大型天然气管网调峰方案自动化评价系统

蔡柏松

中国石化天然气川气东送管道分公司

大型天然气管网有如下特点：①规模庞大。该系统包含的子系统﹑设备﹑进气点多，占有的空间大（距离长﹑区域宽﹑地形起伏剧烈），投资巨大，运行寿命期长。若运行管理正确，经济效益显著；若运行管理决策失误，造成的经济损失难于弥补。②结构复杂。该系统中各子系统﹑设备﹑节点之间的相互关系复杂，是多个相互制约和相互影响子系统有机结合的统一水动力场。要使系统效益全面发挥，必须对该系统运行管理进行整体考虑。③功能综合。该系统的目标多样（技术﹑经济﹑安全等等），因而，该系统的功能也是多方面的（经营管理﹑质量控制﹑社会效益等）。④信息量大。该系统是多变量﹑多输入﹑多输出﹑多目标﹑多参数﹑多干扰的系统，是必须借助计算机技术才能驾驭的系统，其最本质的东西是工程海量信息的处理和工程活动的辅助决策［1］。特别是在调峰调度管理中，如何对大型天然气管网多个调峰方案进行快速﹑准确分析﹑评价以优化该系统的运行，提高经济效益，是天然气管网调度人员关心的重大技术问题［1－2］。因此，笔者在大系统控制论［3］和多目标决策思想［4］的启发下，综合应用天然气管道输送理论［5］、综合评价理论［6－7］和决策支持系统（Decision Support System，简称DSS）理论［8－9］，开发研究《天然气管网调峰方案评价系统》（Gas Pipeline Network Peak Shaving Project Evaluation System，简称GPPES），对于更新工程管理观念、优化调峰调度运行方案、节省经营管理费用、缩短调度决策周期、提高天然气管网运行质量具有重要的意义。

GPPES应实现以下功能：在天然气管网管辖区内地形起伏、有若干进气点及已知计划进气量的情况下，动态掌握管网供气状况和各门站用气状况、若干进气点的最高（最低）压力、各管段的储气能力、各压气站机组组合方式、压气站的进、出站压力、功率消耗［9］等；技术经济指标包括动力费、管输费用等。当具有多个预选方案的工艺参数和经济指标后，用系统工程的思想方法整体考虑对各预选调峰方案进行优选排序。

预选调峰方案的生成必须根据天然气管道输送理论中气体运动方程、连续性方程、能量方程和气体状态方程，采用隐式差分法或显式差分法将上述偏微分方程离散为初等代数方程组，再根据管道具体结构及运行条件，引入相应的边界条件和初始条件进行联解才能得到。由于大型天然气管网结构的复杂性和计算方法的通用性，20世纪70年代开始，国外相关软件公司、高等院校、科研院所相继开发了天然气管道仿真软件，经过近40年的应用和改进，目前比较成熟和可靠的商业化仿真软件是 SPS （Stoner Pipeline Simulator，斯通纳管道模拟器），它是目前国际上较先进的瞬态流体仿真应用程序，可以模拟任何现有的或规划设计中的管道，对正常或非正常条件下各种不同控制策略的结果做出预测，可以模拟不同对象如用户的用气周期性变化、气源断流、压缩机故障、管线出现泄漏以及管网系统的最长工作时间等。SPS已被众多国际知名工程公司所采用，用于管道设计及分析，一些公司已将SPS视为管道分析的标准。我国大型油气管道管理和设计企业已用昂贵外汇引进了该软件，因此，如何发挥该软件的使用效率，也是油气输送企业需要深入研究的技术问题之一［10－11］。笔者研究的GPPES，其预选调峰方案集的生成由SPS仿真软件实现。以下分别介绍GPPES的功能设计和结构设计。

