TGNET及SPS软件在天然气管道稳态计算中的差异分析和比较

刘定智* 刘定东 李茜

（1.中国石油天然气股份有限公司规划总院；2.重庆天然气净化总厂长寿分厂；3.长兴化学工业（中国）有限公司天津分公司）

TGNET及SPS软件在天然气管道稳态计算中的差异分析和比较

刘定智*1刘定东2李茜3

（1.中国石油天然气股份有限公司规划总院；2.重庆天然气净化总厂长寿分厂；3.长兴化学工业（中国）有限公司天津分公司）

介绍了天然气管道前期研究中常用的TGNET和SPS软件。通过分析两种软件的计算内核，比较二者在稳态计算理论上的差异。同时，结合某天然气管道的实际运营参数，用两种软件分别进行了计算和对比。结果表明，在相同设置、相同参数的情况下，TGNET和SPS的计算结果非常接近，但是又各具特点。因此，软件选择是次要的，参数配置才是提高计算精度的关键。在实际使用中，可以根据具体情况选择TGNET和SPS软件。在管道规划、方案比选等前期阶段建议采用TGNET；而在管道设计、生产运行等后期阶段，建议采用SPS；对于可行性研究阶段，在同样参数、同种设置的条件下，可根据软件熟悉程度选用任一软件。

天然气；管网；稳态计算；软件；TGNET；SPS

TGNET和SPS是目前天然气长输管道工艺计算中的常用软件。在天然气管道工程的前期研究、设计、运行管理的稳态分析中，这两款软件都得到了广泛应用。目前，对这两款软件的计算精度存在不同认识，一些观点认为 SPS的计算精度明显高于TGNET。本文就这两款软件在天然气管道前期研究工作中，稳态计算方面的相同点和不同点进行分析和比较。

1 TGNET和SPS软件简介

1.1 TGNET软件

TGNET（Pipeline Studio for Gas）是 Pipeline Studio管道软件分析包中关于输气管道工艺分析的软件工具。TGNET历史悠久，能够对输气管道中的单相气体进行稳态和动态模拟，已经在全世界得到了广泛应用。同时，TGNET具有图形界面友好、数值求解稳定、设备模拟完备、控制方式灵活、约束条件多样、温度和气体跟踪方式灵活、默认值集合详尽、易学好用等特点。除此之外，它既能以批处理方式也能以交互（互动）方式操作。在实际使用中，TGNET可以对输气管道的正常工况和事故工况进行分析，计算管道的设计、运营参数，优化系统的工艺参数。近几年来，我国的中-缅天然气管道、陕-京三线等多条输气管道可研的工艺计算采用了TGNET。

1.2 SPS软件

SPS（Stoner Pipeline Simulator）软件是一套先进的瞬态流体仿真应用软件，它分为气体和液体两个模块，可以分别用于模拟管网中天然气或油品的动态流动。目前，SPS已被众多国际知名工程和建设公司采用，主要用于管道设计及分析。在世界各地天然气管道公司的工程部和规划部的日常工作中广泛应用了SPS，一些公司已将SPS视为管道分析的标准。近几年来，我国的西气东输管道二线、涩-宁-兰管道复线、兰-银管道等多条输气管道可研的工艺计算采用了SPS。

2 计算原理比较

与各种管网分析软件类似，TGNET和SPS都是将实际的天然气管网抽象成气源、用户、管段、各种阀（含阻力件）、压缩机等组件，为了连接以上组件，通过引入节点这一特殊组件将其他组件连接成管网系统。当然，这两款软件在个别组件上也有差异，如新版的TGNET中引入了储气库组件，而SPS的压缩机类型更加丰富，在组件的数据采集、逻辑控制方式上也更加强大。

理论上，无论是TGNET还是SPS，均将流体模型、管段模型、压缩机模型、各类阀模型、气源、用户等结合到一起，联立形成一个大型的方程组，统一计算出管道系统中各点的工艺参数。在天然气管道前期研究中，主要用到的组件为管段、压缩机（通用压缩机和离心压缩机）、气源和用户。现分别比较TGNET和SPS中各种组件模型之间的差别。

2.1 流体模型

2.1.1 状态方程

TGNET软件采用Sarem、BWRS、Peng 3种方程，而SPS软件采用BWRS、AGA、CNGA 3种方程。在实际使用中，通常选用 BWRS，此时两个软件的状态方程是相同的。

2.1.2 黏度模型

TGNET软件的黏度分为指定常数和Lee-Gonzalez-Eakin Orrelation两种。其中Lee-Gonzalez-Eakin Orrelation公式为：

式（1）中： ——气体黏度，Pa·s；T——气体温度，K； ——气体密度，kg/m3；Δ——气体在标准状态下的相对密度，无量纲。

SPS软件的黏度计算公式为：式（2）中： ——指定压力、温度下的黏度，Pa·s；0µ——标况下的黏度，Pa·s；ΔP——气体压力与标况压力差，Pa；ΔT——气体温度与标况温度差，K；VPMI——黏度压力系数，1/Pa；VTMI——黏度温度系数，1/K。

