劉定智　張?jiān)獫×簢?yán)

摘 要 介紹天然氣產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)優(yōu)化的業(yè)務(wù)需求、技術(shù)進(jìn)展及應(yīng)用效果，并對天然氣產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)未來的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞 天然氣 產(chǎn)業(yè)鏈 系統(tǒng)優(yōu)化 天然氣量 價耦合優(yōu)化

中圖分類號 TK01? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A? ?文章編號 1000-3932（2023）05-0632-13

中國的天然氣產(chǎn)業(yè)鏈已成為世界上最龐大、最復(fù)雜的能源系統(tǒng)之一，天然氣產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)模大、鏈條長、優(yōu)化潛力大，開展產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)優(yōu)化，對保障產(chǎn)業(yè)鏈安全平穩(wěn)高效運(yùn)營具有重要的社會意義和經(jīng)濟(jì)價值。

1 天然氣產(chǎn)業(yè)鏈概述

天然氣產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)侵敢蕴烊粴饧捌涓碑a(chǎn)品的產(chǎn)出、輸送或消費(fèi)作為紐帶所形成的上游、中游、下游關(guān)聯(lián)銜接的產(chǎn)業(yè)集合［1］。完整的天然氣產(chǎn)業(yè)鏈包括上游、中游和下游。一般來說，天然氣勘探開發(fā)統(tǒng)稱為上游，天然氣儲運(yùn)設(shè)施稱為中游，天然氣消費(fèi)利用統(tǒng)稱為下游［2］。天然氣產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)眾多，相關(guān)聯(lián)的行業(yè)數(shù)量眾多，相互關(guān)系錯綜復(fù)雜。與一般產(chǎn)業(yè)鏈相比，天然氣產(chǎn)業(yè)鏈具有其特殊性：一是天然氣是不可再生的稀缺自然資源；二是天然氣的運(yùn)輸方式具有較強(qiáng)的壟斷性；三是天然氣需求與供應(yīng)往往不匹配，供需矛盾突出。

1.1 產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)成

1.1.1 上游資源

天然氣產(chǎn)業(yè)鏈上游主要涉及天然氣生產(chǎn)與供應(yīng)。上游環(huán)節(jié)包括國產(chǎn)資源和進(jìn)口資源。

國產(chǎn)資源主要包括國內(nèi)油氣田、煤層氣田、煤制氣工廠等生產(chǎn)的天然氣。油氣田是國產(chǎn)天然氣的主力。2022年，國產(chǎn)天然氣資源量2 000 億立方米，其中油氣田產(chǎn)量達(dá)1 860 億立方米，占比93%。油氣田天然氣生產(chǎn)可細(xì)分為勘探、鉆井、采氣、集輸、加工（含凈化）、外輸?shù)榷鄠€環(huán)節(jié)。

進(jìn)口資源主要包括進(jìn)口LNG和進(jìn)口管道氣。2006年6月，廣東大鵬LNG接收站投產(chǎn)，標(biāo)志著我國開始擁有多元化的天然氣資源來源。2009年12月，中亞天然氣管道投產(chǎn)，開啟了我國進(jìn)口管道氣的歷史。2022年，我國進(jìn)口天然氣資源

1 508 億立方米，約占總資源量的43%。其中，進(jìn)口LNG 876 億立方米，進(jìn)口管道氣632 億立方米，詳見表1。

1.1.2 中游儲運(yùn)

天然氣產(chǎn)業(yè)鏈中游主要涉及天然氣運(yùn)輸與存儲。中游環(huán)節(jié)包括天然氣管道、地下儲氣庫（以下簡稱儲氣庫）、液化天然氣接收站（以下簡稱LNG接收站）、液化工廠、LNG運(yùn)輸車、LNG運(yùn)輸船、CNG運(yùn)輸車等。其中，天然氣管道、LNG運(yùn)輸車、CNG運(yùn)輸車主要用于運(yùn)輸，儲氣庫主要用于調(diào)峰，LNG接收站可用于接卸和調(diào)峰，液化工廠主要用于生產(chǎn)LNG。

截至2022年，全國天然氣管網(wǎng)規(guī)模達(dá)到1.18×105 km，建成儲氣庫38座，工作氣量共計191 億立方米。已建成LNG接收站24座，年接卸能力共計1 億噸。

1.1.3 下游市場

天然氣產(chǎn)業(yè)鏈下游主要涉及天然氣銷售與利用。下游環(huán)節(jié)的天然氣，一部分銷往直供用戶；一部分銷往分銷商，分銷商再通過自建的輸配氣管網(wǎng)、運(yùn)輸車輛等銷售到各終端用戶。根據(jù)利用方向，天然氣下游通?？煞譃槌鞘腥?xì)狻⒐I(yè)燃料、天然氣發(fā)電和天然氣化工4類。

1.2 產(chǎn)業(yè)鏈分類

按照不同相態(tài)，天然氣產(chǎn)業(yè)鏈可分為氣態(tài)和液態(tài)兩類。從供銷規(guī)?？矗烊粴猱a(chǎn)業(yè)鏈以氣態(tài)為主，液態(tài)為輔。以2022年為例，全國共消費(fèi)天然氣3 663 億立方米，其中氣態(tài)3 263 億立方米、液態(tài)400 億立方米，氣態(tài)約占89%。

天然氣產(chǎn)業(yè)鏈上、中、下游各環(huán)節(jié)相互交織，各環(huán)節(jié)內(nèi)部還包含子鏈條，如：天然氣上游環(huán)節(jié)主要包含資源，但也涉及管網(wǎng)和銷售。目前國內(nèi)部分氣田的上游產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)模已十分龐大，例如：西部某油氣田，已投入開發(fā)氣田110余個，含氣構(gòu)造67個；已建成“三橫、三縱、三環(huán)、一庫”的天然氣采集、凈化、輸配、銷售系統(tǒng)，管道長度近

5×104 km，年輸配能力達(dá)到600 億立方米，形成了上連3 000座采（集）氣站、18座凈化廠，下接大中型工業(yè)及公用事業(yè)用戶1萬余家、2 500余萬戶居民的復(fù)雜產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)［3］。

下游環(huán)節(jié)主要涉及市場，但也涉及資源和管網(wǎng)。天然氣下游環(huán)節(jié)通常涉及城市燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)、終端用戶等。城市燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)一般包括門站、調(diào)壓設(shè)施、燃?xì)夤芫W(wǎng)、儲氣設(shè)施、管理設(shè)施、監(jiān)控系統(tǒng)等基礎(chǔ)設(shè)施。目前，國內(nèi)部分天然氣下游企業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)模也相當(dāng)龐大，如：北方某燃?xì)夤?，已形成天然氣管?.8×104 km，居民用戶644萬戶，工商服用戶6 800戶，總銷售氣量超過180 億立方米的復(fù)雜產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)，同時還新建LNG接收站，開辟新的資源渠道。

天然氣中游環(huán)節(jié)包含氣態(tài)和液態(tài)兩種產(chǎn)品鏈條。氣態(tài)鏈條，氣源經(jīng)國家主干管網(wǎng)輸往省級支線管網(wǎng)，再由省級支線管網(wǎng)經(jīng)城市輸配氣管網(wǎng)轉(zhuǎn)供終端用戶；液態(tài)鏈條由接收站接卸LNG后，經(jīng)槽車直接運(yùn)送至終端用戶或經(jīng)氣化站氣化后再向終端用戶供應(yīng)。氣、液兩種鏈條間可部分轉(zhuǎn)化，部分LNG經(jīng)接收站氣化后可進(jìn)入主干管網(wǎng)，主干管網(wǎng)的天然氣也可通過LNG工廠液化，再利用LNG槽車運(yùn)輸。

1.3 產(chǎn)業(yè)鏈流程

中國的天然氣產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)已成為世界上最龐大、最復(fù)雜的能源系統(tǒng)之一，產(chǎn)業(yè)規(guī)模、管網(wǎng)里程、覆蓋人口、用氣區(qū)域居世界前列［4］。2022年，全國天然氣消費(fèi)量達(dá)3 663 億立方米，居世界第三。LNG進(jìn)口量6 344 萬噸，居世界第二（2021年進(jìn)口7 700 萬噸，居世界第一），統(tǒng)一調(diào)度運(yùn)行的管網(wǎng)規(guī)模世界第一。