1 GPPES的设计

1.1 功能设计

大型天然气管网调峰方案评价系统应具有如下功能（图1）。

图1 大型天然气管网调峰方案评价系统的功能框图

1）数据管理。对天然气物性、用气不均匀系数、沿线地温传热系数等批量原始数据进行追加、输入、编辑、修改、计算、传递、打印及预处理时，具有数据管理功能。

2）SPS模拟管网工艺参数的调入。其中包括压力、流量、温度和功率的模拟（当有压缩机站、地下储气库运行时）。

3）储气调峰能力工艺计算。该模块的功能是计算SPS模拟过程中各管段的储气能力，以及各干支线末段的储气能力，并将计算结果传递到“储气调峰能力评价方案”模块中。

4）储气调峰能力评价。该模块的功能是对系统建立的储气调峰评价模型分别用4种方法进行评价。储气调峰能力的评价指标是：管道储气量、储气最高压力、储气最低压力、增压消耗功率、供需失衡户数、实际供气量、管输费用。

5）工况图像显示。为使调峰工艺参数和压气站工作特性的变化趋势更加直观，可将相关参数传到绘图系统中去，实现数据的可视化。

6）中间与评价成果输出。各阶段的数据处理结果都有相应的报表输出，报表输出形式设计为.txt数据文档，由用户将数据文档转换为Word数据文档，或转换为Excel数据文档，并连接到自己的生产报告文档中去，成为生产报告的组成部分。

7）评价系统帮助浏览。为初学者提供操作指南，内容包括：系统安装、系统启动、运行步骤、出错处理的详细说明。

1.2 结构设计

为实现上述功能设计提出的要求、决策人员操作的简捷性及储气调峰能力评价的自动化和半自动化，本系统结构按DSS的理论与方法进行设计（图2）。

图2 GPPES的结构设计图

GPPES的结构由4大部分组成：评价数据库及其管理系统、评价方法库及其管理系统、评价模型库及其管理系统、人机界面系统，如图2虚框所示。

1）数据库及其管理系统。GPPES中的数据库结构与一般的数据库结构不同，它所存储的数据是调峰方案所需的数据。调峰方案评价的各模块应能方便有效地调用各种数据。处理后的数据又能方便地送入相应的数据库中存储起来。本系统的数据库按逻辑结构分为8大类：天然气物性数据库、线路纵断面数据库、管网结构数据库、压气机组数据库、技术经济指标数据库、储气调峰能力数据库、储气调峰方案集评价数据库。数据库管理系统负责管理和维护GPPES所需要的各类数据，实现与方法库、模型库及人机界面的连接，使GPPES结构中的各个模块能方便有效地调用各种数据，完成对各类数据的处理和分析，达到有效决策的目的。

2）模型库及其管理系统。模型库是用来存储辅助决策所需要的各类模型。本模型库中有储气调峰能力评价模型、输气站影响力评价模型、管网动态储气模型、输气站储气调峰模型［12］、曲线拟合模型［13］、表格模型［9］等。模型在 GPPES中采用2种存放形式：①把1个模型作为1个子程序，这样模型库实际上就成为程序库；②有些模型也可以看作一组用数据集表示的关系，如压气机的特性参数［14］。这样就可以作为数据存放，从而使得模型库和数据库能用统一的方法管理，便于模型的修改和更新；模型库管理系统的功能，就是实现对各个模型的维护、修改和连接，以及实现模型库与方法库、数据库及人机界面的连接。

3）方法库及其管理系统。评价方法库有多种方法；存储有工艺计算方法的单元模块和组合模块，包括：天然气物性参数和状态参数、压气机特性参数、输气管热力、水力等计算方法；方法库管理系统的功能，就是实现对各方案评价、工艺计算方案的组合和连接，以及实现方法库与数据库、模型库及人机界面的连接。

4）人机界面。人机界面是用于实现决策人员和GPPES连接的程序接口，其主要功能是：①检查和接收决策人员输入的数据和操作步骤，并输出系统运行后的结果，具体体现在数据输入与输出、储气调峰工艺计算、方案评价与优选等菜单中；②协调和管理数据库、模型库、方法库3大管理系统之间的连接和数据传递，保证各子系统之间友好协调地工作；③为决策人员提供良好而使用方便的接口功能，如操作简捷的按钮、菜单式屏幕提示、出错处理和错误类型提示，使GPPES成为无师自通的高级“傻瓜”软件。

