PNS、TGNET与SPS在气体长输管道中的应用对比

王全德 王盼锋 郭建伟

（1.西安石油大学，陕西 西安 710065；2.中国石油西南油气田公司输气管理处，四川 成都 610051）

0 引言

目前，德国公司GL-GROUP 的SPS 和英国公司ESI的PIPELINE STUDIO（分为气态仿真TGNET 和液态仿真TLNET）在管网仿真软件领域知名度较高，而国产化仿真软件PNS（Pipeline Network Simulation）也在迅猛发展。PNS管网仿真软件适用于任意结构和规模的管网，根据管网系统及设备的基本流动关系（质量、动量和能量守恒）建立管网模型，实现管网静、动态仿真，精确模拟管网系统水力、热力分布和动态变化过程，展示各单元及其内部流体及流动特征。SPS 和PNS 软件均有在线和离线仿真两种模式，而TGNET只有离线仿真模拟［1-5］。国外大量管线和国内西气东输、川气东送、陕京二线等大型管道都应用了SPS 和TGNET 仿真软件［6-9］，并取得显著成效。而近几年来，逐渐成熟的仿真软件PNS 应用于榆济管线、西气东输一线、西气东输二线、川气东送管线、咸宝线等取得了良好的现场效果。通过对以上3款软件在输气管道应用方面进行全方位对比，以期对管网仿真软件使用者给出应用选择的指导性建议。

1 流体模型概述

TGNET 软件中分别建立了理想气体和真实气体的状态方程。其中，真实气体状态方程如Sarem、NX-19、AGA-8、Ideal在适用范围（如美国输气管道的压力、温度、组分范围）内比较准确，SRK、Peng-Robinson和BWRS方程有更广的适用范围，甚至可用于液态烃和气、液平衡计算；BWRS 最复杂，计算速度较慢，但使用最为广泛，而Sarem 最简单，计算速度最快；Sarem 适用于干气，BWRS 适用于湿气，Peng-Robinson适用于所有气体。

SPS 软件中气体模型只采用了AGA、BWRS 和CNGA 3种方程［10］，其中，CNGA 方程只需输入气体比重，AGA 方程是天然气混合物应用最准确、最广泛的公式，但是对于计算热力学性质有一定局限性。

PNS软件中应用了“酸气+水系统”相平衡分析模型AQUAlibrium［11-13］，基于NIST 数据库、Peng-Robinson 状态方程和NIST 改进方法的NIST Database模型以及AGA8天然气模型。

2 管道基础数据

以国内某长输管道为例进行建模，首先需要获取的基础数据包括：管道全长504 km，首站增压至8.5 MPa输送，设计年输量42×108m3；管线为沿线5座城市稳定供气，全线管径Φ711×14.2，设计压力10 MPa，沿线各城市下载量见表1所示。

表1 某长输管道沿线各城市下载量分配表

3 建模过程

3.1 TGNET

①模型搭建：选取BWRS 方程后进行实物模型搭建。在Supply 中输入气源气体组分及性质，并控制气源压力，在Delivery 中控制城市下载量，在pipe中输入管道相关信息、控制管道步长，注意摩阻公式统一选取Colebrook White。注意TGNET 不能在pipe中输入管道高程信息，只能在节点输入高程，因此有必要建立较多管道以减小高程带来的影响。②有效性检验：建模完成后进行有效性检验，系统会出现建模错误信息，便于更正建模错误，将其修改完后方可运行。③工况运行：稳态模拟是动态模拟的基础，若稳态运行不收敛，则模型还会报错，需继续检查模型；当收敛时，证明运行结束，此时可查看任意用户、管道、节点的运行结果。当动态模拟时，在Transient Scenario 中建立动态脚本，添加必要约束，控制City1用户在1 h后下载量下降到10 000m3／h，查看该下载点压力变化情况，脚本建立完成后进行动态模拟。④结果读取：稳态、动态运行结束后，首先选中需要查看的对象，再添加数据，即可直接查看结果，可导出数据到其他文本中。

3.2 SPS

①模型搭建：SPS 建模有实物建模和Inprep 文件编程建模两种方式，在此采用实物建模。选择BWRS方程后输入气质组分，Externals控制供气和用气量，即Take和Sale，另外SPS中可将管道高程信息导入pipe 中，因此不用建立过多管道，使模型更加简化。②有效性检验：SPS 可省去有效性检验直接进行仿真预测，会列出一系列警告和错误以供用户修改。③工况运行：进行该步骤的前提是INTRAN启动文件正确。需要新建具体的分布图和趋势图才能看到稳态的具体变化过程，可随时停止并保存状态，直到系统稳定，运行过程中，可随时更改部分参数；动态模拟时，在INTRAN文件中编写代码，然后运行，只是过程较复杂，对操作人员能力要求较高。④结果读取：当运行稳定后，读取结果常用Trans 实时查看或者用ingraf 读取整理数据；也可在SimPlot中新建需要查看的图表，或者直接打开review文件查看，导出所需数据。