如圖1所示，天然氣產(chǎn)業(yè)鏈主要運(yùn)行流程具體描述如下：

a. 油氣田（常規(guī)氣和頁巖氣）氣井生產(chǎn)的天然氣經(jīng)油田集輸管網(wǎng)進(jìn)入處理廠或處理裝置。處理完成后，一部分經(jīng)油田外輸管網(wǎng)進(jìn)入長輸管網(wǎng)，之后經(jīng)銷售環(huán)節(jié)供應(yīng)直供用戶或再經(jīng)中間商轉(zhuǎn)供終端用戶；另一部分直接經(jīng)油田外輸管網(wǎng)在周邊銷售；還有少部分天然氣進(jìn)入液化工廠生成LNG，再經(jīng)LNG槽車供應(yīng)終端用戶。

b. 地面或井下抽采的煤層氣通過提純、壓縮、凈化等工藝后，一部分在煤層氣田周邊銷售；另一部分增壓進(jìn)入長輸管網(wǎng)銷售；還有一部分液化生成LNG，再經(jīng)LNG槽車供應(yīng)終端用戶。

c. 煤制氣工廠來氣，一部分在周邊銷售；一部分增壓進(jìn)入長輸管網(wǎng)銷售；一部分液化生成LNG，再經(jīng)LNG槽車供應(yīng)終端用戶。

d. 進(jìn)口管道氣主要經(jīng)長輸管網(wǎng)對外銷售。

e. 進(jìn)口LNG經(jīng)接收站接卸后，分為兩部分，一部分氣化后，進(jìn)入長輸管網(wǎng)對外銷售；另一部分直接通過LNG槽車液態(tài)銷售。長輸管網(wǎng)中也有少部分天然氣進(jìn)入液化工廠，生成LNG后經(jīng)LNG槽車供應(yīng)終端用戶。

1.4 產(chǎn)業(yè)鏈特點(diǎn)

天然氣產(chǎn)業(yè)鏈有如下特點(diǎn)：

a. 天然氣上、中、下游各環(huán)節(jié)必須緊密銜接、協(xié)調(diào)一致；

b. 供氣系統(tǒng)的供氣量取決于市場需求，而天然氣的市場需求不僅隨季節(jié)、晝夜、氣候以及用戶的生產(chǎn)或生活方式等因素變化，還受整個能源市場供求形勢、價格波動影響；

c. 必須保證用戶，特別是不可中斷用戶的用氣需求，否則將造成巨大的經(jīng)濟(jì)、社會影響；

d. 資源勘探、產(chǎn)能建設(shè)、管道和儲氣設(shè)施建設(shè)以及應(yīng)急方案準(zhǔn)備必須提前安排計劃和實(shí)施；

e. 天然氣管網(wǎng)、儲氣庫、LNG接收站等基礎(chǔ)設(shè)施投資大、運(yùn)行費(fèi)用高，優(yōu)化潛力大。

以上特點(diǎn)要求天然氣產(chǎn)業(yè)的規(guī)劃、計劃和運(yùn)行要做好上、中、下游整體布局和協(xié)調(diào)推進(jìn)，促進(jìn)天然氣產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。

2 天然氣產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)優(yōu)化需求

2.1 產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)優(yōu)化的必要性

天然氣產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，給產(chǎn)業(yè)鏈安全平穩(wěn)運(yùn)營帶來一系列挑戰(zhàn)：

a. 天然氣生產(chǎn)和供應(yīng)更加多元化，同時也產(chǎn)生了進(jìn)口氣比例提高和不確定性增加的問題。在產(chǎn)業(yè)鏈布局過程中，要充分考慮天然氣資源的量、價及不確定、不穩(wěn)定等因素。

b. “全國一張網(wǎng)”骨架初步形成，天然氣調(diào)運(yùn)更加靈活。流向多樣疊加地域廣闊，使天然氣儲運(yùn)設(shè)施的規(guī)劃運(yùn)營更加復(fù)雜。

c. 天然氣市場不斷發(fā)展，銷售量持續(xù)增長，調(diào)峰壓力逐步增加。調(diào)峰需求與保供能力之間的矛盾始終突出。

為此，需要加強(qiáng)天然氣產(chǎn)業(yè)鏈分析，按多方案、多情景優(yōu)化天然氣流向，提前預(yù)判儲運(yùn)設(shè)施能力瓶頸，優(yōu)化資源配置、市場銷售和儲運(yùn)設(shè)施的布局以及建設(shè)方案。

2.2 產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)優(yōu)化難點(diǎn)

天然氣產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)優(yōu)化是一項(xiàng)復(fù)雜的科學(xué)問題，涵蓋資源、市場、管網(wǎng)、儲氣庫及接收站等多個環(huán)節(jié)，涉及量、價、成本、效益、投資、安全等多種要素，系統(tǒng)分析難度大，主要表現(xiàn)在：

a. 系統(tǒng)規(guī)模龐大。涵蓋十萬公里級管網(wǎng)，涉及10萬個規(guī)模以上企業(yè)，連接5.2億人口，數(shù)百個氣田、儲氣庫及LNG接收站。

b. 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜。天然氣管網(wǎng)多環(huán)路、網(wǎng)絡(luò)狀，存在雙向聯(lián)絡(luò)和互聯(lián)互通。

c. 水力學(xué)系統(tǒng)的非線性和不連續(xù)性。管道壓力和輸量成高度非線性關(guān)系、管網(wǎng)壓力等級多樣。

d. 工程與社會的交互問題。涉及安全、保供、風(fēng)險、社會穩(wěn)定等。

我國天然氣產(chǎn)業(yè)正處于快速發(fā)展期，未來十年仍將是天然氣發(fā)展的黃金階段。在天然氣“全國一張網(wǎng)”不斷拓展擴(kuò)容形勢下，天然氣產(chǎn)業(yè)鏈的體量規(guī)模仍將持續(xù)擴(kuò)大。

2.3 產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)優(yōu)化特點(diǎn)

鑒于資源、市場和儲運(yùn)設(shè)施的復(fù)雜性，天然氣產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)優(yōu)化宜分層進(jìn)行、逐步細(xì)化：

第1層（規(guī)劃層），首先解決天然氣宏觀流向流量問題，重點(diǎn)確定天然氣各資源供多少，各省銷多少，如何調(diào)運(yùn)。需要確定各氣源供應(yīng)量、各省銷售量、各輸氣干線調(diào)運(yùn)量、各儲氣庫凈注氣量、各LNG接收站接卸量等年度產(chǎn)運(yùn)儲銷方案。

第2層（計劃層），以按年、分省產(chǎn)運(yùn)儲銷方案為基礎(chǔ)，按實(shí)際客戶細(xì)分銷售量，按月考慮供氣和用氣不均勻性，逐月細(xì)化天然氣流向、流量，確定各管道逐月輸量，各儲氣庫逐月注采氣量和儲氣量，各LNG接收站逐月接卸量、氣化量及罐存量等生產(chǎn)計劃。

第3層（穩(wěn)態(tài)運(yùn)行層），以天然氣分月產(chǎn)運(yùn)儲銷計劃為基礎(chǔ)，采用管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)仿真或穩(wěn)態(tài)優(yōu)化等技術(shù)，細(xì)化運(yùn)行方案，提前預(yù)判管道瓶頸，制定未來一季度、半年或一年內(nèi)分月運(yùn)行方案。

第4層（瞬態(tài)運(yùn)行層），以SCADA系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用管網(wǎng)瞬態(tài)仿真或瞬態(tài)優(yōu)化等技術(shù)，預(yù)判未來二十四小時內(nèi)管道運(yùn)行狀態(tài)，提前調(diào)整管網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)，具體包括壓縮機(jī)開機(jī)方案、壓力配置等。

天然氣產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)優(yōu)化屬于第1層和第2層，重點(diǎn)解決規(guī)劃和計劃層面的資源配置、銷售優(yōu)化、流向優(yōu)化、輸量優(yōu)化、儲氣調(diào)峰分析等系統(tǒng)分析問題。

2.4 產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)優(yōu)化業(yè)務(wù)需求

以資源為基礎(chǔ)，優(yōu)化市場銷售方案。固定天然氣資源（常規(guī)氣、頁巖氣、煤層氣、煤制氣、進(jìn)口管道氣、進(jìn)口LNG等）供應(yīng)方案，優(yōu)化天然氣市場銷售方案，優(yōu)化天然氣流向，優(yōu)選目標(biāo)市場。

以銷售為基礎(chǔ)，優(yōu)化資源供應(yīng)方案。固定天然氣市場銷售方案，優(yōu)化常規(guī)氣、頁巖氣、煤層氣、煤制氣、進(jìn)口管道氣、進(jìn)口LNG等資源供應(yīng)方案，優(yōu)化國產(chǎn)氣與進(jìn)口氣比例。

