基于TGNET軟件KWS腳本的天然氣產運銷規劃方案校核方法

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

0 引言

天然氣工業具有從勘探、開發、管輸到銷售上中下游一體化的特點，是一條緊密聯系的產業鏈。天然氣資源供應、儲運設施及市場銷售各環節必須緊密銜接，協調一致才能確保用戶、特別是不可中斷用戶的需求，否則將造成巨大的經濟損失和社會影響。為促進天然氣業務上中下游一體化協調發展和整體優化，在規劃階段就需要統籌協調天然氣各環節氣量的平衡，做好產運銷規劃方案校核，編制出貼近實際的產運銷規劃方案。

1 產運銷規劃方案校核

1.1 校核的必要性

天然氣產運銷規劃方案是編制天然氣業務各項規劃的基礎。該方案是根據資源、儲運和銷售的發展趨勢，采用產運銷平衡方法調整天然氣上游生產、中游儲運、下游銷售各環節的氣量，實現三個環節的氣量相互協調、整體平衡后，得出產運銷規劃方案。

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

產運銷規劃方案校核通過細化各環節工藝約束，分析產運銷平衡數據，可提前發現各環節局部瓶頸，及時修正產運銷平衡數據，進而調整規劃方案，提高規劃方案的合理性。產運銷規劃方案校核流程如圖1所示。

圖1 產運銷規劃方案校核流程

1.2 天然氣產運銷平衡及校核方法

產運銷規劃方案校核過程是由生產運行單位利用仿真軟件將天然氣產運銷平衡數據轉化成仿真模型，并與實際工況進行校核。天然氣產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人工平衡法較優化模型平衡法在平衡效率和平衡規模上相差巨大。

表1 Excel人工平衡法和優化模型平衡法

目前常用的天然氣管網仿真軟件有：SPS（Stoner Pipeline Simulator）、TGNET（Transient Gas Network）、SynerGEE Gas、WinFlow等。在穩態仿真功能上，以上幾種軟件均能滿足規劃階段精度要求［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，先將天然氣產運銷規劃方案的產運銷平衡數據轉換為TGNET模型，再利用TGNET仿真分析，完成方案校核。

平衡方式不同，TGNET模型轉換方法也不同。采用 Excel人工平衡法需手工繪制管網拓撲模型，手工輸入或逐一拷貝平衡參數后才能進行仿真計算。人工 Excel平衡前，為了減小工作量，需要大幅簡化管網結構，將一條管道在一個省內的所有分輸站合并為一個節點，同一省有幾條管道供應就簡化為幾個節點和客戶，這樣的簡化導致產運銷規劃方案與管網仿真所需數據的顆粒度差別很大。由于數據顆粒度不一致，無法直接向TGNET軟件拷貝數據，需要人工完成數據轉換工作。另外，在未來5～10年規劃期內，資源銷售和儲氣庫逐年增加，管道規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，轉化效率很低。

產運銷平衡涉及上中下游多個環節，完成各環節校核的工作量很大。只有利用優化模型自動平衡才能對多條管道、多節點、多年份、多方案的產運銷規劃方案進行更準確的模擬校核。如何提高校核效率，開發高效準確的校核方法成為近年來工作重點。

2015年以來，規劃總院逐步采用自主研發的天然氣產運銷一體化優化軟件，開發了基于KWS腳本的TGNET校核方法，來完善優化模型平衡法，完成產運銷平衡及優化工作。該軟件分為線性規劃、混合整數線性規劃和含節點工藝參數的非線性優化三種方法。其中，非線性優化部分涉及參數與TGNET軟件類似，為實現產運銷優化模型自動轉化為TGNET模型提供了可能。采用這種方法較Excel人工的平衡規模擴大15倍左右，年度優化平衡時間由3天縮短到40分鐘，月度優化平衡時間由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 文件由軟件用戶創建。TGNET的輸入數據包括拓撲、工藝和設置三類，均存儲在TGW文件中。TGNET通過讀寫此文件，完成仿真數據交換工作。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文件實現數據交換。

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項目文件導出為KWS文件；計算時，軟件內核直接從KWS文件讀取數據并計算。新版本的TGNET軟件支持直接導入KWS文件，可在軟件界面上生成仿真模型并導出為TGW項目文件。

由此可見，KWS文件可以選作 TGNET與其他軟件交換數據的中間文件。另外，KWS文件是純文本格式，可參照KWS語法規則，編寫數據轉換程序，自動生成KWS文件，將產運銷優化模型自動轉化為TGNET校核模型。

2.2 KWS主要語法

KWS語法采用不同關鍵字生成不同組件（下文中[?]表示需要由產運銷優化軟件導出的參數替換）：

（1）節點：NODE [節點名稱]，ELEV=[節點高程] X=[X坐標]，Y=[Y坐標]；

（2）氣源：XREG [氣源名稱]，AT=[連接節點名稱]，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=[上端連接節點名稱]，DN=[下端連接節點名稱]，L=[長度]，ID=[內徑]，WT=[壁厚]，KNOT=[管道網格長度]，NWALL=0；

