PNS、TGNET與SPS在氣體長輸管道中的應用對比

王全德 王盼鋒 郭建偉

（1.西安石油大學，陜西 西安 710065；2.中國石油西南油氣田公司輸氣管理處，四川 成都 610051）

0 引言

目前，德國公司GL-GROUP 的SPS 和英國公司ESI的PIPELINE STUDIO（分為氣態仿真TGNET 和液態仿真TLNET）在管網仿真軟件領域知名度較高，而國產化仿真軟件PNS（Pipeline Network Simulation）也在迅猛發展。PNS管網仿真軟件適用于任意結構和規模的管網，根據管網系統及設備的基本流動關系（質量、動量和能量守恒）建立管網模型，實現管網靜、動態仿真，精確模擬管網系統水力、熱力分布和動態變化過程，展示各單元及其內部流體及流動特征。SPS 和PNS 軟件均有在線和離線仿真兩種模式，而TGNET只有離線仿真模擬［1-5］。國外大量管線和國內西氣東輸、川氣東送、陜京二線等大型管道都應用了SPS 和TGNET 仿真軟件［6-9］，并取得顯著成效。而近幾年來，逐漸成熟的仿真軟件PNS 應用于榆濟管線、西氣東輸一線、西氣東輸二線、川氣東送管線、咸寶線等取得了良好的現場效果。通過對以上3款軟件在輸氣管道應用方面進行全方位對比，以期對管網仿真軟件使用者給出應用選擇的指導性建議。

1 流體模型概述

TGNET 軟件中分別建立了理想氣體和真實氣體的狀態方程。其中，真實氣體狀態方程如Sarem、NX-19、AGA-8、Ideal在適用范圍（如美國輸氣管道的壓力、溫度、組分范圍）內比較準確，SRK、Peng-Robinson和BWRS方程有更廣的適用范圍，甚至可用于液態烴和氣、液平衡計算；BWRS 最復雜，計算速度較慢，但使用最為廣泛，而Sarem 最簡單，計算速度最快；Sarem 適用于干氣，BWRS 適用于濕氣，Peng-Robinson適用于所有氣體。

SPS 軟件中氣體模型只采用了AGA、BWRS 和CNGA 3種方程［10］，其中，CNGA 方程只需輸入氣體比重，AGA 方程是天然氣混合物應用最準確、最廣泛的公式，但是對于計算熱力學性質有一定局限性。

PNS軟件中應用了“酸氣+水系統”相平衡分析模型AQUAlibrium［11-13］，基于NIST 數據庫、Peng-Robinson 狀態方程和NIST 改進方法的NIST Database模型以及AGA8天然氣模型。

2 管道基礎數據

以國內某長輸管道為例進行建模，首先需要獲取的基礎數據包括：管道全長504 km，首站增壓至8.5 MPa輸送，設計年輸量42×108m3；管線為沿線5座城市穩定供氣，全線管徑Φ711×14.2，設計壓力10 MPa，沿線各城市下載量見表1所示。

表1 某長輸管道沿線各城市下載量分配表

3 建模過程

3.1 TGNET

①模型搭建：選取BWRS 方程后進行實物模型搭建。在Supply 中輸入氣源氣體組分及性質，并控制氣源壓力，在Delivery 中控制城市下載量，在pipe中輸入管道相關信息、控制管道步長，注意摩阻公式統一選取Colebrook White。注意TGNET 不能在pipe中輸入管道高程信息，只能在節點輸入高程，因此有必要建立較多管道以減小高程帶來的影響。②有效性檢驗：建模完成后進行有效性檢驗，系統會出現建模錯誤信息，便于更正建模錯誤，將其修改完后方可運行。③工況運行：穩態模擬是動態模擬的基礎，若穩態運行不收斂，則模型還會報錯，需繼續檢查模型；當收斂時，證明運行結束，此時可查看任意用戶、管道、節點的運行結果。當動態模擬時，在Transient Scenario 中建立動態腳本，添加必要約束，控制City1用戶在1 h后下載量下降到10 000m3／h，查看該下載點壓力變化情況，腳本建立完成后進行動態模擬。④結果讀取：穩態、動態運行結束后，首先選中需要查看的對象，再添加數據，即可直接查看結果，可導出數據到其他文本中。