天然氣資源和市場統(tǒng)籌優(yōu)化。以天然氣資源供應(yīng)空間和市場銷售空間為基礎(chǔ)，統(tǒng)籌優(yōu)化資源供應(yīng)方案和市場銷售方案，測算近期按月計劃排產(chǎn)和遠(yuǎn)期按年規(guī)劃安排，實(shí)現(xiàn)天然氣產(chǎn)業(yè)鏈按年和按月平衡工作的模型化，為日常產(chǎn)運(yùn)儲銷排產(chǎn)提供工具支持。

天然氣管網(wǎng)流向流量優(yōu)化。固定天然氣資源和市場方案，優(yōu)化天然氣管網(wǎng)宏觀流向，優(yōu)化各管道輸量方案，優(yōu)化管道負(fù)荷率。

已建天然氣管網(wǎng)堵點(diǎn)分析。固定天然氣資源和市場方案，分析儲運(yùn)環(huán)節(jié)未來存在的能力瓶頸，特別是天然氣管網(wǎng)的局部能力瓶頸，預(yù)判管網(wǎng)堵點(diǎn)。

規(guī)劃天然氣管網(wǎng)的建設(shè)規(guī)模和時序分析。固定天然氣資源和市場方案，分析規(guī)劃管道輸量需求。結(jié)合已建管道能力，優(yōu)化新規(guī)劃管道輸量規(guī)模和工程建設(shè)時序。對于新規(guī)劃管道的不同線路方案，通過輸量優(yōu)化，開展方案比選。

LNG接收站接卸優(yōu)化。固定天然氣資源銷售方案和管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，優(yōu)化各LNG接收站負(fù)荷率，優(yōu)選供應(yīng)成本低、效益好的LNG接收站。

各LNG接收站接卸量與管網(wǎng)流向統(tǒng)籌優(yōu)化。固定天然氣資源銷售方案，統(tǒng)籌優(yōu)化各LNG接收站接卸量與天然氣管網(wǎng)流向流量。

區(qū)域調(diào)峰分析。固定天然氣資源銷售年度方案，平衡各區(qū)域內(nèi)調(diào)峰量，優(yōu)化各區(qū)域間調(diào)峰調(diào)氣量。

產(chǎn)業(yè)鏈方案校核與產(chǎn)業(yè)鏈經(jīng)濟(jì)指標(biāo)測算。固定天然氣產(chǎn)運(yùn)銷方案，校核天然氣產(chǎn)運(yùn)銷方案的可行性，計算產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)的收入、成本、稅費(fèi)、凈利潤、投資強(qiáng)度等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

3 天然氣業(yè)務(wù)鏈系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)

3.1 產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)概述

優(yōu)化技術(shù)在企業(yè)追求產(chǎn)業(yè)鏈利潤最大化過程中發(fā)揮了重要的技術(shù)支撐作用。其中，天然氣管網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化領(lǐng)域的研究較早，國內(nèi)外很多學(xué)者進(jìn)行了深入研究。通過綜合考慮上載條件、下載條件、管道輸送條件以及儲氣庫儲存條件，利用算法優(yōu)化輸氣管網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)，使管網(wǎng)在特定目標(biāo)（如能耗最小、成本最低、輸量最大、收益最高等單目標(biāo)或多目標(biāo)）下，安全、可靠、經(jīng)濟(jì)地完成天然氣輸送和供應(yīng)。經(jīng)過幾十年發(fā)展，國內(nèi)外有關(guān)天然氣管網(wǎng)仿真及優(yōu)化的軟件很多，既有以管道分析為主的TGNET、SPS等軟件，也有以管網(wǎng)分析為主的Winflow、Synergi Gas、SIMONE等軟

件［5］。這些軟件主要應(yīng)用于天然氣管網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行層面，通過建立管道的壓力、溫度及流量等水力學(xué)和熱力學(xué)模型，求解各管道輸量、各節(jié)點(diǎn)壓力、各壓縮機(jī)工況等運(yùn)行參數(shù)。

產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)優(yōu)化包括從天然氣上游資源供應(yīng)至下游市場利用各個環(huán)節(jié)，涉及天然氣運(yùn)輸、存儲、液化、氣化、銷售、利用等環(huán)節(jié)，以特定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)聯(lián)系為紐帶，圍繞供需關(guān)系核心，體現(xiàn)出價值傳遞和增值功能的鏈網(wǎng)式關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)。基于關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)，開展產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)分析并決策。與常見的天然氣管網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化、儲氣庫生產(chǎn)優(yōu)化、LNG接收站調(diào)度優(yōu)化不同，天然氣產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)優(yōu)化聚焦產(chǎn)業(yè)鏈整體，緊扣各環(huán)節(jié)產(chǎn)品流、信息流、資金

流［6］、價值流變化，重點(diǎn)開展產(chǎn)業(yè)鏈量、效、價等經(jīng)濟(jì)性分析，弱化具體的工藝參數(shù)計算。對于產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)優(yōu)化，采用傳統(tǒng)的管網(wǎng)、儲氣庫、LNG接收站運(yùn)行優(yōu)化方法將面臨兩個問題：一是大量規(guī)劃管道缺少詳細(xì)參數(shù)［5］，難以建立完整的管網(wǎng)物理模型；二是運(yùn)行層面的天然氣管網(wǎng)仿真和優(yōu)化屬于高度非線性問題，模型規(guī)模大，在收斂性和求解速度上難以滿足業(yè)務(wù)要求。因此，針對產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)優(yōu)化主要解決天然氣流向流量安排、成本效益變化等宏觀問題的特點(diǎn)，需要緊緊抓住各環(huán)節(jié)氣量與成本這一主要矛盾，進(jìn)一步簡化、抽象目標(biāo)函數(shù)和約束條件，研究實(shí)用的天然氣產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)優(yōu)化與分析方法。

3.1.1 國內(nèi)現(xiàn)狀

管道大規(guī)模聯(lián)網(wǎng)前，資源和市場采用“點(diǎn)對點(diǎn)”方式匹配。在天然氣產(chǎn)業(yè)鏈分析時，很少考慮管道間的相互影響，主要開展逐管道分析。管道大規(guī)模聯(lián)網(wǎng)后，各管道輸量相互影響，通常以各油氣公司的資源和市場為對象，開展“公司一張網(wǎng)”系統(tǒng)分析。“全國一張網(wǎng)”形成后，要將各公司天然氣資源和市場納入全國管網(wǎng)統(tǒng)一分析，管道互聯(lián)互通和相互調(diào)氣更加靈活，數(shù)據(jù)規(guī)模和測算工作量大幅增加。原有的基于EXCEL的逐管道平衡分析方式越來越不適應(yīng)業(yè)務(wù)要求，需要研發(fā)產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)分析方法和模型。2014年，陳正惠采用線性規(guī)劃方法，研究了天然氣省際銷售優(yōu)化分配模型［7］。2016年，趙延芳等基于系統(tǒng)效益最大優(yōu)化目標(biāo)，建立了天然氣產(chǎn)運(yùn)銷優(yōu)化模型，應(yīng)用于中國石油的天然氣管網(wǎng)運(yùn)銷分析業(yè)務(wù)［8］。2021年，李政兵等通過建立混合整數(shù)二次規(guī)劃和混合整數(shù)線性規(guī)劃模型，結(jié)合粒子群算法對模型求解，實(shí)現(xiàn)了多方競爭市場下的天然氣供應(yīng)鏈優(yōu)

化［9］。2022年，陳傳勝和周軍考慮不同管輸機(jī)制影響，建立以利潤最大、缺氣指數(shù)最小為目標(biāo)的優(yōu)化模型，求解得到了不同管輸機(jī)制下的供氣策略［10］。

