天然气管网经济效益研究与系统设计

尤永建，王少杰，彭喜亮，李加院，周 飞，徐向军

(中石化天然气榆济管道分公司，山东 济南 250101)

世界天然气工业的飞速发展及天然气消费地区和用户数量的不断增加，加快了天然气的管道建设[1]。油气管输定价直接影响着油气管道的建设与发展，国外发达国家均对油气长距离管道运输费率及服务标准实行了较为严格的监管[2]。美国、俄罗斯、欧盟天然气管网的经营管理模式各有特点，油气管网运营模式和监管机制存在较大差异，不存在普适的最优模式[3]。进入21世纪以来，中国新建天然气管线上万千米。大庆至哈尔滨的天然气管道建成后，促进了天然气清洁能源为东北老工业基地建设服务，并推动我国“北气南下”战略的实施[5]。近10年来，我国管道建设水平有较大的提高，并开始向长距离、大口径、高压力和高度自动化管理方向发展[6]。利用长输管道输送天然气会消耗大量能源，天然气管道输送过程中产生的输送能耗相当一部分消耗在克服管道摩擦阻力上(包括沿程摩阻和局部摩阻)[7]。传统管道能效管理手段主要是通过提高站场耗能设备效率，达到提高管道能效、实现节能减排的目的[8]。现代能效管理手段是将管道自动化技术、仿真技术、信息技术与节能优化运行的工艺技术、管理技术相结合，统筹考虑运行方案的最优化，使管道、管网总体能效最高[9]。我国陆续引进了多种国际先进的智能化输气管道效益软件。国内在软件实现的功能和应用广度等方面处于劣势，油气管网优化运行的理论与方法还处在摸索阶段，现在还没有专门用于油气管网建设经济性商业软件。

面对越来越庞大、复杂的天然气管道输送网络，急需对其进行系统的分析，利用计算机系统对管道进行运行调节，预测不同运行方案下的操作结果，并对华北管网天然气输配管道系统计算出其最佳路线，以便更好地服务我国天然气管道系统，为我国管网安全可靠的输气性运营提供支撑[10]。笔者主要研究了Y管网、S管网、T管网和E管网管输费的计算方法，计算了现有传输路线的管输费及优化传输路线的管输费，并对计算结果进行对比分析；计算路线地图上任意泵站所有的传输路线管输费并对比分析计算结果，同时在地图上显示最优传输路线；提出一种改进的单纯形算法，并用改进的单纯形算法优化计算管道各泵站的最优下气量。

1 各管输公司管输费用计算

1.1 Y管网

甲管线归属于某天然气分公司，甲管线的气源主要有2个：气源1主要供给甲管线的东段用户；气源2主要供给甲管线西段。甲管线管输费按输气里程计算，以进气点为起点，计算沿途输送里程，里程费率为(里程×0.436 3)/1 000。

乙管线归属于某天然气分公司，乙管线的供气来源有气源2以及气源3。乙管线属于共同承运性质，由Y管网公司和S管网公司共同承运，管输费价格由2家公司各收取0.09元/m3。

丙管线同属于某天然气分公司。由气源2供气，输运由Y管网公司与S公司共同承运[11]。

用F表示Y公司管输费总费用，Z1为甲线管输费，Z2为乙线管输费用，Z3为丙线管输费用，Y公司管输费总费用F为：

F=Z1+Z2+Z3

(1)

甲线管输费用Z1为：

(2)

乙线管输费用Z2为:

Z2=QzKz

(3)

丙线管输费用Z3为：

Z3=QaKa

(4)

式中：K为甲线输气里程公里费率，0.436 3元/(千公里·m2)；Li为各输气站距离东段输气首站的距离，m；Qi为各站下气量，m3；Lb为各输气站距西段输气首站的距离，m；Qb为各站下气量，m3；Kz为乙输气费率，元；Qz为乙线用气量，m3；Qa为丙线输气量，m3；Ka为丙线输气费率，元。

1.2 S管网

S管道公司负责给S省内用户供气，以及供给甲管线及乙管线，S管网由气源2供气；同时，气源3通过T管网向S管网供气。但经现场实际调研，E管线开通运行后，T管网暂停向S管网输气。整个S管道公司管输费分为3部分，由省内用户、乙线共同承运、丙线共同承运组成。省内用户管输费为0.18元/m3；由S管道公司和Y管道分公司共同承运的(Y公司乙线、丙线属于共同承运)，S管道公司和Y管道分公司各收取0.09元/ m3的管输费。

S公司管输费用计算式如下：

S=KsQs+KzQz+KaQa

(5)

式中：Ks为S省输气费率，元；Qs为S省内用气量，m3。

1.3 T管网

T管网负责供给T市内用户用气以及供给E管线用户用气，T管网由气源3供气。在国家发改委核定T管道管输价格前，T管道的管输费暂按可行性研究报告(第五册)内价格0.135 8 元/m3执行。

T管网管输费用计算式如下：

T=KtQt

(6)

式中：Kt为t市输气费率；Qt为t市用气量。

1.4 E管网

E管网从T管网某站开口接气，向沿线各用户供气，最终供给某储气库，同时E管线向丙管线供气。E管网管输费按国家相关文件规定，管输费用计算按输气里程计算，管输费率为0.282 1元/(km·m3)。E管网管输费计算式为：

(7)