1.3 GPPES的规模

本系统用 MATLAB、VFP、SPS、Office联合编程实现上述功能，系统由675个文件组成。系统全部运行一遍可获天然气管网储气调峰能力方案评价成果20类报表。

2 工程实例

正在运行的大型天然气管网，主干网络全长2 182 km，管网经过地区地形起伏较大；管网系统有25座输气站，3座压气站（A、B、C站），2座地下储气库（D、E库）。试利用GPPES评价输气量为91×108m3／a的储气调峰方案。

某天然气管网向输气站计划供气情况见表1。部分压气站投入运行，地下储气库不投入运行；压气站出站最高压力为9.88MPa；管网最低压力点压力为4.00MPa。

按照方案评价步骤，将原始数据准备就绪后，送入SPS进行仿真，仿真结果输出后，生成储气调峰方案，再重新调整管网工艺参数，更新SPS软件的数据接口文件，再次启动SPS，获得另一组储气调峰方案。本工程实例中反复调整管网工艺参数6次，获得6个储气调峰方案，结果见表2（篇幅所限，评价过程和各方案恕不一一列出），经综合评价后获得各种评价方法的排序结果（表3）。

表1 某天然气管网向各输气站计划供气情况一览表

表2 某天然气管网调峰评价预选方案一览表

表3 某天然气管网调峰方案各种方法综合评价结果表

本系统中选取管网储气量、储气最高、最低压力、增压消耗功率、管输动力费用、供需失衡户数、实际供气量、管输收入作为储气调峰方案的评价指标。其中，管网储气量、储气最高压力、实际供气量、管输收入是高优指标；而储气最低压力、增压消耗功率、管输费用、供需失衡户数是低优指标。

评价系统中分别采用秩和比法［15］（方法1）、累积值法［4］（方法2）、优异度法［4］（方法3）对各储气调峰方案进行评价排序。由于不同的评价方法获得的评价结果有所差异，为了解决这个问题，再用最大兼容度法［16］（方法4）对前面3种方法进行综合评价。因此，方法4的排序结果即是综合评价的结果。

经评价排序表明，原第1方案为最佳储气调峰方案，管网储气量为1 362.476×104m3／d，储气最高压力为9.834MPa，最低压力为4.566MPa，增压消耗功率为23.375MW／h、管输动力费用为0.005 10元／（km3·km）、供需失衡户数为14户、实际供气量为92.418×108m3／a、管输收入为50.351亿元／a。增压所消耗的功率是启动的A、B号压气站，管网储气量按B号压气站后的管网长度计算。

3 结论

1）全面、系统地提出了大型天然气管网储气调峰能力评价的模式和方法。

2）通过综合评价，实现了用简捷的评价模型获得大型复杂天然气管网的最佳调峰调度方案，突破了用经典优化方法建立、求解该管网优化调度数学模型难度很大的瓶颈问题。

3）该系统有效地改善了输气调度管理决策的环境，提高了调峰调度管理决策的及时性和科学性。

4）方案生成与方案选择自动化。每运行一次，自动生成一种评价方案；对多次运行的各方案进行总体评价排序，并能挑选出既满足工艺要求、满足用户用气需求，又经济合理的调峰调度方案。

5）分别采用4种不同的评价方法实现了储气调峰方案的组合评价。

6）离散数据的自动建模。参加方案评价的数据均能自动建立方案评价的数学模型，供方案评价使用。

7）对更新工程技术人员在天然气管网调峰调度管理中的观念和模式，对优化调峰调度运行方案、节省经营管理费，缩短调度决策周期，提高天然气管网运行质量起到了促进作用。

8）SPS仿真软件利用率大大提高，在储气调峰方案生成中发挥了重要作用。

GPPES的开发是一项复杂的系统工程，有关工作刚刚起步，缺乏成熟经验，本系统项目组将在实践应用的过程中对系统进行的进一步检验、改进和完善。

［1］姚安林，赵忠刚，张锦伟.油气管道风险评估质量评价技术［J］.天然气工业，2013，33（12）：111－116.YAO Anlin，ZHAO Zhonggang，ZHANG Jinwei.Quality evaluation for oil and gas pipeline risk assessment［J］.Natural Gas Industry，2013，33（12）：111－116.