國內(nèi)大型油氣供應(yīng)企業(yè)在天然氣產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)優(yōu)化領(lǐng)域已有多年研究和實(shí)際應(yīng)用。以中國石油為例，該公司一直高度重視天然氣產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)分析與優(yōu)化工作，自2000年以來，每年都安排專題，開展天然氣產(chǎn)運(yùn)儲銷系統(tǒng)分析與平衡工作；2020年，中國石油成立油氣業(yè)務(wù)鏈優(yōu)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在硬件、軟件、人員、經(jīng)費(fèi)、管理上全力支持包括天然氣在內(nèi)的油氣產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)優(yōu)化，該實(shí)驗(yàn)室是中國石油首個軟科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，著力開展市場需求和價格預(yù)測、生產(chǎn)經(jīng)營方案優(yōu)化、生產(chǎn)經(jīng)營策略建議等方面的分析、模擬和研究。在天然氣產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)化領(lǐng)域，中國石油規(guī)劃總院的研究團(tuán)隊(duì)以2004年研發(fā)的“中國石油天然氣產(chǎn)運(yùn)銷平衡模型”為起點(diǎn)，不斷拓展業(yè)務(wù)領(lǐng)域和研究深度，形成了一系列方法、軟件和模型。在軟件平臺方面，2010年研發(fā)主要用于年度分析的《天然氣產(chǎn)運(yùn)銷一體化優(yōu)化軟件》，解決天然氣產(chǎn)業(yè)鏈年度方案統(tǒng)籌優(yōu)化和分析問題；2013年研發(fā)《天然氣管網(wǎng)運(yùn)銷規(guī)劃優(yōu)化軟件》，解決天然氣產(chǎn)業(yè)鏈月度優(yōu)化問題；2019年研發(fā)《天然氣價值鏈優(yōu)化系統(tǒng)》，解決天然氣生產(chǎn)經(jīng)營計劃優(yōu)化問題；2022年研發(fā)《天然氣供應(yīng)鏈仿真模擬與優(yōu)化分析軟件》，解決單氣源與單用戶管輸路徑規(guī)劃、多氣源與多用戶管輸路徑規(guī)劃、分路徑全成本精細(xì)測算等問題。在優(yōu)化模型方面，研究團(tuán)隊(duì)分別建立了應(yīng)用于國家、集團(tuán)公司、專業(yè)公司、地區(qū)公司、省公司5類主體，形成7類20余種優(yōu)化模型，滿足不同公司、不同部門、不同業(yè)務(wù)的應(yīng)用需求。

3.1.2 國外現(xiàn)狀

國外各大石油公司和研究機(jī)構(gòu)很重視天然氣產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)分析，已廣泛采用數(shù)學(xué)模型和軟件平臺來研究產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)優(yōu)化問題，并取得了豐富成果。

在優(yōu)化方法方面，ULSTEIN N L等在規(guī)劃層面對海上氣田生產(chǎn)計劃進(jìn)行研究，建立了相應(yīng)的生產(chǎn)計劃優(yōu)化模型，該模型的目標(biāo)函數(shù)為海上氣田生產(chǎn)效益最大化，約束條件為天然氣生產(chǎn)、輸送、加工處理和銷售等環(huán)節(jié)的物理約束；在該模型中，還考慮了多種商品流動和銷售環(huán)節(jié)的天然氣質(zhì)量限制，并且用0-1變量對天然氣加工處理過程中的非線性分裂公式進(jìn)行了線性化處理［11］。文獻(xiàn)［12］建立了天然氣價值鏈生產(chǎn)和輸送規(guī)劃模型，該模型除了生產(chǎn)、管輸環(huán)節(jié)中的線性約束，還包括氣井、管道中壓力和流量之間的非線性約束以及天然氣銷售節(jié)點(diǎn)上的多商品流和交付壓力質(zhì)量之間的非線性約束。ALFARES H等建立了油氣生產(chǎn)項(xiàng)目投資優(yōu)化模型，幫助企業(yè)制定合理的項(xiàng)目投資策略，用于指導(dǎo)沙特阿拉伯的石油化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展［13］。AL-SHARRAH等將環(huán)境因素

進(jìn)行量化分析，建立了化工產(chǎn)業(yè)規(guī)劃模型，綜合考慮了化工產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。CHEN Q和GROSSMANN I E在企業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)化方面做了大量工作，對企業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈上的產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、物流倉儲、生產(chǎn)計劃進(jìn)行整體優(yōu)化，幫助企業(yè)制定發(fā)展戰(zhàn)略［14］。

在軟件工具方面，國外已有多種軟件和模型用于天然氣產(chǎn)業(yè)鏈分析和優(yōu)化。

IHS ENERGY公司的GULP軟件以天然氣輸送系統(tǒng)的效益最大化或成本最低化兩種模式為目標(biāo)函數(shù)，以氣源、管道和客戶流量為決策變量，通過線性規(guī)劃算法，優(yōu)化天然氣系統(tǒng)每年各氣源供氣量、各管道輸氣量和流向以及各用戶的用氣量。

霍尼韋爾公司的SAND軟件也有類似GULP軟件的優(yōu)化分析功能。SAND軟件是一款供應(yīng)和分配優(yōu)化工具，主要用于優(yōu)化庫存和銷售。SAND軟件可以通過模型模擬生產(chǎn)、運(yùn)輸、終端和銷售多個環(huán)節(jié)。軟件用戶可以輸入價格、需求、成本、能力、庫存等多種約束條件，同時通過數(shù)據(jù)庫管理供應(yīng)鏈的所有數(shù)據(jù)?；跀?shù)據(jù)庫和線性規(guī)劃理論，SAND軟件通過效益最大化方式?jīng)Q定生產(chǎn)和銷售的匹配關(guān)系。

Energy Exemplar公司的PLEXOS軟件最初用于電力系統(tǒng)仿真建模分析。PLEXOS 7.5版后，開始提供天然氣優(yōu)化和LNG全鏈條優(yōu)化功能。PLEXOS軟件采用線性規(guī)劃和混合整數(shù)線性規(guī)劃技術(shù)，具有成本最小和利潤最大兩種優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置模式。該軟件可以進(jìn)行天然氣、電力、再生能源、水力發(fā)電、熱電等多種能源聯(lián)合優(yōu)化。

德國Cologne大學(xué)的TIGER模型。TIGER模型是歐洲的天然氣基礎(chǔ)設(shè)施流量分配模型。TIGER模型本質(zhì)上是由節(jié)點(diǎn)和管段組成的線性流量優(yōu)化分配模型，該模型基于線性規(guī)劃理論建立，目標(biāo)函數(shù)為天然氣供應(yīng)和運(yùn)輸系統(tǒng)總成本最小，不包含銷售環(huán)節(jié)，能夠完成按月或按日優(yōu)化，但不包含按年優(yōu)化。

3.2 產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)和應(yīng)用

國內(nèi)各大油氣公司高度重視天然氣產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)研究，近幾年在產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)化方面研發(fā)了多項(xiàng)成果，并投入實(shí)際應(yīng)用。下面結(jié)合筆者工作，介紹幾年來在天然氣產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)化領(lǐng)域的幾項(xiàng)技術(shù)和應(yīng)用。

3.2.1 天然氣業(yè)務(wù)鏈一體化優(yōu)化技術(shù)

3.2.1.1 業(yè)務(wù)需求

天然氣業(yè)務(wù)鏈一體化優(yōu)化技術(shù)是站在油氣公司整體角度，優(yōu)化天然氣業(yè)務(wù)鏈中的資源配置、市場銷售、管輸流向、儲氣庫注采和LNG接卸方面的氣量、成本、效益等問題。該技術(shù)的前身是天然氣產(chǎn)運(yùn)儲銷平衡。由于天然氣產(chǎn)業(yè)的鏈條化特點(diǎn)，做好產(chǎn)運(yùn)儲銷平衡一直是中國石油天然氣業(yè)務(wù)的一項(xiàng)重要工作。在天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展早期，天然氣消費(fèi)市場局限于油氣田周邊地區(qū)，重點(diǎn)開展產(chǎn)銷平衡工作。2003～2008年，隨著陜京線、西氣東輸、忠武線、澀寧蘭、陜京二線等長輸管線陸續(xù)建成投產(chǎn)，合理規(guī)劃各管道輸量逐漸成為天然氣業(yè)務(wù)的重要工作，天然氣產(chǎn)銷平衡擴(kuò)展為產(chǎn)運(yùn)銷平衡。由于管道尚未聯(lián)網(wǎng)，基于各管道平衡的EXCEL人工方式可基本滿足產(chǎn)運(yùn)銷平衡要求。2009年，西氣東輸二線投產(chǎn)，管道大規(guī)模聯(lián)網(wǎng)局面逐步形成，各管道分析工作量越來越大。同時，隨著消費(fèi)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，調(diào)峰保供矛盾日益凸顯，需要開展月度產(chǎn)運(yùn)儲銷平衡，進(jìn)一步增加了分析工作量，原有的基于EXCEL的平衡方法已難以滿足業(yè)務(wù)要求。另一方面，進(jìn)口氣資源引進(jìn)后，高成本進(jìn)口氣對天然氣業(yè)務(wù)的效益影響越來越大，天然氣業(yè)務(wù)鏈優(yōu)化對提升整體效益的重要性日益顯著。為滿足以上需求，2007～2012年，研究團(tuán)隊(duì)完成了包含天然氣產(chǎn)運(yùn)儲銷貿(mào)各環(huán)節(jié)整體優(yōu)化的天然氣業(yè)務(wù)鏈一體化年度和月度優(yōu)化技術(shù)研發(fā)。