式中：Ke为E管线输气费率，元/( km·m3)；Li为输气距离，m；Qi为各站输气量，m3。

1.5 承运关系

Y管网[甲管线、乙管线和丙管线(共同承担)]的承运关系如图1所示。

图1 Y管网承运图

S管网：S管网[省内用户、乙管线与丙管线(共同承担)]的承运关系如图2所示。

图2 S管网承运图

T管网的承运关系如图3所示。

图3 T管网承运图

E管网承运关系如图4所示。

图4 E管网承运图

2 路径择取

管网之间互联互通，由于各管线的管输费用计算准则不同，天然气在管道中的流向将决定管网公司的管输效益。将管线转化为树状结构，从某气源S出发，建立1个新节点S，气源为起始点，同时建立新节点A，节点A的父节点为节点S，将节点A加入至节点S的子节点列表，持续对后续节点进行循环操作，直至末端站点，找到所有名称为目标站点的节点，即为有效节点。循环保存有效节点的父节点直至气源，即为该气源至目标气站的路线。根据各管输公司管输费用计算出每条可选管线的管输费，对比每条路径得出最优传输管线。函数算法如图5所示。

图5 路径择取运算流程图

3 管输效益计算

3.1 优化算法3.1.1 单纯形法

采用单纯形算法建立输气模型，寻求最优输气方案[12]。单纯形算法就是秉承“保证每一次迭代比前一次更优”的基本思想：若标准形式的线性规划存在最优解， 则必存在最优基本可行解。因此求解线性规划问题归结为寻找最优基本可行解。单纯形法的基本原理是从一个基本可行解入手， 求使目标函数值有所改善的另一基本可行解， 通过对基本可行解不断改进，最终得到最优可行解，计算流程如图6所示。

图6 单纯形法运算流程图

3.1.2 修正单纯形法

单纯形法中θ规则和最速变化规则仍是修正单纯形法应遵循的基本原则，主要区别是在逐次迭代中不再以高斯消去法为基础，而是由旧基阵的逆去直接计算新基阵的逆，再由此确定检验数。这样做可以减少迭代中的累积误差，提高计算精度，同时也减少了在计算机上的存储量，因此， 修正单纯形法是在计算机上求解线性规划问题的实用而有效的方法，计算流程如图7所示。

图7 修正单纯形法运算流程图

4 软件设计及特色

4.1 系统结构图

天然气管网经济效益分析系统的主要功能包括管输费计算、最优路径和优化算法。该系统能够计算各管网公司的管输费，同时可以通过优化算法优化当前方案并给出优化前后数据图表对比，也能计算各站点的输气线路及效益对比以及最优传输线路高亮显示，系统结构如图8所示。

图8 功能模块结构图

4.2 工作流程

首先根据天然气管网经济效益分析系统直接查看管网各条线路中各个站点的具体情况，并且设置各个站点的下气量以及每条线路的费率，然后进行仿真计算，将计算结果与最优线路结果进行对比，直观地看出经济效益的不同，流程如图9所示。

4.3 软件特色

采用Unity3D开发的系统具有直观友好的人机界面，操作便捷高效，并充分地考虑了该管网供输气的实际情况。将自由配置的输气方案与最优方案的经济效益进行对比，结果用图表显示更加直观鲜明，便于用户使用。

图9 系统工作流程图

该系统适用于相关专业技术人员、调度人员及现场工作人员等。应用前景好，基本可以解决当前华北管网输气调配和公司效益问题，而且该系统可为今后新建管网提供帮助，可自行创建站点功能。

4.4 实例应用及对比分析

现有的输气方案主要以管输平衡为主及用户供应量的计划来制定。在现行的输气计划中，以满足用户需求为主要约束，得到的各管网公司的效益如表1所示。

表1 各管网公司效益

运行软件，点击进入计算界面，在气源1输入900万m3，气源2输入2 200万m3，气源3输入1 900万m3，配气下限比例设置为0.5，系数K1设为0.436 3，系数K2设为0.09，系数K3设为0.18，系数K4设为0.135 8，系数K5设为0.221，运行得出各个分量的数值，如表2所示。

表2 各分输站下气量

各个管网公司的效益界面如图10～图13所示。

图10 Y管网公司效益界面

图11 S管网公司效益界面

图12 T管网公司效益界面

图13 E官网公司效益界面

通过优化算法计算得出各公司管输费，结果如表3所示。由表3中可以看出，在原有的输气方案中，产生的管输效益为1 071.8万元；经过采用科学合理的算法优化后，得到的各公司管输效益之和为1 147.9万元，比原有方案多出76.07万元。由此可见，优化之后的方案能显著提升管输企业的效益收入。

表3 优化后各管网公司效益

分析清丰县内站点18传输路线及其效益，在管网地图上点击站点18，在弹出的“站点编辑”界面上点击计算，则显示所有传输路线及各路线具体传输信息，同时地图上高亮显示，如图14所示。点击“对比”可以得到各线路的管输费，如图15所示。

图14 站点18传输线路

图15 站点18传输线路效益对比

5 结论

通过测试分析，该天然气管网经济效益分析系统能够准确进行华北管网各个输气公司相应的管输费计算，在系统地图中计算并显示目标站点的所有输气线路，直观高亮显示了最优输气路径，同时对实际路径和最优路径二者效益进行了柱状图对比，便于工作人员快速对比目标站点传输路线和相应的经济效益。充分利用改进的单纯型算法计算优化方案下的经济效益，并提供优化方案和实际方案的经济效益对比，在系统中充分证明了天然气管网经济效益分析系统的程序的正确性。很好地解决了华北管网中各输气公司输配气的问题，为华北管网输气效益的优化提供了安全、高效、经济的保障，可以更加合理地调度天然气，满足用户需求的同时解决了由于输气供需端的不合理带来的经济效益上的损失，具有一定的实际应用价值。