劉定智 郜婕 梁嚴(yán) 張?zhí)?/p>

（1.中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院；2.昆侖能源湖北黃岡液化天然氣有限公司）

0 引言

天然氣工業(yè)從勘探、開發(fā)、管輸?shù)戒N售是一條緊密聯(lián)系的產(chǎn)業(yè)鏈。為了促進(jìn)天然氣產(chǎn)業(yè)鏈上中下游協(xié)調(diào)發(fā)展，在規(guī)劃階段就需要統(tǒng)籌考慮各環(huán)節(jié)特點(diǎn)和發(fā)展趨勢，通過產(chǎn)運(yùn)銷平衡分析，編制產(chǎn)運(yùn)銷規(guī)劃方案。在天然氣產(chǎn)運(yùn)銷規(guī)劃工作中，方案校核是一項(xiàng)重要內(nèi)容。在業(yè)務(wù)流程上，方案校核是實(shí)現(xiàn)規(guī)劃業(yè)務(wù)閉環(huán)管理的重要環(huán)節(jié)；在校核過程中，通過細(xì)化各環(huán)節(jié)工藝約束，提前發(fā)現(xiàn)并解決各環(huán)節(jié)局部瓶頸，使規(guī)劃方案更貼近實(shí)際，提高方案合理性。

管網(wǎng)環(huán)節(jié)是天然氣產(chǎn)運(yùn)銷規(guī)劃方案校核重點(diǎn)，通常采用仿真軟件完成管網(wǎng)校核工作。TGNET管網(wǎng)仿真軟件是校核天然氣產(chǎn)運(yùn)銷規(guī)劃方案的常用工具。該軟件具有操作簡便、價格適中、穩(wěn)態(tài)計(jì)算精度較高等特點(diǎn)［1］。產(chǎn)運(yùn)銷方案校核過程如下：

（1）將產(chǎn)運(yùn)銷方案轉(zhuǎn)換為TGNET模型；

（2）利用TGNET軟件仿真計(jì)算；

（3）分析仿真結(jié)果，完成校核工作。

將產(chǎn)運(yùn)銷方案轉(zhuǎn)換為TGNET模型是校核基礎(chǔ)，但人工繪制拓?fù)淠Ｐ凸ぷ髁烤薮?、耗時很長、校核效率較低。提高TGNET模型轉(zhuǎn)換效率是提高產(chǎn)運(yùn)銷方案校核整體效率的關(guān)鍵。

1 TGNET模型的轉(zhuǎn)換進(jìn)程

1.1 手工繪制的管網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ?/h3>

天然氣產(chǎn)運(yùn)銷平衡方式不同，TGNET模型的轉(zhuǎn)換方法也不同。采用 Excel人工平衡方式生成產(chǎn)運(yùn)銷方案時，首先利用TGNET建模工具，手工繪制管網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ?，再以拓?fù)淠Ｐ蜑榛A(chǔ)，手工輸入或分批拷貝產(chǎn)運(yùn)銷參數(shù)，完成所有輸入并通過錯誤檢查后，再進(jìn)行仿真校核。其中，建立管網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ偷墓ぷ髁孔畲螅耆揽咳斯ね瓿?，效率較低。需要采用更先進(jìn)的方法完成模型自動轉(zhuǎn)換。

1.2 基于KWS腳本自動生成的仿真模型

2015年以來，中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院（簡稱規(guī)劃總院）自主研發(fā)了天然氣產(chǎn)運(yùn)銷一體化優(yōu)化軟件生成產(chǎn)運(yùn)銷方案［2］。在應(yīng)用該軟件校核規(guī)劃方案過程中，為了克服人工繪制拓?fù)淠Ｐ凸ぷ髁看?、校核效率較低等問題，規(guī)劃總院又研發(fā)了基于KWS腳本自動生成仿真模型的方法［3］43。即根據(jù)KWS語法，將產(chǎn)運(yùn)銷優(yōu)化模型自動轉(zhuǎn)換為KWS文件后導(dǎo)入TGNET軟件，自動生成管網(wǎng)仿真模型，通過仿真分析，完成方案校核。

幾年來的應(yīng)用表明，KWS轉(zhuǎn)換方法能大幅縮短人工建立管網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ秃蛥?shù)輸入的時間，提高了工作效率。但在以下幾方面仍需改進(jìn)：

第一，由于 KWS文件形成于 TGNET早期版本，該文件主要用于計(jì)算，生成仿真模型只是輔助功能，對管網(wǎng)的圖形化支持不足。將KWS文件導(dǎo)入TGNET軟件后，管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在局部變形。主要表現(xiàn)在：