3.2 SPS

①模型搭建：SPS 建模有實物建模和Inprep 文件編程建模兩種方式，在此采用實物建模。選擇BWRS方程后輸入氣質組分，Externals控制供氣和用氣量，即Take和Sale，另外SPS中可將管道高程信息導入pipe 中，因此不用建立過多管道，使模型更加簡化。②有效性檢驗：SPS 可省去有效性檢驗直接進行仿真預測，會列出一系列警告和錯誤以供用戶修改。③工況運行：進行該步驟的前提是INTRAN啟動文件正確。需要新建具體的分布圖和趨勢圖才能看到穩態的具體變化過程，可隨時停止并保存狀態，直到系統穩定，運行過程中，可隨時更改部分參數；動態模擬時，在INTRAN文件中編寫代碼，然后運行，只是過程較復雜，對操作人員能力要求較高。④結果讀取：當運行穩定后，讀取結果常用Trans 實時查看或者用ingraf 讀取整理數據；也可在SimPlot中新建需要查看的圖表，或者直接打開review文件查看，導出所需數據。

3.3 PNS

①模型搭建：PNS 采用拖拽方式建模，無需編程和專門記憶。選擇AGA 模型輸入氣質組分，模型中各用戶、閥室、管道連接點都簡化為一個節點，從而添加控制參數；在pipe 中可導入沿線高程信息，水力模型選擇Colebrook，在仿真選項中設置管道步長和最大最小步長；在項目管理器中添加需要查看的分布圖和趨勢圖，在資源庫中可添加壓縮機特性等參數。當在節點輸入流量為正，節點顯示為綠色表示流體流入節點，若為負，則節點顯示為紅色，表示流體流出節點。②有效性檢驗：和前兩款軟件類似，PNS 也具備有效性檢驗功能。③工況運行：在仿真選項中，通過控制仿真層數和時間步長來確定穩態與動態，仿真層數設置1為穩態，大于1為動態，此處動態設置層數為12，時間步長為5 min，即1 h后設置City1下載量為10 000 m3／h。動態的前提是穩態運行穩定，接著改變仿真層數和時間步長，然后進行動態仿真。④結果讀取：由于已在項目管理器中設置好了分布圖和趨勢圖，所以只需等待運行穩定后查看相關數據，可導出數據到其他文本中。

PNS 項目管理器中有4 種泄漏檢測方法，其中，動態模型壓力分布法（PPRTM）是一大創新之處。與在線仿真相結合，可直觀地進行天然氣泄漏檢測［14-17］。PNS仿真運行后，若管道顏色為紅色，則表示管內流體與管道建模方向相反，加之節點流量、壓力控制特征，使仿真模型更加形象化。

4 仿真結果

4.1 靜態

管網靜態仿真是管網系統在定常條件下的流動狀態和規律，流態不隨時間變化，是操作工況的最終狀態或平均流動結果［13，18］。在靜態仿真下，分別得出各軟件模擬全線壓力、流量分布結果，如圖1、圖2及圖3所示。

