(tǒng)有多龐大，都可以由這 12種組件描述，區(qū)別僅在于連接關(guān)系和具體數(shù)量不同。以上組件與TGNET組件并未完全對應(yīng)。為了適應(yīng)管網(wǎng)校核要求，將產(chǎn)運銷模型組件作如下合并：

（1）取消固定自耗氣。將其轉(zhuǎn)換為天然氣客戶；

（2）取消儲氣庫。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，注氣時轉(zhuǎn)換為用戶，采氣時轉(zhuǎn)換為氣源；

（3）取消冷卻器。規(guī)劃階段校核不考慮溫度影響；

（4）取消加熱器。規(guī)劃階段校核不考慮溫度影響；

（5）取消儲氣罐。只考慮由LNG接收站進(jìn)入管網(wǎng)的氣量，并將其轉(zhuǎn)換為氣源。

其他的節(jié)點、氣源、客戶、管段、壓縮機、調(diào)節(jié)閥、阻力件與TGNET組件對應(yīng)，不必轉(zhuǎn)換。TGNET軟件中某些組件有多種類別時，需要結(jié)合產(chǎn)運銷規(guī)劃方案校核特點，盡量采用簡單組件。如：TGNET含有通用、離心和往復(fù)三種壓縮機，但在校核時，轉(zhuǎn)化為通用壓縮機即可。

2.4 自動轉(zhuǎn)化程序

根據(jù)KWS語法和組件合并方法，可將產(chǎn)運銷優(yōu)化模型自動轉(zhuǎn)換為KWS文件，在TGNET軟件中導(dǎo)入KWS文件，即可生成管網(wǎng)仿真模型，開展方案校核工作，轉(zhuǎn)換程序框圖見圖2。轉(zhuǎn)換程序利用C++語言開發(fā)，由一個父類，三個子類組成，分別是：CGasPTS Tgnet Model（父類）、CGas Tgnet Year（子類）、CGas Tgnet Month Month（子類）、CGas Tgnet Month Year（子類）。父類和子類均包含數(shù)據(jù)庫連接、數(shù)據(jù)載入、錯誤判斷與定位、單位轉(zhuǎn)化、KWS文件生成五個方法。運行時，只需將優(yōu)化模型的數(shù)據(jù)庫地址傳遞給轉(zhuǎn)換程序，轉(zhuǎn)換程序即可依次調(diào)用以上五個方法，讀取數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換生成 KWS文件和 KEY文件，實現(xiàn)年度、月度優(yōu)化模型自動轉(zhuǎn)換。經(jīng)過編譯，可將轉(zhuǎn)換程序封裝成動態(tài)鏈接庫（GasPTS Tgnet_Offline.dll），供其他程序調(diào)用。

圖2 轉(zhuǎn)換程序框圖

為了便于使用，在天然氣產(chǎn)運銷一體化優(yōu)化軟件中增加了“導(dǎo)出為TGNET模型”菜單，將GasPTS Tgnet_Offline.dll動態(tài)鏈接庫嵌入其中，使軟件在優(yōu)化產(chǎn)運銷規(guī)劃方案的基礎(chǔ)上，具備轉(zhuǎn)換生成TGNET模型的功能。利用優(yōu)化軟件導(dǎo)出TGNET模型時，既可以將指定年、月的產(chǎn)運銷方案導(dǎo)出為 TGNET模型，也可以一次性導(dǎo)出所有年或月的TGNET模型，還可以選擇只導(dǎo)出可用組件。由于TGNET軟件暫不支持非連通管網(wǎng)分析，轉(zhuǎn)換程序還提供了自動識別管網(wǎng)系統(tǒng)是否連通，并提示用戶的功能。

