基于TGNET软件KWS脚本的天然气产运销规划方案校核方法

（1.中国石油天然气股份有限公司规划总院；2.中国石油四川销售分公司；3.中国石油勘探开发研究院）

0 引言

天然气工业具有从勘探、开发、管输到销售上中下游一体化的特点，是一条紧密联系的产业链。天然气资源供应、储运设施及市场销售各环节必须紧密衔接，协调一致才能确保用户、特别是不可中断用户的需求，否则将造成巨大的经济损失和社会影响。为促进天然气业务上中下游一体化协调发展和整体优化，在规划阶段就需要统筹协调天然气各环节气量的平衡，做好产运销规划方案校核，编制出贴近实际的产运销规划方案。

1 产运销规划方案校核

1.1 校核的必要性

天然气产运销规划方案是编制天然气业务各项规划的基础。该方案是根据资源、储运和销售的发展趋势，采用产运销平衡方法调整天然气上游生产、中游储运、下游销售各环节的气量，实现三个环节的气量相互协调、整体平衡后，得出产运销规划方案。

产运销平衡主要通过约束管道能力获得管道输量平衡，是产运销规划方案的重要工作内容。根据特定资源配置和销售分布，按设计工况计算的管道能力与实际运行的管道能力有差别。当资源、销售方案发生改变时，管道能力随之变化。如西气东输一线西段由于沿线没有进气和分输，运行工况和设计工况相近，输气能力可以按设计能力考虑；而西气东输一线东段存在多个气源进入和沿线分输，资源和销售的实际工况与设计工况有差别，输气能力不宜再按设计能力考虑。另外，管道的输气能力与资源、销售分布和进出管网气量密切相关。管网相互连通后，受其他管道输量影响，各管道实际输气能力与原设计能力差异很大。只有对依据管道能力得出的产运销平衡数据进行校核，才能判断产运销平衡中管道输量与实际运行能力的贴近程度。产运销平衡完成后，将上中下游各环节气量分类汇总，才能形成产运销规划方案。

产运销规划方案校核通过细化各环节工艺约束，分析产运销平衡数据，可提前发现各环节局部瓶颈，及时修正产运销平衡数据，进而调整规划方案，提高规划方案的合理性。产运销规划方案校核流程如图1所示。

图1 产运销规划方案校核流程

1.2 天然气产运销平衡及校核方法

产运销规划方案校核过程是由生产运行单位利用仿真软件将天然气产运销平衡数据转化成仿真模型，并与实际工况进行校核。天然气产运销平衡通常采用两种方法：利用 Excel软件人工平衡法和利用优化模型［1］自动平衡法，两种方法详见表1。从表中可以看出，Excel人工平衡法较优化模型平衡法在平衡效率和平衡规模上相差巨大。

表1 Excel人工平衡法和优化模型平衡法

目前常用的天然气管网仿真软件有：SPS（Stoner Pipeline Simulator）、TGNET（Transient Gas Network）、SynerGEE Gas、WinFlow等。在稳态仿真功能上，以上几种软件均能满足规划阶段精度要求［2-4］。其中，TGNET软件界面简单，操作方便，价格适中，在管道前期规划、方案分析和可研比选中普遍使用［5-6］。校核前，先将天然气产运销规划方案的产运销平衡数据转换为TGNET模型，再利用TGNET仿真分析，完成方案校核。

平衡方式不同，TGNET模型转换方法也不同。采用 Excel人工平衡法需手工绘制管网拓扑模型，手工输入或逐一拷贝平衡参数后才能进行仿真计算。人工 Excel平衡前，为了减小工作量，需要大幅简化管网结构，将一条管道在一个省内的所有分输站合并为一个节点，同一省有几条管道供应就简化为几个节点和客户，这样的简化导致产运销规划方案与管网仿真所需数据的颗粒度差别很大。由于数据颗粒度不一致，无法直接向TGNET软件拷贝数据，需要人工完成数据转换工作。另外，在未来5～10年规划期内，资源销售和储气库逐年增加，管道规划布局需要按不同年份分别建立逐年的仿真模型。如果存在多个规划方案，还要人工建立多个方案的模型，Excel人工平衡法工作量巨大，转化效率很低。

产运销平衡涉及上中下游多个环节，完成各环节校核的工作量很大。只有利用优化模型自动平衡才能对多条管道、多节点、多年份、多方案的产运销规划方案进行更准确的模拟校核。如何提高校核效率，开发高效准确的校核方法成为近年来工作重点。