（1）無法控制單節(jié)點(diǎn)組件位置。在人工繪制管網(wǎng)仿真模型時，可按照用戶意愿，任意排布各組件拓?fù)湮恢?。但采?KWS文件生成拓?fù)淠Ｐ蜁r，TGNET只能根據(jù)單節(jié)點(diǎn)組件（包括氣源、客戶、儲氣庫等）與相連節(jié)點(diǎn)的位置關(guān)系自動調(diào)整拓?fù)湮恢?，不能根?jù)需要人工設(shè)定單節(jié)點(diǎn)組件位置。

圖1為優(yōu)化軟件的原始拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖2 KWS文件導(dǎo)入TGNET后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1 優(yōu)化軟件的原始拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 KWS文件導(dǎo)入TGNET后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

對比圖1和圖2，導(dǎo)入KWS文件后，管段、壓縮機(jī)、調(diào)節(jié)閥等雙節(jié)點(diǎn)組件位置保持不變，但氣源、客戶等單節(jié)點(diǎn)組件（圖中綠色）自動調(diào)整為豎直向上。連接同一節(jié)點(diǎn)的組件自動按水平方向等間距、等高度排列，人工無法設(shè)定，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在局部變形。盡管不影響計(jì)算，但對于復(fù)雜管網(wǎng)，影響模型直觀性，最終影響仿真校核。

（2）無法顯示數(shù)據(jù)塊。KWS文件不支持?jǐn)?shù)據(jù)塊（Data Block）顯示，不能實(shí)現(xiàn)插入數(shù)據(jù)塊并在TGNET軟件界面中直觀顯示仿真結(jié)果。需要人工逐個將數(shù)據(jù)塊內(nèi)容導(dǎo)入TGNET界面，工作量巨大。

第二，KWS文件導(dǎo)入需要KEY文件支持［3］44。由于無法包含參數(shù)單位，在導(dǎo)入KWS文件時，還要根據(jù)不同單位設(shè)置，配套不同KEY文件，操作繁瑣。

第三，高版本TGNET逐漸取消了KWS導(dǎo)入支持，使用不便。在TGNET 3.0及以前版本中，TGNET僅支持KWS導(dǎo)入而不支持XML方式。TGNET 3.4版可同時支持 KWS和 XML兩種導(dǎo)入方式。在TGNET 3.6及以后的高版本中，TGNET逐漸取消了KWS導(dǎo)入功能。應(yīng)用高版本開展仿真校核工作時，需先將KWS文件導(dǎo)入低版本TGNET，另存為TGW模型文件，再用高版本TGNET打開TGW文件，要先后用到低版本和高版本兩套軟件，使用不便。

為了克服以上不足，考慮采用XML語言自動生成高版本TGNET仿真模型。

2 基于XML語言的TGNET校核方法

2.1 XML語言簡介

XML（eXtensible Markup Language）即可擴(kuò)展標(biāo)記語言，是一種用于標(biāo)記電子文件使其具有結(jié)構(gòu)性的標(biāo)記語言。它可以用來標(biāo)記數(shù)據(jù)，定義數(shù)據(jù)類型，是一種允許用戶對自己的標(biāo)記語言進(jìn)行定義的源語言。該語言提供統(tǒng)一的方法來描述和交換獨(dú)立于應(yīng)用程序或供應(yīng)商的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，是各種應(yīng)用程序之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)某Ｓ霉ぞ摺?/p>

2.2 組件合并

產(chǎn)運(yùn)銷優(yōu)化軟件用節(jié)點(diǎn)、氣源、客戶、管段、儲氣庫、固定自耗氣、壓縮機(jī)、調(diào)節(jié)閥、阻力件、冷卻器、加熱器、儲氣罐等12種組件抽象描述了天然氣業(yè)務(wù)鏈系統(tǒng)，但并未完全與TGNET組件對應(yīng)。與KWS方法類似，在生成XML文件前，首先要完成組件合并。為滿足管網(wǎng)校核要求，需要合并的組件包括：用天然氣客戶替代固定自耗氣和儲氣庫注氣、用氣源替代儲氣庫采氣和LNG儲氣罐、取消冷卻器和加熱器（規(guī)劃階段校核不考慮溫度影響）。其余節(jié)點(diǎn)、氣源、客戶、管段、壓縮機(jī)、調(diào)節(jié)閥、阻力件等與TGNET組件對應(yīng)，不必合并。

2.3 XML計(jì)算程序

參照 KWS腳本轉(zhuǎn)換方法，將 XML文件選作TGNET與其他軟件交換數(shù)據(jù)的中間文件。與 KWS文件類似，XML文件也是純文本格式，可按照XML語法規(guī)則，編寫數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序，自動生成XML文件，將產(chǎn)運(yùn)銷軟件中計(jì)算規(guī)劃方案的優(yōu)化模型自動轉(zhuǎn)化為TGNET校核模型。在生成TGNET模型時，除了XML基本語法，還要滿足以下特殊語法（下文中[]表示需要由產(chǎn)運(yùn)銷優(yōu)化軟件導(dǎo)出的參數(shù)替換）：