［2］吴志平，蒋宏业，李又绿，等.油气管道完整性管理效能评价技术研究［J］.天然气工业，2013，33（12）：131－137.Wu Zhiping，Jiang Hongye，Li Youlü，et al.Efficiency appraisal of oil ＆gas pipeline integrity management［J］.Natural Gas Industry，2013，33（12）：131－137.

［3］涂序彦，王枞，郭燕慧.大系统控制论［M］.北京：国防工业出版社，1994.TU Xuyan，WANG Cong，GUO Yanhui.Large systems cybernetics［M］.Beijing：National Defense University Press，1994.

［4］刘宁，王登瀛.实用多目标分析与优选［M］.武汉：武汉出版社，1998.LIU Ning，WANG Dengying.Practical multi－objective analysis and optimization［M］.Wuhan：Wuhan Publishing House，1998.

［5］LURIE M V.Modeling of oil product and gas pipeline transportation［M］.SINAISKI E G，Trans.Weinheim：WILEY－VCH Verlag GmbH ＆ Co.KGaA，2008.

［6］王新华，李堂军，丁黎黎.复杂大系统评价理论与技术［M］.济南：山东大学出版社，2010.WANG Xinhua，LI Tangjun，DING Lili.Evaluation theory and technology of large complex systems［M］.Jinan：Shandong University Press，2010.

［7］迟国泰，王卫.基于科学发展的综合评价理论、方法与应用［M］.北京：科学出版社，2009.CHI Guotai，WANG Wei.Comprehensive evaluation theory，method and application based on scientific development［M］.Beijing：Science Press，2009.

［8］高洪深.决策支持系统（DSS）理论与方法［M］.4版.北京：清华大学出版社，2009.GAO Hongshen.Decision support system（DSS）：Theory and method［M］.4thed.Beijing：Tsinghua University Press，2009.

［9］胡于进，凌玲.决策支持系统的开发与应用［M］.北京：机械工业出版社，2006.HU Yujin，LING Ling.Development and application of decision support systems［M］.Beijing：China Machine Press，2006.

［10］艾慕阳.大型油气管网系统可靠性若干问题探讨［J］.油气储运，2013，32（12）：1265－1270.AI Muyang.Discussion on issues regarding the reliability of large－scale oil and gas pipeline network systems［J］.Oil ＆Gas Storage and Transportation，2013，32（12）：1265－1270.

［11］尤秋菊，樊建春，朱伟，等.天然气管网系统风险评估［J］.油气储运，2013，32（8）：834－839.YOU Qiuju，FAN Jianchun，ZHU Wei，et al.Risk assessment of natural gas pipeline networks［J］.Oil ＆ Gas Storage and Transportation，2013，32（8）：834－839.

［12］严铭卿，廉乐明.天然气输配工程［M］.北京：中国建筑工业出版社，2005.YAN Mingqing，LIAN Leming.Natural gas transmission and distribution engineering［M］.Beijing：China Architecture ＆Building Press，2005.

［13］宋叶志，贾东永.MATLAB数值分析与应用［M］.北京：机械工业出版社，2009.SONG Yezhi，JIA Dongyong.MATLAB numerical analysis and application［M］.Beijing：China Machine Press，2009.

［14］ABBASPOUR M，KRISHNASWAMI P，CHAPMAN K S.Transient optimization in natural gas compressor stations for linepack operation［J］.Journal of Energy Resources Technology，2007，129（4）：314－324.

［15］陈正伟.综合评价技术及应用［M］.成都：西南财经大学出版社，2013.CHEN Zhengwei.Technology and applications of comprehensive evaluation［M］.Chengdu：Press of Southwest Finance ＆ Economics University，2013.

［16］秦寿康.综合评价原理与应用［M］.北京：电子工业出版社，2003.QIN Shoukang.Principles and applications of comprehensive evaluation［M］.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2003.