3.3 PNS

①模型搭建：PNS 采用拖拽方式建模，无需编程和专门记忆。选择AGA 模型输入气质组分，模型中各用户、阀室、管道连接点都简化为一个节点，从而添加控制参数；在pipe 中可导入沿线高程信息，水力模型选择Colebrook，在仿真选项中设置管道步长和最大最小步长；在项目管理器中添加需要查看的分布图和趋势图，在资源库中可添加压缩机特性等参数。当在节点输入流量为正，节点显示为绿色表示流体流入节点，若为负，则节点显示为红色，表示流体流出节点。②有效性检验：和前两款软件类似，PNS 也具备有效性检验功能。③工况运行：在仿真选项中，通过控制仿真层数和时间步长来确定稳态与动态，仿真层数设置1为稳态，大于1为动态，此处动态设置层数为12，时间步长为5 min，即1 h后设置City1下载量为10 000 m3／h。动态的前提是稳态运行稳定，接着改变仿真层数和时间步长，然后进行动态仿真。④结果读取：由于已在项目管理器中设置好了分布图和趋势图，所以只需等待运行稳定后查看相关数据，可导出数据到其他文本中。

PNS 项目管理器中有4 种泄漏检测方法，其中，动态模型压力分布法（PPRTM）是一大创新之处。与在线仿真相结合，可直观地进行天然气泄漏检测［14-17］。PNS仿真运行后，若管道颜色为红色，则表示管内流体与管道建模方向相反，加之节点流量、压力控制特征，使仿真模型更加形象化。

4 仿真结果

4.1 静态

管网静态仿真是管网系统在定常条件下的流动状态和规律，流态不随时间变化，是操作工况的最终状态或平均流动结果［13，18］。在静态仿真下，分别得出各软件模拟全线压力、流量分布结果，如图1、图2及图3所示。

图1 TGNET模拟全线压力、流量分布图

图2 SPS模拟全线压力、流量分布图

图3 PNS模拟全线压力、流量分布图

将3 款软件模拟的压力数据绘制在同一坐标系中，如图4所示。

图4 PNS、TGNET与SPS模拟全线压力分布图

各下载点模拟压力与实际进站压力对比见表2所示。

表2 各下载点进站压力对比表（kPa）

由图4 可以看出，SPS 与PNS 的压力趋势基本一致，而TGNET 由于没有管道具体高程信息，只在管道节点处存在高程，仿真计算过程中对管道的插值计算部分较为简单，基本按照线性化处理［14-15］，同时由于节点数量、位置等设置的问题，所以压力偏差在100 km 后越来越大，沿线最大压力偏差0.36 MPa，由于控制City5进站压力为3.8 MPa，所以靠近末站处压力偏差减小。总体来说，三大软件模拟全线压力分布基本一致。SPS与PNS压力存在微小偏差（如在300 km 和380 km 处），偏差原因有：管道步长、某些计算方法的选取不同以及收敛条件差异等。

由表2可以看出，各下载点实际进站压力与软件模拟压力最大偏差仅为351 kPa，均符合管网仿真模拟要求。除了三款软件各自的使用差异外，静态模拟结果表明使用三款软件进行仿真，数据偏差不会太大，均符合输气管道工艺设计计算。

4.2 动态

管网动态仿真是在管网系统瞬变情况下不同时刻的流动状态和变化过程，描述工况变化给管网带来的影响［13，18］。

动态测试中，在其他条件不变的情况下，将1 h后City1 的供气量由16 120 m3／h 降为10 000 m3／h，观察各下载点的压力变化，模拟结果汇总如下：

当City1 下载量在1 h 后下降时，City1 供气压力增大，约24 h后压力趋于稳定，3款软件模拟的稳定压力和时间有所不同，但基本一致，其原因同样可用静态中出现的偏差因素解释。各下载点压力静、动态变化见表3。

表3 TGNET、SPS与PNS模拟各下载点压力对比表

表3 表明：各下载点仿真压力偏差均在300 kPa以内，在长距离输气管道中，这种偏差符合实际设计要求。当City1用气量下降后，由于气源供气稳定且管道末段储气的缘故［19-20］，管线压力整体升高。加之其余下载点用气稳定，所以各下载点压力普遍上升，当运行25～30 h 后，各下载点压力趋于稳定。同样，3款软件均可模拟异常工况下管内气流的流动状态，为实际管网的运行和维护提供可靠有力的保障。

3 款软件的动态模拟中，SPS 和PNS 的各下载点压力明显高于TGNET 各对应点。在实际运行过程中，SPS与PNS的模拟压力会随着时间呈现可视化的变化，其中，SPS 可以随时停止并保存所需要的状态，PNS 则可以终止该状态，而TGNET 不会出现前两款软件所展现的动态变化，只能直接查看模型稳定后的结果图。PNS能展示模型方程组的迭代次数及精度，TGNET 只能通过收敛趋势图查看收敛情况。总的来说，三款软件动态模拟均适用于天然气管道工艺设计及计算。

5 结论及建议

1）PNS、SPS 与TGNET 对实际气体长输管道的静、动态模拟均能满足气体管道的设计与计算要求。从模型搭建到仿真结果可以看出，PNS 与TGNET 的动态模拟通过设置动态脚本来实现，因此更容易理解和方便使用，PNS更利于初学者使用，其操作界面可视化程度高，简单易懂；TGNET 便于查看图表，不足就是管道中不能导入高程信息，对模型的计算差值过程有影响，待校验数据收敛后才能查看运行结果；SPS和PNS均可在动态模拟时实时观看数据变化，SPS能随时保存变化状态，只是逻辑控制较复杂，对初学者而言使用稍显困难。

2）PNS 操作简单，参数设置方便，在天然气泄漏检测方面有所创新；TGNET 可选流体模型较多，操作界面友好，图表输出较为方便；SPS有实物和编程两种建模方式，更适用于逻辑控制和操作工况更复杂的管网，尤其是动态模拟工况，其运行速度快，可随时查看并保存实时状态和数据。