3.2.1.2 研究內(nèi)容

該技術(shù)基于最優(yōu)化理論，以天然氣產(chǎn)運(yùn)儲銷貿(mào)系統(tǒng)整體效益最大為目標(biāo)，研發(fā)了多氣源、多用戶、復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的天然氣業(yè)務(wù)鏈年度和月度優(yōu)化技術(shù)。綜合全業(yè)務(wù)鏈系統(tǒng)優(yōu)化與天然氣管網(wǎng)水力學(xué)計算，建立了混合整數(shù)線性規(guī)劃數(shù)學(xué)模型和含節(jié)點(diǎn)工藝參數(shù)的非線性優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。針對規(guī)劃層面優(yōu)化中未投產(chǎn)管道不能參與管網(wǎng)壓力平衡的業(yè)務(wù)需求，采用兩階段凸優(yōu)化松弛法解決了大規(guī)模非線性優(yōu)化求解難題。利用該技術(shù)，搭建了覆蓋天然氣全業(yè)務(wù)鏈的一體化優(yōu)化模型。該模型天然氣業(yè)務(wù)鏈?zhǔn)謴?fù)雜，包含數(shù)百個氣源、儲氣庫和接收站，涉及十萬千米級管網(wǎng)。上游環(huán)節(jié)細(xì)化到各油田天然氣處理廠和油田外輸管網(wǎng)，下游環(huán)節(jié)細(xì)化到實(shí)際天然氣客戶。模型共包括

1 683個節(jié)點(diǎn)、1 998條管段、2 814個客戶、480個氣源、74座儲氣庫、8座LNG接收站，實(shí)現(xiàn)了天然氣業(yè)務(wù)鏈產(chǎn)運(yùn)儲銷貿(mào)整體優(yōu)化。

3.2.1.3 應(yīng)用效果

天然氣業(yè)務(wù)鏈一體化優(yōu)化技術(shù)主要用于中國石油集團(tuán)規(guī)劃計劃部門的管道氣系統(tǒng)優(yōu)化。天然氣業(yè)務(wù)鏈一體化優(yōu)化模型重點(diǎn)突出全局性和系統(tǒng)性，站在全局高度實(shí)現(xiàn)管道氣系統(tǒng)整體優(yōu)化。與原EXCEL手工方法相比，在分析規(guī)劃規(guī)模擴(kuò)大20倍的基礎(chǔ)上，年度分析時間由20～30 h縮短為0.6～1.0 h，月度分析時間由70～140 h縮短為4～8 h，效率提高20～30倍，實(shí)現(xiàn)了天然氣產(chǎn)運(yùn)儲銷貿(mào)系統(tǒng)分析由可行方案到優(yōu)化方案的技術(shù)跨越。

天然氣業(yè)務(wù)鏈一體化優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用于中國石油的天然氣業(yè)務(wù)戰(zhàn)略研究、天然氣業(yè)務(wù)總體規(guī)劃、天然氣業(yè)務(wù)鏈規(guī)劃、產(chǎn)運(yùn)儲銷平衡、專題研究等。每年分別提供用戶銷量、管網(wǎng)優(yōu)化、資源優(yōu)化數(shù)據(jù)10.3萬余個、43.1萬余個、10.3萬余個，為公司天然氣業(yè)務(wù)規(guī)劃及近期計劃提供了高效、可靠的分析工具。

3.2.2 天然氣管網(wǎng)運(yùn)銷優(yōu)化技術(shù)

3.2.2.1 業(yè)務(wù)需求

天然氣管網(wǎng)運(yùn)銷優(yōu)化技術(shù)是站在天然氣與管網(wǎng)分公司角度，優(yōu)化天然氣與管道分公司的進(jìn)口資源配置、銷售方案、天然氣流向、儲氣庫注采和LNG接卸方面的氣量、成本、效益問題。與業(yè)務(wù)鏈一體化優(yōu)化技術(shù)不同，天然氣管網(wǎng)運(yùn)銷優(yōu)化技術(shù)主要聚焦在運(yùn)銷環(huán)節(jié)，通過抽象氣田為氣區(qū)，合并油田外輸管道，大幅精簡了上游環(huán)節(jié)。通過增加長輸管網(wǎng)中各支線，豐富了管輸銷售環(huán)節(jié)。2013～2014年，研究團(tuán)隊(duì)完成天然氣管網(wǎng)運(yùn)儲銷環(huán)節(jié)的年度和月度優(yōu)化技術(shù)研發(fā)，主要滿足天然氣與管道分公司業(yè)務(wù)需求。

3.2.2.2 研究內(nèi)容

該技術(shù)基于最優(yōu)化理論，以天然氣運(yùn)儲銷環(huán)節(jié)整體效益最大為目標(biāo)，研發(fā)了大規(guī)模、多用戶、復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的天然氣管網(wǎng)運(yùn)儲銷環(huán)節(jié)的年度和月度優(yōu)化技術(shù)。針對計劃層面優(yōu)化時，各管道需按壓力平衡分配管網(wǎng)輸量的業(yè)務(wù)需求，采用分段線性模擬法解決了大規(guī)模非線性優(yōu)化求解難題。利用該技術(shù)，搭建了天然氣管網(wǎng)運(yùn)銷規(guī)劃優(yōu)化模型，模型包括了1 328個節(jié)點(diǎn)、1 515條管段、

2 814個客戶、272個氣源、74座儲氣庫、8座LNG接收站，實(shí)現(xiàn)了天然氣管網(wǎng)運(yùn)銷環(huán)節(jié)整體優(yōu)化。

3.2.2.3 應(yīng)用效果

天然氣管網(wǎng)運(yùn)銷優(yōu)化技術(shù)主要用于天然氣與管道分公司規(guī)劃計劃部門的管道氣系統(tǒng)優(yōu)化。與天然氣業(yè)務(wù)鏈一體化模型類似，由于天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)模較大，運(yùn)銷優(yōu)化模型比較復(fù)雜。與原EXCEL手工方法相比，在分析規(guī)劃規(guī)模擴(kuò)大20倍基礎(chǔ)上，年度分析時間由15～20 h縮短為0.5～0.8 h，月度分析時間由60～130 h縮短為3～7 h，效率提高了18～30倍，實(shí)現(xiàn)了天然氣管網(wǎng)運(yùn)銷系統(tǒng)分析由可行方案到優(yōu)化方案的技術(shù)跨越。

天然氣管網(wǎng)運(yùn)銷優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用于天然氣與管道分公司的天然氣業(yè)務(wù)總體規(guī)劃、儲運(yùn)設(shè)施規(guī)劃、產(chǎn)運(yùn)銷平衡分析、調(diào)峰規(guī)劃、管網(wǎng)能力瓶頸分析、管道可研、專題研究等。每年分別提供用戶銷量、管網(wǎng)優(yōu)化、資源優(yōu)化數(shù)據(jù)60.8萬余個、32.7萬余個、5.8萬余個，為公司天然氣業(yè)務(wù)規(guī)劃及近期計劃提供了高效、可靠的分析工具。

3.2.3 天然氣銷售業(yè)務(wù)鏈系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)

3.2.3.1 業(yè)務(wù)需求

2019年12月，國家油氣管網(wǎng)集團(tuán)成立，天然氣干線管道從油氣公司分離，原有基于產(chǎn)業(yè)鏈整體效益最大和運(yùn)銷環(huán)節(jié)整體效益最大的優(yōu)化目標(biāo)無法適應(yīng)天然氣業(yè)務(wù)發(fā)展新要求，亟需實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)多樣化，適應(yīng)管輸與銷售分離要求。另一方面，銷售環(huán)節(jié)分離后，應(yīng)該更加注重市場開發(fā)和終端支線建設(shè)，需進(jìn)一步提升優(yōu)化性能，滿足天然氣銷售環(huán)節(jié)分析規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大要求。2017～2019年，研究團(tuán)隊(duì)完成了天然氣銷售業(yè)務(wù)鏈的年度和月度優(yōu)化技術(shù)研發(fā)，主要滿足天然氣銷售分公司業(yè)務(wù)需求。

3.2.3.2 研究內(nèi)容

為滿足后管網(wǎng)時代天然氣銷售分公司要求，研發(fā)了針對銷售環(huán)節(jié)的優(yōu)化目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化目標(biāo)多樣化。該技術(shù)將單一的天然氣運(yùn)銷優(yōu)化模型升級為包含5類層級（分客戶優(yōu)化、分省分管道優(yōu)化、分省優(yōu)化、分區(qū)域概要優(yōu)化、資源銷售概要優(yōu)化）的優(yōu)化模型組，可滿足天然氣銷售公司層面業(yè)務(wù)需求，滿足分年、高月、分月等多種優(yōu)化要求，在模型類別、模型數(shù)量、融合程度等方面取得新突破。其中，分客戶銷售優(yōu)化模型功能最全，涵蓋1 376座站場、1 551條管段、3 514個分輸、272個氣源、80座儲氣庫、36座LNG接收站，能實(shí)現(xiàn)銷售公司層面天然氣氣源配置優(yōu)化、客戶銷量優(yōu)化、銷售結(jié)構(gòu)優(yōu)化、天然氣流向優(yōu)化、儲氣庫注采優(yōu)化、LNG接收站接卸存儲及氣化等優(yōu)化。