2015年以来，规划总院逐步采用自主研发的天然气产运销一体化优化软件，开发了基于KWS脚本的TGNET校核方法，来完善优化模型平衡法，完成产运销平衡及优化工作。该软件分为线性规划、混合整数线性规划和含节点工艺参数的非线性优化三种方法。其中，非线性优化部分涉及参数与TGNET软件类似，为实现产运销优化模型自动转化为TGNET模型提供了可能。采用这种方法较Excel人工的平衡规模扩大15倍左右，年度优化平衡时间由3天缩短到40分钟，月度优化平衡时间由2周缩短到10小时左右。

2 基于KWS脚本的TGNET校核方法介绍

2.1 KWS脚本与TGNET软件

TGNET软件包含*.TGW、*.KWS、*.KEY、*.OCE、*.OSS、*.ODY等多种文件［7］。其中，TGW 文件由软件用户创建。TGNET的输入数据包括拓扑、工艺和设置三类，均存储在TGW文件中。TGNET通过读写此文件，完成仿真数据交换工作。TGW文件是TGNET专用文件，文件语法和读写方式尚未公开，其他程序难以直接通过TGW文件实现数据交换。

在 TGNET早期版本中，没有提供图形建模功能。需要按照公开的KWS语法，编写KWS文本文件（关键词文件），人工建立仿真模型。计算前，软件首先将TGW项目文件导出为KWS文件；计算时，软件内核直接从KWS文件读取数据并计算。新版本的TGNET软件支持直接导入KWS文件，可在软件界面上生成仿真模型并导出为TGW项目文件。

由此可见，KWS文件可以选作 TGNET与其他软件交换数据的中间文件。另外，KWS文件是纯文本格式，可参照KWS语法规则，编写数据转换程序，自动生成KWS文件，将产运销优化模型自动转化为TGNET校核模型。

2.2 KWS主要语法

KWS语法采用不同关键字生成不同组件（下文中[⋅]表示需要由产运销优化软件导出的参数替换）：

（1）节点：NODE [节点名称]，ELEV=[节点高程] X=[X坐标]，Y=[Y坐标]；

（2）气源：XREG [气源名称]，AT=[连接节点名称]，SUPPLY SOURCE=[流体名称]，TEMP=[温度值]， FLMX=[最 大 流 量]， PMAX=[最 大 压 力]，PMIN=[最小压力]，MODE=FLMX；

（3）客户：XREG [客户名称]，AT=[连接节点名称]，DELIV FLMX=[最大流量]，MODE=FLMX；

（4）管段：PIPE [管段名称]，UP=[上端连接节点名称]，DN=[下端连接节点名称]，L=[长度]，ID=[内径]，WT=[壁厚]，KNOT=[管道网格长度]，NWALL=0；

（5）压缩机：UNITCMP [压缩机名称]，UP=[上端连接节点名称]，DN=[下端连接节点名称]，PDNMX=[压缩机出口压力]，MODE=PDNMX STATUS=ON，EFFAD=[绝热效率]，EFFMEC=[机械效率]，AUXL=0；

（6）调节阀：REGU [调节阀名称]，UP=[上端连接节点名称] DN=[下端连接节点名称]，CV=[CV值]， VSIZE=[外 径]， PDNMX=[下 端 压 力 值]，MODE=PDNMX；

（7）阻力件：RESI [阻力件名称]，UP=[上端连接节点名称]，DN=[下端连接节点名称]，COEFF=[阻力系数]；

（8）流体设置：TYPE [流体名称]，METHOD=MOLE，C1=[甲烷比例]，C2=[乙烷比例]，C3=[丙烷比例]，IC4=[异丁烷比例]，NC4=[正丁烷比例]，IC5=[异戊烷比例]，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）其他设置：除了添加组件，还要设置TGNET的状态方程、标况压力、标况温度、黏度、是否温度跟踪等参数。这些参数在常用TGNET模型中的设置基本相同，可直接按现有设置写入。另外，参数单位由KEY文件设置，可直接复制现有TGNET模型的KEY文件完成单位配置。

2.3 组件合并

产运销优化软件通过 12种组件描述实际的天然气业务链系统，包括节点、气源、客户、管段、储气库、固定自耗气、压缩机、调节阀、阻力件、冷却器、加热器、储气罐等，详见表2。

表2 产运销优化软件包含的组件

不论系统有多庞大，都可以由这 12种组件描述，区别仅在于连接关系和具体数量不同。以上组件与TGNET组件并未完全对应。为了适应管网校核要求，将产运销模型组件作如下合并：

（1）取消固定自耗气。将其转换为天然气客户；

（2）取消储气库。根据优化结果，注气时转换为用户，采气时转换为气源；

（3）取消冷却器。规划阶段校核不考虑温度影响；

（4）取消加热器。规划阶段校核不考虑温度影响；

（5）取消储气罐。只考虑由LNG接收站进入管网的气量，并将其转换为气源。

其他的节点、气源、客户、管段、压缩机、调节阀、阻力件与TGNET组件对应，不必转换。TGNET软件中某些组件有多种类别时，需要结合产运销规划方案校核特点，尽量采用简单组件。如：TGNET含有通用、离心和往复三种压缩机，但在校核时，转化为通用压缩机即可。