3 測試與應(yīng)用

利用天然氣產(chǎn)運銷一體化優(yōu)化軟件，規(guī)劃總院建立了天然氣產(chǎn)運銷優(yōu)化模型，用于優(yōu)化和分析產(chǎn)運銷規(guī)劃方案。該模型包含約1 700條管段、400個資源點以及2 800個用戶，其節(jié)點數(shù)量超過1 500個，涵蓋天然氣資源、客戶，以及儲氣庫、LNG接收站和眾多條管道，較好地反映了產(chǎn)運銷系統(tǒng)實際情況。該優(yōu)化模型拓?fù)鋸?fù)雜、規(guī)模龐大，是測試TGNET模型導(dǎo)出功能的理想案例。測試結(jié)果表明，在天然氣產(chǎn)運銷一體化優(yōu)化軟件環(huán)境下，利用TGNET模型的導(dǎo)出功能，可在4分鐘內(nèi)完成以上模型逐年（10年）KWS文件導(dǎo)出。將生成的KWS文件導(dǎo)入TGNET后，可正常打開，并生成TGW項目文件，實現(xiàn)模型自動導(dǎo)出。實際測試中也發(fā)現(xiàn)TGNET對超過1 000節(jié)點的大型天然氣管網(wǎng)的分析效率不高。當(dāng)分析一個超過1 000節(jié)點的仿真模型時，TGNET需要十幾甚至幾十分鐘。如果按 10年逐年分析，方案校核需要更長的時間。因此，在應(yīng)用TGNET導(dǎo)出方法時，要注意簡化油田管網(wǎng)、關(guān)注重點部分或關(guān)鍵區(qū)域。在前期規(guī)劃階段，應(yīng)突出主要矛盾，忽略次要因素，重點校核管網(wǎng)環(huán)節(jié)。具體建議如下：

（1）當(dāng)原產(chǎn)運銷優(yōu)化模型包含了大量油田內(nèi)部管網(wǎng)和油田周邊客戶時，盡管直接由天然氣產(chǎn)運銷優(yōu)化模型導(dǎo)出TGNET模型技術(shù)上可行，但對干線管網(wǎng)校核沒有實質(zhì)性幫助，反而降低了仿真模型收斂性，增加了運算工作量，校核效率不高。因此，應(yīng)首先在產(chǎn)運銷優(yōu)化模型中簡化油田管網(wǎng)，合并油田周邊客戶。

（2）在規(guī)劃階段，如果方案較多，時間緊迫，可不校核所有管網(wǎng)，只校核關(guān)鍵區(qū)域或重點關(guān)注部分。主要包括：

干線管網(wǎng)。由于支線管道對天然氣管網(wǎng)整體影響較小，可在產(chǎn)運銷優(yōu)化模型中取消支線，將支線用戶簡化合并為干線的一個用戶，方便TGNET模型校核。

呈網(wǎng)狀的區(qū)域。網(wǎng)狀區(qū)域中，各管道能力受其他管道輸量的影響，管道原有設(shè)計能力與實際能力差異較大。因此，需重點對網(wǎng)狀區(qū)域校核。

無壓縮機管道。無壓縮機的管道，輸氣能力主要隨管道兩端壓力變化而變化，需要重點校核。

樞紐站周邊管道。樞紐站是天然氣管網(wǎng)的重要節(jié)點，往往起著承接和疏散資源的重要作用，影響面大，波及范圍廣，也是校核重點。

在天然氣產(chǎn)運銷優(yōu)化模型中，只將重點關(guān)注區(qū)域?qū)С鰹門GNET模型，可大幅縮小仿真模型規(guī)模，提高校核效率。

4 結(jié)束語

校核天然氣產(chǎn)運銷規(guī)劃方案，是實現(xiàn)規(guī)劃業(yè)務(wù)閉環(huán)管理的必要環(huán)節(jié)。利用KWS腳本，可以將拓?fù)?、工藝和設(shè)置等參數(shù)完整轉(zhuǎn)換到TGNET仿真模型。在天然氣產(chǎn)運銷一體化優(yōu)化軟件中嵌入 KWS腳本轉(zhuǎn)化方法，可實現(xiàn)由優(yōu)化模型到工藝校核模型的自動轉(zhuǎn)換，縮短TGNET模型建立和調(diào)試時間，大幅提高校核效率，提前預(yù)判規(guī)劃方案合理性。該方法為開展多方案、多情景校核創(chuàng)造了技術(shù)條件，實用性較強。隨著軟件升級，TGNET開始支持 XML語言（eXtensible Markup Language），未來可以繼續(xù)編寫適應(yīng)XML腳本的轉(zhuǎn)化程序。