圖1 TGNET模擬全線壓力、流量分布圖

圖2 SPS模擬全線壓力、流量分布圖

圖3 PNS模擬全線壓力、流量分布圖

將3 款軟件模擬的壓力數據繪制在同一坐標系中，如圖4所示。

圖4 PNS、TGNET與SPS模擬全線壓力分布圖

各下載點模擬壓力與實際進站壓力對比見表2所示。

表2 各下載點進站壓力對比表（kPa）

由圖4 可以看出，SPS 與PNS 的壓力趨勢基本一致，而TGNET 由于沒有管道具體高程信息，只在管道節點處存在高程，仿真計算過程中對管道的插值計算部分較為簡單，基本按照線性化處理［14-15］，同時由于節點數量、位置等設置的問題，所以壓力偏差在100 km 后越來越大，沿線最大壓力偏差0.36 MPa，由于控制City5進站壓力為3.8 MPa，所以靠近末站處壓力偏差減小。總體來說，三大軟件模擬全線壓力分布基本一致。SPS與PNS壓力存在微小偏差（如在300 km 和380 km 處），偏差原因有：管道步長、某些計算方法的選取不同以及收斂條件差異等。

由表2可以看出，各下載點實際進站壓力與軟件模擬壓力最大偏差僅為351 kPa，均符合管網仿真模擬要求。除了三款軟件各自的使用差異外，靜態模擬結果表明使用三款軟件進行仿真，數據偏差不會太大，均符合輸氣管道工藝設計計算。

4.2 動態

管網動態仿真是在管網系統瞬變情況下不同時刻的流動狀態和變化過程，描述工況變化給管網帶來的影響［13，18］。

動態測試中，在其他條件不變的情況下，將1 h后City1 的供氣量由16 120 m3／h 降為10 000 m3／h，觀察各下載點的壓力變化，模擬結果匯總如下：

當City1 下載量在1 h 后下降時，City1 供氣壓力增大，約24 h后壓力趨于穩定，3款軟件模擬的穩定壓力和時間有所不同，但基本一致，其原因同樣可用靜態中出現的偏差因素解釋。各下載點壓力靜、動態變化見表3。

表3 TGNET、SPS與PNS模擬各下載點壓力對比表

表3 表明：各下載點仿真壓力偏差均在300 kPa以內，在長距離輸氣管道中，這種偏差符合實際設計要求。當City1用氣量下降后，由于氣源供氣穩定且管道末段儲氣的緣故［19-20］，管線壓力整體升高。加之其余下載點用氣穩定，所以各下載點壓力普遍上升，當運行25～30 h 后，各下載點壓力趨于穩定。同樣，3款軟件均可模擬異常工況下管內氣流的流動狀態，為實際管網的運行和維護提供可靠有力的保障。

3 款軟件的動態模擬中，SPS 和PNS 的各下載點壓力明顯高于TGNET 各對應點。在實際運行過程中，SPS與PNS的模擬壓力會隨著時間呈現可視化的變化，其中，SPS 可以隨時停止并保存所需要的狀態，PNS 則可以終止該狀態，而TGNET 不會出現前兩款軟件所展現的動態變化，只能直接查看模型穩定后的結果圖。PNS能展示模型方程組的迭代次數及精度，TGNET 只能通過收斂趨勢圖查看收斂情況。總的來說，三款軟件動態模擬均適用于天然氣管道工藝設計及計算。

5 結論及建議

1）PNS、SPS 與TGNET 對實際氣體長輸管道的靜、動態模擬均能滿足氣體管道的設計與計算要求。從模型搭建到仿真結果可以看出，PNS 與TGNET 的動態模擬通過設置動態腳本來實現，因此更容易理解和方便使用，PNS更利于初學者使用，其操作界面可視化程度高，簡單易懂；TGNET 便于查看圖表，不足就是管道中不能導入高程信息，對模型的計算差值過程有影響，待校驗數據收斂后才能查看運行結果；SPS和PNS均可在動態模擬時實時觀看數據變化，SPS能隨時保存變化狀態，只是邏輯控制較復雜，對初學者而言使用稍顯困難。

2）PNS 操作簡單，參數設置方便，在天然氣泄漏檢測方面有所創新；TGNET 可選流體模型較多，操作界面友好，圖表輸出較為方便；SPS有實物和編程兩種建模方式，更適用于邏輯控制和操作工況更復雜的管網，尤其是動態模擬工況，其運行速度快，可隨時查看并保存實時狀態和數據。