（1）節(jié)點(diǎn)。TGNET軟件用節(jié)點(diǎn)表示各組件間的空間連接關(guān)系。節(jié)點(diǎn)的XML語法如下：

（2）單節(jié)點(diǎn)組件。單節(jié)點(diǎn)組件指只有一端與節(jié)點(diǎn)相連的組件，包括氣源、客戶、儲氣庫等。以氣源為例，XML語法如下：

[最大壓力]

[最小壓力]

MaxPressure

XML中可人工設(shè)置氣源坐標(biāo)，避免了拓?fù)渥冃巍６贙WS中，只能控制節(jié)點(diǎn)位置，氣源坐標(biāo)由軟件自動生成，無法人為設(shè)定氣源位置。其他單節(jié)點(diǎn)組件的語法與氣源類似。

（3）雙節(jié)點(diǎn)組件。雙節(jié)點(diǎn)組件指兩端都與節(jié)點(diǎn)相連的組件，包括管段、壓縮機(jī)、調(diào)節(jié)閥、阻力件等。以管段為例，XML語法如下：

其他雙節(jié)點(diǎn)組件的語法與管段類似。

（4）其他設(shè)置。除了管網(wǎng)拓?fù)浣M件，還要通過XML設(shè)置TGNET的流體組分、參數(shù)單位、標(biāo)準(zhǔn)壓力、標(biāo)準(zhǔn)溫度、狀態(tài)方程、黏度、迭代次數(shù)、誤差限等。這些參數(shù)與管網(wǎng)拓?fù)錈o關(guān)，可按照 TGNET的XML語法直接寫入XML文件。

與 KWS相比，XML轉(zhuǎn)換方式具有明顯優(yōu)勢：一是可以通過XML控制更多軟件參數(shù)；二是可以直接保存參數(shù)單位，不必再通過KEY文件配置仿真模型單位，只用一個XML文件即可完成模型導(dǎo)入。

2.4 XML轉(zhuǎn)換方法的優(yōu)勢

在 TGNET早期版本中，由于沒有圖形建模功能，需要通過人工編寫KWS文件建立仿真模型，效率較低。與KWS腳本相比，XML語言的功能更強(qiáng)，按照XML語法規(guī)則和組件合并原則，既可建立仿真模型，又可支持?jǐn)?shù)據(jù)塊（Data Block）顯示。但XML語法更加復(fù)雜，人工編寫代碼的工作量非常大，必須通過程序?qū)a(chǎn)運(yùn)銷優(yōu)化模型自動轉(zhuǎn)換為 XML文件，再將XML文件導(dǎo)入TGNET軟件，生成管網(wǎng)仿真模型，開展方案校核工作。轉(zhuǎn)換程序框圖見圖3。

圖3 轉(zhuǎn)換程序框圖

借鑒 KWS方式，XML轉(zhuǎn)換程序也利用 C++語言開發(fā)，包括一個父類，三個子類，分別為：CGasPTSTgnetModelXML（父類）、CGasTgnetYearXML（子類）、CGasTgnetMonth_MonthXML（子類）、CGasTgnetMonth_YearXML（子類）。以上各類均包含數(shù)據(jù)庫連接、數(shù)據(jù)載入、錯誤判斷與定位、單位轉(zhuǎn)化、XML文件生成等五個方法。使用時，只需將優(yōu)化模型的SQLite數(shù)據(jù)庫地址傳遞給轉(zhuǎn)換程序。由轉(zhuǎn)換程序依次調(diào)用以上五個方法，讀取數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換生成XML文件，實(shí)現(xiàn)年、月優(yōu)化模型的自動轉(zhuǎn)換。

在現(xiàn)有天然氣產(chǎn)運(yùn)銷一體化優(yōu)化軟件的“導(dǎo)出為TGNET模型”模塊中，嵌入GasPTSTgnet_Offline XML.dll動態(tài)鏈接庫，使軟件具備了轉(zhuǎn)換生成 XML文件的功能。優(yōu)化軟件導(dǎo)出TGNET模型時，既可選擇導(dǎo)出KWS文件（用于TGNET低版本），也可選擇導(dǎo)出XML文件（用于TGNET高版本），使自動導(dǎo)出仿真模型功能可以適應(yīng)多個TGNET版本。

3 方法測試

XML語言轉(zhuǎn)換為TGNET模型的測試方法分為以下幾個層次：

（1）測試各組件的連接關(guān)系是否正確；

（2）測試輸入?yún)?shù)，即管網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、物性參數(shù)、工藝參數(shù)等是否正確；