3.2.3.3 應(yīng)用效果

天然氣銷售業(yè)務(wù)鏈系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)主要用于天然氣銷售分公司規(guī)劃計劃部門的管道氣系統(tǒng)優(yōu)化。與原EXCEL手工方法相比，在分析規(guī)劃規(guī)模擴(kuò)大20倍基礎(chǔ)上，年度分析時間由10～15 h縮短為0.4～0.5 h，月度分析時間由50～100 h縮短為2.5～6.0 h，效率提高了16～30倍，實(shí)現(xiàn)了天然氣銷售系統(tǒng)分析由可行方案到優(yōu)化方案的技術(shù)跨越。

天然氣銷售業(yè)務(wù)鏈系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用于天然氣銷售分公司的天然氣業(yè)務(wù)總體規(guī)劃、天然氣產(chǎn)運(yùn)銷平衡分析、支線管道規(guī)劃、調(diào)峰規(guī)劃、支線能力瓶頸分析、管道可研、專題研究等。每年分別提供用戶銷量、管網(wǎng)優(yōu)化、資源優(yōu)化數(shù)據(jù)581萬余個、256萬余個、10萬余個，為銷售公司天然氣業(yè)務(wù)規(guī)劃及近期計劃提供了高效、可靠的分析工具。

3.2.4 天然氣液態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)

3.2.4.1 業(yè)務(wù)需求

前述天然氣銷售業(yè)務(wù)鏈系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)能解決管道氣銷售系統(tǒng)優(yōu)化問題，但無法滿足液態(tài)環(huán)節(jié)銷售優(yōu)化要求。近幾年來，液態(tài)環(huán)節(jié)已成為各油氣公司天然氣業(yè)務(wù)高質(zhì)量發(fā)展的重要方向，亟待研發(fā)液態(tài)業(yè)務(wù)鏈系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)，優(yōu)化液態(tài)資源配置、合理流向和市場布局。同時，研究氣液協(xié)同優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)氣液有機(jī)融合和相互促進(jìn)。2019～2020年，研究團(tuán)隊(duì)完成了天然氣液態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)研發(fā)，主要滿足天然氣銷售分公司業(yè)務(wù)需求。

3.2.4.2 研究內(nèi)容

該技術(shù)基于最優(yōu)化理論，以天然氣液態(tài)業(yè)務(wù)鏈系統(tǒng)效益最大為目標(biāo)，研發(fā)了大規(guī)模、多用戶、復(fù)雜運(yùn)輸路徑的液態(tài)業(yè)務(wù)鏈年度優(yōu)化技術(shù)與數(shù)學(xué)模型。由于LNG公路、水路和鐵路運(yùn)輸?shù)膹?fù)雜性，液態(tài)業(yè)務(wù)鏈優(yōu)化在本質(zhì)上屬于大規(guī)模、非線性優(yōu)化問題。該技術(shù)提出了線性化液態(tài)各環(huán)節(jié)成本的方法，建立了大規(guī)模線性規(guī)劃數(shù)學(xué)模型。利用投影法和內(nèi)點(diǎn)法解決了大規(guī)模線性模型求解問題，攻克了運(yùn)輸路徑選擇方式極多而導(dǎo)致的求解效率低下難題。利用該技術(shù)，搭建了天然氣液態(tài)運(yùn)輸優(yōu)化模型，該模型共包括1 000多條可選運(yùn)輸路徑，近100座LNG接收站、液化工廠和終端接卸點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了LNG市場銷售方案優(yōu)化、資源配置方案優(yōu)化、LNG槽車運(yùn)輸路徑和運(yùn)輸方案優(yōu)選、LNG工廠和接收站負(fù)荷優(yōu)化。

3.2.4.3 應(yīng)用效果

天然氣液態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)主要解決天然氣銷售分公司天然氣液態(tài)環(huán)節(jié)系統(tǒng)優(yōu)化。該技術(shù)建立的液態(tài)優(yōu)化模型重點(diǎn)突出全局性和系統(tǒng)性，主要站在全局高度實(shí)現(xiàn)液態(tài)運(yùn)輸優(yōu)化。與原有方法相比，液態(tài)分析規(guī)模由八大區(qū)域擴(kuò)展到32個省份，擴(kuò)大4倍，運(yùn)輸路徑擴(kuò)大10余倍。分析時間由2天縮短為20 min，效率提升40倍以上，大幅提升了分析效率。

液態(tài)業(yè)務(wù)鏈優(yōu)化技術(shù)主要應(yīng)用于天然氣銷售分公司LNG接收站優(yōu)化、銷售業(yè)務(wù)規(guī)劃、分省天然氣業(yè)務(wù)規(guī)劃、車船發(fā)展規(guī)劃等研究課題。天然氣液態(tài)業(yè)務(wù)鏈系統(tǒng)優(yōu)化模型可實(shí)現(xiàn)公司規(guī)劃和計劃兩個層面的LNG市場銷售方案優(yōu)化、資源配置方案優(yōu)化、公路槽車運(yùn)輸路徑和運(yùn)輸方案優(yōu)選、LNG工廠和接收站負(fù)荷率優(yōu)化分析。液態(tài)優(yōu)化模型每年測算方案20余套，提交數(shù)據(jù)40余萬個，為天然氣液態(tài)業(yè)務(wù)規(guī)劃及近期計劃提供了高效、可靠的分析工具。

3.2.5 基于“全國一張網(wǎng)”的天然氣產(chǎn)供儲銷系統(tǒng)分析技術(shù)

3.2.5.1 業(yè)務(wù)需求

2020年10月，國家管網(wǎng)集團(tuán)全面接管國內(nèi)主要油氣管道，正式并網(wǎng)運(yùn)營。在“全國一張網(wǎng)”格局下，國內(nèi)天然氣市場化改革持續(xù)推進(jìn)，產(chǎn)業(yè)鏈加速重構(gòu)，各公司的天然氣資源和市場需要納入整體管網(wǎng)統(tǒng)一分析，亟待形成滿足“全國一張網(wǎng)”新要求的天然氣產(chǎn)供儲銷系統(tǒng)分析技術(shù)，要做好全國資源布局和結(jié)構(gòu)優(yōu)化、儲運(yùn)系統(tǒng)優(yōu)化、市場布局和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，滿足國家層面天然氣產(chǎn)業(yè)宏觀優(yōu)化需求。2020～2021年，研究團(tuán)隊(duì)完成“全國一張網(wǎng)”的天然氣產(chǎn)供儲銷系統(tǒng)分析技術(shù)研發(fā)，主要滿足國家層面天然氣“全國一張網(wǎng)”產(chǎn)供儲銷系統(tǒng)的宏觀優(yōu)化需求。

3.2.5.2 研究內(nèi)容

該技術(shù)以全社會用氣成本最低為目標(biāo)，基于最優(yōu)化理論研發(fā)了大規(guī)模、多分輸、復(fù)雜拓?fù)涔芫W(wǎng)的天然氣產(chǎn)供儲銷系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)與數(shù)學(xué)模型，形成國家層面“全國一張網(wǎng)”系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)。采用自適應(yīng)分段線性拉伸方法，建立了適合全國天然氣產(chǎn)供儲銷系統(tǒng)特點(diǎn)的大規(guī)?；旌险麛?shù)線性規(guī)劃數(shù)學(xué)模型。利用改進(jìn)分支定界法，解決了大規(guī)?；旌险麛?shù)線性模型快速求解難題。利用該技術(shù)，統(tǒng)籌國家管網(wǎng)、三大石油公司天然氣儲運(yùn)設(shè)施，搭建涵蓋1 329座站場、1 536條管段、1 124個分輸、99個氣源、68座儲氣庫、60座LNG接收站的全國天然氣管輸運(yùn)營優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)了國家層面統(tǒng)籌優(yōu)化天然氣資源和市場、天然氣流向和全國管網(wǎng)布局。