（5）壓縮機：UNITCMP [壓縮機名稱]，UP=[上端連接節點名稱]，DN=[下端連接節點名稱]，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）調節閥：REGU [調節閥名稱]，UP=[上端連接節點名稱] DN=[下端連接節點名稱]，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=[上端連接節點名稱]，DN=[下端連接節點名稱]，COEFF=[阻力系數]；

（8）流體設置：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）其他設置：除了添加組件，還要設置TGNET的狀態方程、標況壓力、標況溫度、黏度、是否溫度跟蹤等參數。這些參數在常用TGNET模型中的設置基本相同，可直接按現有設置寫入。另外，參數單位由KEY文件設置，可直接復制現有TGNET模型的KEY文件完成單位配置。

2.3 組件合并

產運銷優化軟件通過 12種組件描述實際的天然氣業務鏈系統，包括節點、氣源、客戶、管段、儲氣庫、固定自耗氣、壓縮機、調節閥、阻力件、冷卻器、加熱器、儲氣罐等，詳見表2。

表2 產運銷優化軟件包含的組件

不論系統有多龐大，都可以由這 12種組件描述，區別僅在于連接關系和具體數量不同。以上組件與TGNET組件并未完全對應。為了適應管網校核要求，將產運銷模型組件作如下合并：

（1）取消固定自耗氣。將其轉換為天然氣客戶；

（2）取消儲氣庫。根據優化結果，注氣時轉換為用戶，采氣時轉換為氣源；

（3）取消冷卻器。規劃階段校核不考慮溫度影響；

（4）取消加熱器。規劃階段校核不考慮溫度影響；

（5）取消儲氣罐。只考慮由LNG接收站進入管網的氣量，并將其轉換為氣源。

其他的節點、氣源、客戶、管段、壓縮機、調節閥、阻力件與TGNET組件對應，不必轉換。TGNET軟件中某些組件有多種類別時，需要結合產運銷規劃方案校核特點，盡量采用簡單組件。如：TGNET含有通用、離心和往復三種壓縮機，但在校核時，轉化為通用壓縮機即可。

2.4 自動轉化程序

根據KWS語法和組件合并方法，可將產運銷優化模型自動轉換為KWS文件，在TGNET軟件中導入KWS文件，即可生成管網仿真模型，開展方案校核工作，轉換程序框圖見圖2。轉換程序利用C++語言開發，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據庫連接、數據載入、錯誤判斷與定位、單位轉化、KWS文件生成五個方法。運行時，只需將優化模型的數據庫地址傳遞給轉換程序，轉換程序即可依次調用以上五個方法，讀取數據并轉換生成 KWS文件和 KEY文件，實現年度、月度優化模型自動轉換。經過編譯，可將轉換程序封裝成動態鏈接庫（GasPTS Tgnet_Offline.dll），供其他程序調用。

圖2 轉換程序框圖

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

3 測試與應用

利用天然氣產運銷一體化優化軟件，規劃總院建立了天然氣產運銷優化模型，用于優化和分析產運銷規劃方案。該模型包含約1 700條管段、400個資源點以及2 800個用戶，其節點數量超過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，較好地反映了產運銷系統實際情況。該優化模型拓撲復雜、規模龐大，是測試TGNET模型導出功能的理想案例。測試結果表明，在天然氣產運銷一體化優化軟件環境下，利用TGNET模型的導出功能，可在4分鐘內完成以上模型逐年（10年）KWS文件導出。將生成的KWS文件導入TGNET后，可正常打開，并生成TGW項目文件，實現模型自動導出。實際測試中也發現TGNET對超過1 000節點的大型天然氣管網的分析效率不高。當分析一個超過1 000節點的仿真模型時，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，在應用TGNET導出方法時，要注意簡化油田管網、關注重點部分或關鍵區域。在前期規劃階段，應突出主要矛盾，忽略次要因素，重點校核管網環節。具體建議如下：

（1）當原產運銷優化模型包含了大量油田內部管網和油田周邊客戶時，盡管直接由天然氣產運銷優化模型導出TGNET模型技術上可行，但對干線管網校核沒有實質性幫助，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，應首先在產運銷優化模型中簡化油田管網，合并油田周邊客戶。

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

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

呈網狀的區域。網狀區域中，各管道能力受其他管道輸量的影響，管道原有設計能力與實際能力差異較大。因此，需重點對網狀區域校核。

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的重要節點，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。

在天然氣產運銷優化模型中，只將重點關注區域導出為TGNET模型，可大幅縮小仿真模型規模，提高校核效率。

4 結束語

校核天然氣產運銷規劃方案，是實現規劃業務閉環管理的必要環節。利用KWS腳本，可以將拓撲、工藝和設置等參數完整轉換到TGNET仿真模型。在天然氣產運銷一體化優化軟件中嵌入 KWS腳本轉化方法，可實現由優化模型到工藝校核模型的自動轉換，縮短TGNET模型建立和調試時間，大幅提高校核效率，提前預判規劃方案合理性。該方法為開展多方案、多情景校核創造了技術條件，實用性較強。隨著軟件升級，TGNET開始支持 XML語言（eXtensible Markup Language），未來可以繼續編寫適應XML腳本的轉化程序。