（3）測試各項(xiàng)設(shè)置，即計(jì)算模式、參數(shù)單位、迭代次數(shù)、誤差限等是否正確；

（4）測試轉(zhuǎn)換后的模型能否正常計(jì)算；

（5）測試在TGNET各版本中能否正常使用；

（6）測試轉(zhuǎn)換前后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是否一致。

為驗(yàn)證XML轉(zhuǎn)換方法，先后選用了5套產(chǎn)運(yùn)銷優(yōu)化模型參與測試。各項(xiàng)指標(biāo)的測試結(jié)果見表1。

表1 XML語言轉(zhuǎn)換為TGNET模型測試結(jié)果

測試結(jié)果表明，XML方法能有效避免KWS轉(zhuǎn)換問題，主要包括：

（1）高版本無法直接打開問題。轉(zhuǎn)換后生成的XML文件，在高版本TGNET中可直接導(dǎo)入并模擬計(jì)算，不必再借助低版本轉(zhuǎn)換；

（2）轉(zhuǎn)換后拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一致性問題。將天然氣產(chǎn)運(yùn)銷一體化優(yōu)化軟件的單節(jié)點(diǎn)組件坐標(biāo)寫入XML文件，再導(dǎo)入TGNET軟件，避免了氣源、客戶等組件出現(xiàn)豎直方向調(diào)整和水平平鋪問題；

（3）參數(shù)單位可較好地融入XML文件?？梢詫ML中設(shè)置的參數(shù)單位直接導(dǎo)入TGNET中，不必再借助KEY文件轉(zhuǎn)換；

（4）具備數(shù)據(jù)塊轉(zhuǎn)換功能。將天然氣產(chǎn)運(yùn)銷一體化優(yōu)化軟件的動態(tài)輸出結(jié)果直接寫入XML文件，即可在TGNET中顯示數(shù)據(jù)塊。

對于復(fù)雜管網(wǎng)，由于 TGNET暫未提供地理信息系統(tǒng)（GIS）中常用的數(shù)據(jù)遮蓋自動調(diào)整功能，如果動態(tài)輸出參數(shù)過多，將導(dǎo)致數(shù)據(jù)塊占據(jù)較多空間，遮蓋管網(wǎng)拓?fù)浣缑?，影響使用?/p>

4 應(yīng)用效果

中國石油的天然氣產(chǎn)運(yùn)銷優(yōu)化模型中應(yīng)用了XML轉(zhuǎn)換方法。該模型共包含約1 700條管段、400個資源點(diǎn)以及2 800個用戶，其節(jié)點(diǎn)數(shù)量超過1 500個，涵蓋了中國石油現(xiàn)有和規(guī)劃的所有天然氣資源、客戶，以及全部儲氣庫、LNG接收站和絕大多數(shù)管道。模型拓?fù)鋸?fù)雜、規(guī)模龐大，是目前規(guī)劃總院天然氣產(chǎn)運(yùn)銷優(yōu)化模型庫中最復(fù)雜的一套。經(jīng)過測試和應(yīng)用，XML導(dǎo)出功能較好地反映了產(chǎn)運(yùn)銷系統(tǒng)實(shí)際情況。應(yīng)用結(jié)果表明，在天然氣產(chǎn)運(yùn)銷一體化優(yōu)化軟件環(huán)境下，利用TGNET模型的XML導(dǎo)出功能，可在 5分鐘內(nèi)完成以上模型逐年（10年）的 XML文件導(dǎo)出。由于 XML語法更為復(fù)雜，轉(zhuǎn)換后 XML代碼量大，文件生成過程比 KWS方式多耗時近 1分鐘。但與KWS方法相比，XML方法能適應(yīng)TGNET高版本要求，能更完整地轉(zhuǎn)換拓?fù)鋽?shù)據(jù)，更好地融合產(chǎn)運(yùn)銷優(yōu)化軟件與TGNET軟件。另外，采用中間文件轉(zhuǎn)化思路，還可以選用其他文件格式，將產(chǎn)運(yùn)銷優(yōu)化模型轉(zhuǎn)換為其他管網(wǎng)仿真軟件支持的分析模型，實(shí)現(xiàn)工藝校核目標(biāo)。

綜上所述，通過XML語言，可以將拓?fù)?、工藝和設(shè)置等參數(shù)完整轉(zhuǎn)換到TGNET仿真模型中。XML方法解決了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)局部變形、無法包含參數(shù)單位、難以直接用于TGNET高版本等問題，完善了產(chǎn)運(yùn)銷規(guī)劃方案自動轉(zhuǎn)化功能，進(jìn)一步提高了校核效率，實(shí)用性較強(qiáng)。