3.2.5.3 應(yīng)用效果

該技術(shù)可用于全國天然氣管輸流向優(yōu)化、局部瓶頸分析、規(guī)劃管道建設(shè)時序安排、LNG接收站負(fù)荷優(yōu)化、極端情景分析等場景。與原EXCEL手工方法相比，在分析規(guī)劃規(guī)模擴(kuò)大10倍基礎(chǔ)上，優(yōu)化時間由20～30 h縮短為0.5～0.8 h，效率提高30～40倍。

該技術(shù)已應(yīng)用于國家層面天然氣“十四五”發(fā)展規(guī)劃、全國儲氣能力建設(shè)實(shí)施方案、天然氣中長期發(fā)展戰(zhàn)略研究、天然氣儲備研究等課題，為全國天然氣產(chǎn)供儲銷規(guī)劃布局提供了高效、便捷的分析工具。

3.2.6 天然氣產(chǎn)集凈輸儲銷一體化優(yōu)化技術(shù)

3.2.6.1 業(yè)務(wù)需求

現(xiàn)有天然氣業(yè)務(wù)鏈一體化優(yōu)化技術(shù)已解決集團(tuán)公司層面天然氣產(chǎn)供儲銷系統(tǒng)宏觀優(yōu)化問題，但無法滿足油田公司內(nèi)部生產(chǎn)、集輸、凈化、外輸、儲氣、銷售各環(huán)節(jié)精細(xì)優(yōu)化需求。亟需統(tǒng)籌優(yōu)化產(chǎn)集凈輸儲銷各環(huán)節(jié)業(yè)務(wù)布局與發(fā)展規(guī)劃，提出資源配置、儲運(yùn)建設(shè)、市場布局及結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，實(shí)現(xiàn)油田公司天然氣業(yè)務(wù)提質(zhì)增效和協(xié)調(diào)發(fā)展。2017～2020年，研究團(tuán)隊(duì)在天然氣業(yè)務(wù)鏈一體化優(yōu)化技術(shù)基礎(chǔ)上向下延伸，完成“油田一張網(wǎng)”的天然氣產(chǎn)集凈輸儲銷一體化優(yōu)化技術(shù)研發(fā)，實(shí)現(xiàn)油田內(nèi)部各環(huán)節(jié)的量、價、效優(yōu)化配置，滿足油田公司精細(xì)優(yōu)化需求。

3.2.6.2 研究內(nèi)容

該技術(shù)以油氣田上、中、下游整體效益最大化為目標(biāo)，基于最優(yōu)化理論研發(fā)了適應(yīng)大規(guī)模、多用戶、復(fù)雜集輸與凈化系統(tǒng)的天然氣產(chǎn)集凈輸儲銷年度優(yōu)化技術(shù)與數(shù)學(xué)模型。該技術(shù)綜合物流與供應(yīng)鏈優(yōu)化理論和天然氣集輸、凈化、外輸環(huán)節(jié)的水力學(xué)仿真原理，構(gòu)建了適應(yīng)壓力等級多樣、凈化工藝復(fù)雜、用氣特性各異等特點(diǎn)的非線性優(yōu)化技術(shù)。構(gòu)建油田公司天然氣上、中、下游一體化優(yōu)化模型。該模型包括559個節(jié)點(diǎn)、663條管段、537個客戶、210個氣田、20座處理廠和20個儲氣庫，實(shí)現(xiàn)了油田公司內(nèi)部氣田、集輸、凈化、外輸、儲氣、銷售各環(huán)節(jié)的精細(xì)優(yōu)化。

3.2.6.3 應(yīng)用效果

該技術(shù)重點(diǎn)解決了油田公司內(nèi)部各氣田商品量配置，各用戶銷售量、分地市銷售量，各集輸管道和外輸管道輸量分布，優(yōu)化規(guī)劃管道建設(shè)時序等。與原EXCEL平衡與管網(wǎng)仿真軟件聯(lián)合使用方法相比，在規(guī)模擴(kuò)大2倍基礎(chǔ)上，分析時間由30～50 h縮短為2～3 h，效率提高10～15倍，大幅提高了產(chǎn)集凈輸儲銷系統(tǒng)分析效率。

該技術(shù)主要用于油田公司的天然氣業(yè)務(wù)總體規(guī)劃、儲運(yùn)設(shè)施規(guī)劃、產(chǎn)集凈輸儲銷平衡分析、油田公司調(diào)峰分析、油田管網(wǎng)能力瓶頸分析等業(yè)務(wù)。每年可分別提供用戶銷量優(yōu)化數(shù)據(jù)16.1萬余個、管網(wǎng)優(yōu)化數(shù)據(jù)19.8萬余個、氣田優(yōu)化數(shù)據(jù)6.3萬余個，為油田公司的天然氣業(yè)務(wù)規(guī)劃與方案分析提供了高效、可靠的分析工具。

3.2.7 天然氣管道資源溯源與去向跟蹤算法和分路徑全成本測算方法

3.2.7.1 業(yè)務(wù)需求

國家管網(wǎng)集團(tuán)成立后，原有的天然氣產(chǎn)運(yùn)銷一體化經(jīng)營模式被打破，如何實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)最短路徑或最低成本輸送，如何實(shí)現(xiàn)資源與市場就近匹配，避免因路徑選擇不合理造成額外支出，如何與其他托運(yùn)商之間進(jìn)行有效資源串換，實(shí)現(xiàn)合作共贏，成為油氣公司亟需解決的問題。為此，需在天然氣業(yè)務(wù)鏈優(yōu)化技術(shù)基礎(chǔ)上向內(nèi)深耕，實(shí)現(xiàn)符合“一張網(wǎng)特點(diǎn)”的深度分析，做好“全國一張網(wǎng)”格局下天然氣資源“從哪來、怎么走、到哪去，價值幾何”分析，滿足管道資源溯源、去向跟蹤、分路徑全成本測算等需求。

3.2.7.2 研究內(nèi)容

基于圖論和拓?fù)鋵W(xué)原理，采用就近銷售、均勻摻混、定向輸送、公平競爭、組合應(yīng)用5種規(guī)則，利用廣度優(yōu)先（BFS）和深度優(yōu)先（DFS）算法，研發(fā)適用于蛛網(wǎng)狀復(fù)雜管網(wǎng)的天然氣管道資源溯源與去向跟蹤算法和分路徑全成本測算方法。管道資源溯源以前主要利用資源標(biāo)簽化成本歷史數(shù)據(jù)測算或基于進(jìn)入站場氣流“等比例均勻混合”原則遍歷管網(wǎng)，迭代測算。以上方法存在兩個問題：一是天然氣各年流向不完全相同，采用歷史數(shù)據(jù)測算資源構(gòu)成不準(zhǔn)確；二是“等比例均勻混合”原則主要適用于供應(yīng)量大的資源，不適合小資源。該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)快捷分析“全國一張網(wǎng)”中各管段、站場的資源來源/比例和資源去向比例，分省份-氣源、氣源-省份、省份3類共17個維度，自動生成各省資源來源、各資源分省去向，各資源分省單方成本、單方利潤等方案。

3.2.7.3 應(yīng)用效果

本成果主要用于資源優(yōu)選、高端市場分析、用戶價定價策略等場景，可以在多氣源、多用戶、一張網(wǎng)輸送情景下，分析各氣源在管網(wǎng)中的流通路徑及管輸成本，確定資源到各目標(biāo)市場的盈利空間；也可計算各省的資源構(gòu)成比例，確定各省的資源采購、管道運(yùn)輸?shù)瘸杀?，分析高端市場?/p>

本成果已應(yīng)用于天然氣流向優(yōu)化及儲氣調(diào)峰研究、天然氣銷售“十四五”規(guī)劃、儲運(yùn)設(shè)施“十四五”規(guī)劃等課題。每年可提供客戶資源構(gòu)成、管網(wǎng)資源構(gòu)成、資源分省去向數(shù)據(jù)38.8萬余個、21.4萬余個、0.9萬余個。

4 發(fā)展趨勢及未來技術(shù)展望

隨著國內(nèi)天然氣產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，天然氣市場化改革加快推進(jìn)，需不斷完善和拓展產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)，從業(yè)務(wù)拓展、精度提升、量價關(guān)系、多目標(biāo)優(yōu)化、不確定性優(yōu)化等多個方面持續(xù)升級。

4.1 業(yè)務(wù)拓展

在實(shí)際生產(chǎn)中，天然氣產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)化的業(yè)務(wù)需求多種多樣，很難采用大一統(tǒng)的優(yōu)化方法滿足各種業(yè)務(wù)需求。為此，從整體與局部兩個維度出發(fā)，將天然氣產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)分為兩層，即全局宏觀優(yōu)化和局部精細(xì)優(yōu)化，如圖2所示。

