天然氣管網(wǎng)經(jīng)濟效益研究與系統(tǒng)設(shè)計

尤永建，王少杰，彭喜亮，李加院，周 飛，徐向軍

(中石化天然氣榆濟管道分公司，山東 濟南 250101)

世界天然氣工業(yè)的飛速發(fā)展及天然氣消費地區(qū)和用戶數(shù)量的不斷增加，加快了天然氣的管道建設(shè)[1]。油氣管輸定價直接影響著油氣管道的建設(shè)與發(fā)展，國外發(fā)達國家均對油氣長距離管道運輸費率及服務(wù)標準實行了較為嚴格的監(jiān)管[2]。美國、俄羅斯、歐盟天然氣管網(wǎng)的經(jīng)營管理模式各有特點，油氣管網(wǎng)運營模式和監(jiān)管機制存在較大差異，不存在普適的最優(yōu)模式[3]。進入21世紀以來，中國新建天然氣管線上萬千米。大慶至哈爾濱的天然氣管道建成后，促進了天然氣清潔能源為東北老工業(yè)基地建設(shè)服務(wù)，并推動我國“北氣南下”戰(zhàn)略的實施[5]。近10年來，我國管道建設(shè)水平有較大的提高，并開始向長距離、大口徑、高壓力和高度自動化管理方向發(fā)展[6]。利用長輸管道輸送天然氣會消耗大量能源，天然氣管道輸送過程中產(chǎn)生的輸送能耗相當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]。傳統(tǒng)管道能效管理手段主要是通過提高站場耗能設(shè)備效率，達到提高管道能效、實現(xiàn)節(jié)能減排的目的[8]?，F(xiàn)代能效管理手段是將管道自動化技術(shù)、仿真技術(shù)、信息技術(shù)與節(jié)能優(yōu)化運行的工藝技術(shù)、管理技術(shù)相結(jié)合，統(tǒng)籌考慮運行方案的最優(yōu)化，使管道、管網(wǎng)總體能效最高[9]。我國陸續(xù)引進了多種國際先進的智能化輸氣管道效益軟件。國內(nèi)在軟件實現(xiàn)的功能和應(yīng)用廣度等方面處于劣勢，油氣管網(wǎng)優(yōu)化運行的理論與方法還處在摸索階段，現(xiàn)在還沒有專門用于油氣管網(wǎng)建設(shè)經(jīng)濟性商業(yè)軟件。

面對越來越龐大、復(fù)雜的天然氣管道輸送網(wǎng)絡(luò)，急需對其進行系統(tǒng)的分析，利用計算機系統(tǒng)對管道進行運行調(diào)節(jié)，預(yù)測不同運行方案下的操作結(jié)果，并對華北管網(wǎng)天然氣輸配管道系統(tǒng)計算出其最佳路線，以便更好地服務(wù)我國天然氣管道系統(tǒng)，為我國管網(wǎng)安全可靠的輸氣性運營提供支撐[10]。筆者主要研究了Y管網(wǎng)、S管網(wǎng)、T管網(wǎng)和E管網(wǎng)管輸費的計算方法，計算了現(xiàn)有傳輸路線的管輸費及優(yōu)化傳輸路線的管輸費，并對計算結(jié)果進行對比分析；計算路線地圖上任意泵站所有的傳輸路線管輸費并對比分析計算結(jié)果，同時在地圖上顯示最優(yōu)傳輸路線；提出一種改進的單純形算法，并用改進的單純形算法優(yōu)化計算管道各泵站的最優(yōu)下氣量。

1 各管輸公司管輸費用計算

1.1 Y管網(wǎng)

甲管線歸屬于某天然氣分公司，甲管線的氣源主要有2個：氣源1主要供給甲管線的東段用戶；氣源2主要供給甲管線西段。甲管線管輸費按輸氣里程計算，以進氣點為起點，計算沿途輸送里程，里程費率為(里程×0.436 3)/1 000。

乙管線歸屬于某天然氣分公司，乙管線的供氣來源有氣源2以及氣源3。乙管線屬于共同承運性質(zhì)，由Y管網(wǎng)公司和S管網(wǎng)公司共同承運，管輸費價格由2家公司各收取0.09元/m3。

丙管線同屬于某天然氣分公司。由氣源2供氣，輸運由Y管網(wǎng)公司與S公司共同承運[11]。

用F表示Y公司管輸費總費用，Z1為甲線管輸費，Z2為乙線管輸費用，Z3為丙線管輸費用，Y公司管輸費總費用F為：

F=Z1+Z2+Z3

(1)

甲線管輸費用Z1為：

(2)

乙線管輸費用Z2為:

Z2=QzKz

(3)

丙線管輸費用Z3為：

Z3=QaKa

(4)

式中：K為甲線輸氣里程公里費率，0.436 3元/(千公里·m2)；Li為各輸氣站距離東段輸氣首站的距離，m；Qi為各站下氣量，m3；Lb為各輸氣站距西段輸氣首站的距離，m；Qb為各站下氣量，m3；Kz為乙輸氣費率，元；Qz為乙線用氣量，m3；Qa為丙線輸氣量，m3；Ka為丙線輸氣費率，元。