对黏度计算来说，两个软件有差别，采用了不同的经验公式，但具体到天然气上，两种模型的计算结果差别很小。

2.2 管段模型

2.2.1 水力模型

对TGNET软件、SPS软件来讲，水力模型均包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程 3个方程。比较TGNET和SPS，对于管段的质量守恒、动量守恒和能量守恒来说，两个软件的水力模型实质是相同的，只是由于简化方式不同，在具体表达式上稍有差异。

2.2.2 管段摩阻系数

TGNET的摩阻系数采用了AGA、Colebrook、Pan（A）、Pan（B）、Weymouth 5种方法，而SPS的摩阻系数采用了 Colebrook、Nikuradse、Moody、Back-calculate 4种方法。在实际使用中，常用Colebrook公式计算摩阻系数，此时两个软件的摩阻计算方法是相同的。

2.2.3 热力模型

在Simulation Options对话框的Tracking帧中，TGNET通过不同设置表示不同的热力计算模型：一是，不选Temperature、不选Wall temperature，等温计算；二是，选中Temperature、不选Wall temperature，考虑管道换热，但只考虑总换热系数，不考虑管道各层间的热量传递；三是，选中Temperature、选中Wall temperature，考虑管道换热，详细计算管段各层温度。

SPS则是通过Thermal Modes editor设置来表示不同计算模型：ISOTHERMAL模式，等温模式；THERMAL模式，热力模式；TRANSTHERMAL，传热模式（详细计算管道各层温度）。

对于TGNET和SPS，等温计算的处理方法是相同的。对于换热的情况，TGNET和SPS计算方法存在差异，但计算结果表明，二者的差异较小。

2.3 压缩机模型

在TGNET中，压缩机模型有3种：通用压缩机、离心压缩机和往复压缩机。

而在SPS中，压缩机模型有6种：通用压缩机、离心压缩机、理想控制式离心压缩机、理论功率流量压缩机、往复式压缩机和可变导向叶片式压缩机。

在压缩机模型上，SPS比TGNET丰富，特别对于压缩机的控制，SPS要强大得多。但在天然气管道前期研究的稳态计算中，常用的压缩机为通用压缩机和离心压缩机两种。计算结果表明，在相同输入条件下，二者的差异不大。

2.4 气源

在TGNET和SPS中，气源数据均作为计算求解的边界条件，主要用于控制模型的求解方式，两种软件对参数的设置基本相同。二者的差异主要在于TGNET对气源的压力控制分为了最大和最小压力两种，而SPS的压力控制只有一种。

在TGNET中，主要控制方式有3种：Max Flow（最大流量）、Max Pressure（最大压力）和 Min Pressure（最小压力）。

在SPS中，主要控制方式有2种：Flow（流量控制方式）和Pressure（压力控制方式）。

2.5 用户

在TGNET和SPS中，用户数据也是作为计算求解的边界条件，主要用于控制模型的求解方式，两种软件对参数的设置基本相同。二者的差异主要在于 TGNET对用户的压力控制分为了最大和最小压力两种，而SPS的压力控制只有一种。在计算过程中，用户和气源的主要区别在于气体进出管网的方向不同。

在TGNET中，主要控制方式有3种：Max Flow（最大流量）、Max Pressure（最大压力）和 Min Pressure（最小压力）。

在SPS中，主要控制方式有2种：Flow（流量控制方式）和Pressure（压力控制方式）。

3 计算实例分析

为了进一步比较说明TGNET和SPS在稳态计算上的差异，现以实际运营的一段管道为例，采用同一参数、同样设置进行计算，比较计算结果。

3.1 管道

首先单独分析管道的情况。取出某天然气管道首站出口与第一个压气站入口间的管道，该段管道长 170km，管径 660mm，沿线的里程高程见表 1、图1。

利用管道SCADA系统采集的2008年各月首日的出入站压力、温度和流量数据，计算并校核管段末端压力参数。

表1 管道里程高程数据

图1 某管道沿线的里程、高程

3.1.1 理想的等温管道情况

从最简单的等温情况入手，假定天然气流动为等温过程，用TGNET和SPS分别作等温模拟（状态方程均采用 BWRS，摩阻计算采用 Colebrook），计算结果见表2、表3。

表2 管道等温计算结果

表3 管道等温计算结果的误差分析

从表2、表3可以看出：在相同设置的情况下，TGNET和SPS的计算结果差别很小；与实际结果相比，两款软件的计算结果均存在一定误差，其中一个重要原因是没有考虑管道沿线换热对压力参数的影响。