2.4 自动转化程序

根据KWS语法和组件合并方法，可将产运销优化模型自动转换为KWS文件，在TGNET软件中导入KWS文件，即可生成管网仿真模型，开展方案校核工作，转换程序框图见图2。转换程序利用C++语言开发，由一个父类，三个子类组成，分别是：CGasPTS Tgnet Model（父类）、CGas Tgnet Year（子类）、CGas Tgnet Month Month（子类）、CGas Tgnet Month Year（子类）。父类和子类均包含数据库连接、数据载入、错误判断与定位、单位转化、KWS文件生成五个方法。运行时，只需将优化模型的数据库地址传递给转换程序，转换程序即可依次调用以上五个方法，读取数据并转换生成 KWS文件和 KEY文件，实现年度、月度优化模型自动转换。经过编译，可将转换程序封装成动态链接库（GasPTS Tgnet_Offline.dll），供其他程序调用。

图2 转换程序框图

为了便于使用，在天然气产运销一体化优化软件中增加了“导出为TGNET模型”菜单，将GasPTS Tgnet_Offline.dll动态链接库嵌入其中，使软件在优化产运销规划方案的基础上，具备转换生成TGNET模型的功能。利用优化软件导出TGNET模型时，既可以将指定年、月的产运销方案导出为 TGNET模型，也可以一次性导出所有年或月的TGNET模型，还可以选择只导出可用组件。由于TGNET软件暂不支持非连通管网分析，转换程序还提供了自动识别管网系统是否连通，并提示用户的功能。

3 测试与应用

利用天然气产运销一体化优化软件，规划总院建立了天然气产运销优化模型，用于优化和分析产运销规划方案。该模型包含约1 700条管段、400个资源点以及2 800个用户，其节点数量超过1 500个，涵盖天然气资源、客户，以及储气库、LNG接收站和众多条管道，较好地反映了产运销系统实际情况。该优化模型拓扑复杂、规模庞大，是测试TGNET模型导出功能的理想案例。测试结果表明，在天然气产运销一体化优化软件环境下，利用TGNET模型的导出功能，可在4分钟内完成以上模型逐年（10年）KWS文件导出。将生成的KWS文件导入TGNET后，可正常打开，并生成TGW项目文件，实现模型自动导出。实际测试中也发现TGNET对超过1 000节点的大型天然气管网的分析效率不高。当分析一个超过1 000节点的仿真模型时，TGNET需要十几甚至几十分钟。如果按 10年逐年分析，方案校核需要更长的时间。因此，在应用TGNET导出方法时，要注意简化油田管网、关注重点部分或关键区域。在前期规划阶段，应突出主要矛盾，忽略次要因素，重点校核管网环节。具体建议如下：

（1）当原产运销优化模型包含了大量油田内部管网和油田周边客户时，尽管直接由天然气产运销优化模型导出TGNET模型技术上可行，但对干线管网校核没有实质性帮助，反而降低了仿真模型收敛性，增加了运算工作量，校核效率不高。因此，应首先在产运销优化模型中简化油田管网，合并油田周边客户。

（2）在规划阶段，如果方案较多，时间紧迫，可不校核所有管网，只校核关键区域或重点关注部分。主要包括：

干线管网。由于支线管道对天然气管网整体影响较小，可在产运销优化模型中取消支线，将支线用户简化合并为干线的一个用户，方便TGNET模型校核。

呈网状的区域。网状区域中，各管道能力受其他管道输量的影响，管道原有设计能力与实际能力差异较大。因此，需重点对网状区域校核。

无压缩机管道。无压缩机的管道，输气能力主要随管道两端压力变化而变化，需要重点校核。

枢纽站周边管道。枢纽站是天然气管网的重要节点，往往起着承接和疏散资源的重要作用，影响面大，波及范围广，也是校核重点。

在天然气产运销优化模型中，只将重点关注区域导出为TGNET模型，可大幅缩小仿真模型规模，提高校核效率。

4 结束语

校核天然气产运销规划方案，是实现规划业务闭环管理的必要环节。利用KWS脚本，可以将拓扑、工艺和设置等参数完整转换到TGNET仿真模型。在天然气产运销一体化优化软件中嵌入 KWS脚本转化方法，可实现由优化模型到工艺校核模型的自动转换，缩短TGNET模型建立和调试时间，大幅提高校核效率，提前预判规划方案合理性。该方法为开展多方案、多情景校核创造了技术条件，实用性较强。随着软件升级，TGNET开始支持 XML语言（eXtensible Markup Language），未来可以继续编写适应XML脚本的转化程序。