1.2 S管網(wǎng)

S管道公司負責(zé)給S省內(nèi)用戶供氣，以及供給甲管線及乙管線，S管網(wǎng)由氣源2供氣；同時，氣源3通過T管網(wǎng)向S管網(wǎng)供氣。但經(jīng)現(xiàn)場實際調(diào)研，E管線開通運行后，T管網(wǎng)暫停向S管網(wǎng)輸氣。整個S管道公司管輸費分為3部分，由省內(nèi)用戶、乙線共同承運、丙線共同承運組成。省內(nèi)用戶管輸費為0.18元/m3；由S管道公司和Y管道分公司共同承運的(Y公司乙線、丙線屬于共同承運)，S管道公司和Y管道分公司各收取0.09元/ m3的管輸費。

S公司管輸費用計算式如下：

S=KsQs+KzQz+KaQa

(5)

式中：Ks為S省輸氣費率，元；Qs為S省內(nèi)用氣量，m3。

1.3 T管網(wǎng)

T管網(wǎng)負責(zé)供給T市內(nèi)用戶用氣以及供給E管線用戶用氣，T管網(wǎng)由氣源3供氣。在國家發(fā)改委核定T管道管輸價格前，T管道的管輸費暫按可行性研究報告(第五冊)內(nèi)價格0.135 8 元/m3執(zhí)行。

T管網(wǎng)管輸費用計算式如下：

T=KtQt

(6)

式中：Kt為t市輸氣費率；Qt為t市用氣量。

1.4 E管網(wǎng)

E管網(wǎng)從T管網(wǎng)某站開口接氣，向沿線各用戶供氣，最終供給某儲氣庫，同時E管線向丙管線供氣。E管網(wǎng)管輸費按國家相關(guān)文件規(guī)定，管輸費用計算按輸氣里程計算，管輸費率為0.282 1元/(km·m3)。E管網(wǎng)管輸費計算式為：

(7)

式中：Ke為E管線輸氣費率，元/( km·m3)；Li為輸氣距離，m；Qi為各站輸氣量，m3。

1.5 承運關(guān)系

Y管網(wǎng)[甲管線、乙管線和丙管線(共同承擔(dān))]的承運關(guān)系如圖1所示。

圖1 Y管網(wǎng)承運圖

S管網(wǎng)：S管網(wǎng)[省內(nèi)用戶、乙管線與丙管線(共同承擔(dān))]的承運關(guān)系如圖2所示。

圖2 S管網(wǎng)承運圖

T管網(wǎng)的承運關(guān)系如圖3所示。

圖3 T管網(wǎng)承運圖

E管網(wǎng)承運關(guān)系如圖4所示。

圖4 E管網(wǎng)承運圖

2 路徑擇取

管網(wǎng)之間互聯(lián)互通，由于各管線的管輸費用計算準則不同，天然氣在管道中的流向?qū)Q定管網(wǎng)公司的管輸效益。將管線轉(zhuǎn)化為樹狀結(jié)構(gòu)，從某氣源S出發(fā)，建立1個新節(jié)點S，氣源為起始點，同時建立新節(jié)點A，節(jié)點A的父節(jié)點為節(jié)點S，將節(jié)點A加入至節(jié)點S的子節(jié)點列表，持續(xù)對后續(xù)節(jié)點進行循環(huán)操作，直至末端站點，找到所有名稱為目標站點的節(jié)點，即為有效節(jié)點。循環(huán)保存有效節(jié)點的父節(jié)點直至氣源，即為該氣源至目標氣站的路線。根據(jù)各管輸公司管輸費用計算出每條可選管線的管輸費，對比每條路徑得出最優(yōu)傳輸管線。函數(shù)算法如圖5所示。

圖5 路徑擇取運算流程圖

3 管輸效益計算

3.1 優(yōu)化算法3.1.1 單純形法

采用單純形算法建立輸氣模型，尋求最優(yōu)輸氣方案[12]。單純形算法就是秉承“保證每一次迭代比前一次更優(yōu)”的基本思想：若標準形式的線性規(guī)劃存在最優(yōu)解， 則必存在最優(yōu)基本可行解。因此求解線性規(guī)劃問題歸結(jié)為尋找最優(yōu)基本可行解。單純形法的基本原理是從一個基本可行解入手， 求使目標函數(shù)值有所改善的另一基本可行解， 通過對基本可行解不斷改進，最終得到最優(yōu)可行解，計算流程如圖6所示。

圖6 單純形法運算流程圖

3.1.2 修正單純形法

單純形法中θ規(guī)則和最速變化規(guī)則仍是修正單純形法應(yīng)遵循的基本原則，主要區(qū)別是在逐次迭代中不再以高斯消去法為基礎(chǔ)，而是由舊基陣的逆去直接計算新基陣的逆，再由此確定檢驗數(shù)。這樣做可以減少迭代中的累積誤差，提高計算精度，同時也減少了在計算機上的存儲量，因此， 修正單純形法是在計算機上求解線性規(guī)劃問題的實用而有效的方法，計算流程如圖7所示。