3.1.2 考虑换热的管道情况

将TGNET和SPS模型的计算模式选择为传热模式，输入相同的环境温度、传热系数等参数，计算结果见表4、表5。

表4 考虑传热后的管道计算结果

表5 考虑传热后管道等温计算结果的误差分析

从表4、表5可以看出：在相同设置的情况下，TGNET和SPS的计算结果差别仍然很小；与等温计算相比，两款软件的计算结果均有了改进，平均误差减小。如果要进一步提高精度，还可以考虑采用细化管道里程和高程，修正换热系数，加入各类阀的影响等措施。

3.2 通用压缩机计算

在天然气管道前期研究中，常用的压缩机模型为通用压缩机和离心压缩机。对于通用压缩机，考虑到TGNET和SPS的共同特点，统一采用最大功率模式（功率由 SCADA系统采集的自耗气量折算而来），计算通用压缩机的出口压力，计算结果见表6、表7。

从表 6、表 7可以看出：在输入相同功率的情况下，TGNET和SPS的计算结果差别仍然较小；在个别工况点，TGNET和SPS的计算误差较大，这是由于通用压缩机模型没有考虑不同转速、不同工况的影响。

3.3 离心压缩机计算

鉴于离心压缩机在管道工程中的广泛应用，现重点比较 TGNET和 SPS在离心压缩机上的计算差异。某天然气管道首站离心压缩机的性能曲线见表8。离心压缩机能头曲线、效率曲线见图2、图3。

表6 通用压缩机出口压力计算结果

表7 通用压缩机出口压力计算结果的误差分析

表8 离心压缩机性能曲线

图2 离心压缩机能头曲线

图3 离心压缩机效率曲线

由SCADA系统采集到的压缩机入口压力、入口温度、机组流量，分别计算各时间点上压缩机出口压力，计算结果见表9、表10。

表9 离心压缩机出口压力计算结果

表10 离心压缩机出口压力计算结果的误差分析

从表9、表10可以看出：在相同设置的情况下，TGNET和SPS对压缩机出口压力的计算差别较小；TGNET和SPS的压缩机出口计算结果与实际测量值存在一定差异，其主要原因是由于压缩机性能曲线取点较少，计算精度偏低。

通过对比天然气管道前期研究中常用的等温管段、换热管道、通用压缩机和离心压缩机的计算结果，TGNET和 SPS对这几种组件的计算结果很接近。对于气源和用户，由于二者只是作为边界条件体现在管网模型的方程组中，其在 TGNET和 SPS中的处理方法是相同的。

4 结论

总体来看，在相同设置、相同参数的条件下，TGNET和 SPS在天然气管道稳态计算中的差别很小。因此，软件选择是次要的，参数配置才是提高计算精度的关键。在实际使用中，可以根据具体情况选择TGNET和SPS软件。由于TGNET的界面简单，操作方便，不必编写程序，在管道规划、方案比选等前期阶段建议采用TGNET。而在管道设计、生产运行等后期阶段，建议采用 SPS。另外，如果要进行瞬态计算、逻辑控制和二次开发时，SPS具有较大优势，建议也采用 SPS。对于可行性研究阶段，在同样参数、同种设置的条件下，两种软件稳态计算的精度相当，可根据软件熟悉程度选用任一软件。

[1] Energy Solutions International. Pipeline Studio (Version 2.0)[Z].2000.

[2] Advantica. Stoner Pipeline Simulator(SPS)9.5[Z].2005.

[3] 苏欣,章磊,刘佳,等.SPS与 TGNET在天然气管网仿真中应用与认识[J].天然气与石油,2009,27(1):1-3,10.

TGNET and SPS software were commonly used in the earlier-stage research of the natural gas pipeline. The difference in the steady-state calculation between TGNET and SPS software was compared through the analysis of the calculation principle of both. Based on the actual operation parameters of a natural gas pipeline，calculation were conducted by means of TGNET and SPS software respectively. The results showed that under the same setting and same parameters condition，calculation results of TGNET and SPS software were very close，but had different distinguishing features. Therefore，the software selection was secondary，the parameter configuration was the key to improve the calculation accuracy. TGNET and SPS software would be selected on the basis of the concrete condition. In the earlier stage of pipeline planning，plan selection and so on，TGNET software was recommended. In the later stage of pipeline design，operation and so on，SPS software was recommended. For the feasibility study stage，under the same parameters and same settings condition，any one of both could be selected according to the familiarity with the software.

Variance Analysis of TGNET and SPS Software in the Steady-State Calculation of the Gas Pipeline

Liu Dingzhi，et al.

刘定智等. TGNET及SPS软件在天然气管道稳态计算中的差异分析和比较. 石油规划设计，2011，22 （5）：18～22

TE832.3，TP319

A

1004-2970（2011）05-0018-05

* 刘定智，男，工程师。2003年毕业于西南石油大学储运专业，获硕士学位。现在中国石油天然气股份有限公司规划总院从事油气管道工程前期规划研究工作。地址：北京市海淀区志新西路3号，100083。E-mail：liudingzhi@petrochina.com.cn

2010-04-24

郜婕