全局宏觀優(yōu)化主要從產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)整體出發(fā)，優(yōu)化產(chǎn)運(yùn)儲銷貿(mào)各環(huán)節(jié)的量、效和成本。局部精細(xì)優(yōu)化主要通過挖掘各環(huán)節(jié)內(nèi)的效益增長點(diǎn)，做精做細(xì)各環(huán)節(jié)內(nèi)部優(yōu)化，如：上游氣田環(huán)節(jié)，基于整體優(yōu)化得到的各氣田商品量，再優(yōu)化各區(qū)塊產(chǎn)量、氣井產(chǎn)量、凈化廠處理量、油田集輸管網(wǎng)輸量、氣田商品量等；下游銷售方面，基于整體優(yōu)化得到的各省分管道銷售量，再優(yōu)化各客戶合同量、計劃量，優(yōu)化客戶價格政策等。為此，需要重點(diǎn)結(jié)合不同業(yè)務(wù)應(yīng)用場景，建立不同模型，研究對應(yīng)算法，拓展各種新需求。

4.2 精度提升

天然氣產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)優(yōu)化精度在很大程度上取決于各邊界條件對應(yīng)參數(shù)的計算精度，特別是下游市場需求量和上游資源供應(yīng)量預(yù)測精度。

下游市場方面，在日益復(fù)雜的市場形勢下，尤其需要加強(qiáng)市場趨勢預(yù)測、價格走勢研判等工作。隨著天然氣產(chǎn)業(yè)逐步發(fā)展，市場形勢將呈現(xiàn)新規(guī)律，需重點(diǎn)開展市場核心規(guī)律、關(guān)鍵決策要素、主要矛盾問題、質(zhì)變邊界介定、典型用戶剖析等工作，創(chuàng)新理論路線，創(chuàng)新手段方法，提升下游市場需求預(yù)測精度。

上游供應(yīng)方面，我國進(jìn)口氣資源占比已超過40%。國際天然氣資源供應(yīng)波動將通過產(chǎn)業(yè)鏈逐級傳導(dǎo)到國內(nèi)。2022年，在烏克蘭危機(jī)背景下，歐洲LNG需求空前高漲，全球LNG供應(yīng)緊張，天然氣供應(yīng)緊張局面蔓延至亞洲乃至全球市場。全球天然氣市場走向不確定性大，價格大幅波動的可能性高。需要加強(qiáng)國際天然氣供需形勢分析，加強(qiáng)國際資源供應(yīng)能力研判，提升上游資源特別是國外進(jìn)口資源預(yù)測精度，提前鎖定優(yōu)質(zhì)資源。

中游儲運(yùn)方面，要切實(shí)做好管網(wǎng)、儲氣庫、LNG接收站等基礎(chǔ)設(shè)施的公平開放和數(shù)據(jù)透明，為天然氣產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)優(yōu)化提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

另外，在數(shù)據(jù)落實(shí)、準(zhǔn)確可靠的前提下，需通過篩選關(guān)鍵因素，逐步細(xì)化模型，提高分析精度。

4.3 量價關(guān)系

目前的產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)，優(yōu)化重點(diǎn)是量、成本和效益，價格主要作為輸入?yún)?shù)，不作為優(yōu)化的決策變量。在國家深化石油天然氣市場體系改革大背景下，天然氣價格市場化是大勢所趨。未來，在調(diào)價空間范圍內(nèi)，將允許供需雙方根據(jù)市場形勢合理調(diào)整天然氣銷售價格?；诳蛻艄┬桕P(guān)系的天然氣量、價耦合優(yōu)化技術(shù)將是未來發(fā)展方向。該技術(shù)是在價格空間和銷量空間中實(shí)現(xiàn)天然氣客戶銷量和價格的聯(lián)動耦合優(yōu)化，可用于目前價格復(fù)議時推薦調(diào)價方案、未來完全市場化后推薦合理定價。其中，加強(qiáng)客戶用氣規(guī)律研究，分析得到相對準(zhǔn)確的量價關(guān)系曲線，是該項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵。另外，國際氣價、國內(nèi)LNG工廠出廠價等領(lǐng)域的價格預(yù)測技術(shù)也是產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)的重要研究方向。

4.4 多目標(biāo)優(yōu)化

目前的天然氣產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)已解決了單目標(biāo)系統(tǒng)優(yōu)化問題。但在實(shí)際業(yè)務(wù)中，優(yōu)化目標(biāo)通常不唯一。以天然氣下游為例，針對天然氣銷售領(lǐng)域的綜合優(yōu)化問題，除了考慮效益指標(biāo)，還需要統(tǒng)籌考慮客戶量價關(guān)系、銷量增長、調(diào)峰貢獻(xiàn)、用氣忠誠度等十余種因素，以適應(yīng)未來“一戶一策”精準(zhǔn)營銷的要求，形成更實(shí)用化的天然氣客戶銷量和價格分析工具。

與單目標(biāo)優(yōu)化不同，多目標(biāo)優(yōu)化問題的各個子目標(biāo)之間通常是矛盾的，很難同時使多個子目標(biāo)均達(dá)到最優(yōu)值，一般只能進(jìn)行協(xié)調(diào)和折中，使各個子目標(biāo)盡可能達(dá)到最優(yōu)。多目標(biāo)優(yōu)化的解并非唯一，而是存在一組由眾多帕累托最優(yōu)解組成的最優(yōu)解集合。

多目標(biāo)優(yōu)化需要解決兩類關(guān)鍵問題：

a. 計算效率問題。多目標(biāo)優(yōu)化的計算量大幅增加，在決策變量較多時，需要提升計算效率。在優(yōu)化目標(biāo)數(shù)量方面，目前處理少數(shù)幾個目標(biāo)時，性能尚可接受。如果優(yōu)化目標(biāo)數(shù)量過多，計算效率將大幅下降。

b. 實(shí)用性問題。在實(shí)際業(yè)務(wù)中，通常需要算法推薦出一套明確方案，而不是由使用方在一堆帕累托解集中人工逐個挑選。

4.5 不確定性優(yōu)化

當(dāng)前的天然氣產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)主要解決了確定性優(yōu)化問題。但實(shí)際的業(yè)務(wù)場景往往充滿不確定性。近年來天然氣消費(fèi)增速波動明顯，并逐級傳導(dǎo)波及到產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)。2018～2022年，受各種因素影響，天然氣消費(fèi)增速波動較大，2022年天然氣消費(fèi)甚至首次出現(xiàn)了負(fù)增長。各種不確定因素交織疊加，給產(chǎn)業(yè)鏈安全平穩(wěn)運(yùn)營帶來了困難，迫切需要研發(fā)包括不確定性優(yōu)化在內(nèi)的新技術(shù)。目前，不確定性優(yōu)化領(lǐng)域的理論研究多、實(shí)踐落地少，定性分析多、定量計算少，粗略估計多、精細(xì)分析少。需要針對特定業(yè)務(wù)需求，基于模糊數(shù)學(xué)、隨機(jī)規(guī)劃、魯棒優(yōu)化等理論，增加風(fēng)險型決策和不確定型決策因素，研究具有實(shí)用價值的天然氣系統(tǒng)優(yōu)化與決策技術(shù)，以適應(yīng)未來復(fù)雜多變的市場環(huán)境。

5 結(jié)束語

天然氣產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)玛P(guān)國家能源安全、事關(guān)天然氣產(chǎn)業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展、事關(guān)油氣企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，需要加強(qiáng)系統(tǒng)分析，做到全局謀劃、整體推進(jìn)。天然氣產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)可為產(chǎn)供儲銷系統(tǒng)宏觀規(guī)劃和總體布局、重大工程前期論證和建設(shè)時序優(yōu)化、天然氣安全保供和應(yīng)急調(diào)運(yùn)、產(chǎn)供儲銷系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化與降本降耗提供核心技術(shù)支撐，可用于提升天然氣產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)優(yōu)化的科學(xué)性和全產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)經(jīng)營管理水平，合理優(yōu)化重點(diǎn)工程建設(shè)時序、穩(wěn)步提高天然氣調(diào)峰保供可靠性，促進(jìn)天然氣產(chǎn)業(yè)鏈健康有序快速發(fā)展。

參 考 文 獻(xiàn)

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（收稿日期：2023-03-01）

（下轉(zhuǎn)第659頁）

作者簡介：劉定智（1978-），高級工程師，從事天然氣產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)優(yōu)化、天然氣營銷智能化、天然氣管網(wǎng)仿真與優(yōu)化等研究，liudingzhi@petrochina.com.cn。

引用本文：劉定智，張?jiān)獫簢?yán).天然氣產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)及其展望［J］.化工自動化及儀表，2023，50（5）：632-643；659.