圖7 修正單純形法運算流程圖

4 軟件設(shè)計及特色

4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

天然氣管網(wǎng)經(jīng)濟效益分析系統(tǒng)的主要功能包括管輸費計算、最優(yōu)路徑和優(yōu)化算法。該系統(tǒng)能夠計算各管網(wǎng)公司的管輸費，同時可以通過優(yōu)化算法優(yōu)化當前方案并給出優(yōu)化前后數(shù)據(jù)圖表對比，也能計算各站點的輸氣線路及效益對比以及最優(yōu)傳輸線路高亮顯示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 功能模塊結(jié)構(gòu)圖

4.2 工作流程

首先根據(jù)天然氣管網(wǎng)經(jīng)濟效益分析系統(tǒng)直接查看管網(wǎng)各條線路中各個站點的具體情況，并且設(shè)置各個站點的下氣量以及每條線路的費率，然后進行仿真計算，將計算結(jié)果與最優(yōu)線路結(jié)果進行對比，直觀地看出經(jīng)濟效益的不同，流程如圖9所示。

4.3 軟件特色

采用Unity3D開發(fā)的系統(tǒng)具有直觀友好的人機界面，操作便捷高效，并充分地考慮了該管網(wǎng)供輸氣的實際情況。將自由配置的輸氣方案與最優(yōu)方案的經(jīng)濟效益進行對比，結(jié)果用圖表顯示更加直觀鮮明，便于用戶使用。

圖9 系統(tǒng)工作流程圖

該系統(tǒng)適用于相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員、調(diào)度人員及現(xiàn)場工作人員等。應(yīng)用前景好，基本可以解決當前華北管網(wǎng)輸氣調(diào)配和公司效益問題，而且該系統(tǒng)可為今后新建管網(wǎng)提供幫助，可自行創(chuàng)建站點功能。

4.4 實例應(yīng)用及對比分析

現(xiàn)有的輸氣方案主要以管輸平衡為主及用戶供應(yīng)量的計劃來制定。在現(xiàn)行的輸氣計劃中，以滿足用戶需求為主要約束，得到的各管網(wǎng)公司的效益如表1所示。

表1 各管網(wǎng)公司效益

運行軟件，點擊進入計算界面，在氣源1輸入900萬m3，氣源2輸入2 200萬m3，氣源3輸入1 900萬m3，配氣下限比例設(shè)置為0.5，系數(shù)K1設(shè)為0.436 3，系數(shù)K2設(shè)為0.09，系數(shù)K3設(shè)為0.18，系數(shù)K4設(shè)為0.135 8，系數(shù)K5設(shè)為0.221，運行得出各個分量的數(shù)值，如表2所示。

表2 各分輸站下氣量

各個管網(wǎng)公司的效益界面如圖10～圖13所示。

圖10 Y管網(wǎng)公司效益界面

圖11 S管網(wǎng)公司效益界面

圖12 T管網(wǎng)公司效益界面

圖13 E官網(wǎng)公司效益界面

通過優(yōu)化算法計算得出各公司管輸費，結(jié)果如表3所示。由表3中可以看出，在原有的輸氣方案中，產(chǎn)生的管輸效益為1 071.8萬元；經(jīng)過采用科學(xué)合理的算法優(yōu)化后，得到的各公司管輸效益之和為1 147.9萬元，比原有方案多出76.07萬元。由此可見，優(yōu)化之后的方案能顯著提升管輸企業(yè)的效益收入。

表3 優(yōu)化后各管網(wǎng)公司效益

分析清豐縣內(nèi)站點18傳輸路線及其效益，在管網(wǎng)地圖上點擊站點18，在彈出的“站點編輯”界面上點擊計算，則顯示所有傳輸路線及各路線具體傳輸信息，同時地圖上高亮顯示，如圖14所示。點擊“對比”可以得到各線路的管輸費，如圖15所示。

圖14 站點18傳輸線路

圖15 站點18傳輸線路效益對比

5 結(jié)論

通過測試分析，該天然氣管網(wǎng)經(jīng)濟效益分析系統(tǒng)能夠準確進行華北管網(wǎng)各個輸氣公司相應(yīng)的管輸費計算，在系統(tǒng)地圖中計算并顯示目標站點的所有輸氣線路，直觀高亮顯示了最優(yōu)輸氣路徑，同時對實際路徑和最優(yōu)路徑二者效益進行了柱狀圖對比，便于工作人員快速對比目標站點傳輸路線和相應(yīng)的經(jīng)濟效益。充分利用改進的單純型算法計算優(yōu)化方案下的經(jīng)濟效益，并提供優(yōu)化方案和實際方案的經(jīng)濟效益對比，在系統(tǒng)中充分證明了天然氣管網(wǎng)經(jīng)濟效益分析系統(tǒng)的程序的正確性。很好地解決了華北管網(wǎng)中各輸氣公司輸配氣的問題，為華北管網(wǎng)輸氣效益的優(yōu)化提供了安全、高效、經(jīng)濟的保障，可以更加合理地調(diào)度天然氣，滿足用戶需求的同時解決了由于輸氣供需端的不合理帶來的經(jīng)濟效益上的損失，具有一定的實際應(yīng)用價值。