摘要：基于中國天然氣管網(wǎng)當前采用的合同路徑法，即“點對點”交易模式，提出一種適應于多氣源多用戶的管網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施容量分配優(yōu)化方法，采用分布式優(yōu)化策略對托運商子模型與管網(wǎng)公司子模型進行迭代求解，最終實現(xiàn)各托運商輸氣計劃與天然氣管網(wǎng)調(diào)度能力的匹配。結(jié)果表明：提出的分布式優(yōu)化策略能夠協(xié)調(diào)多方利益，托運商單位天然氣成本僅與氣源及用戶位置分布相關(guān)，能夠一定程度上保證分配結(jié)果的公平性；中國天然氣管網(wǎng)區(qū)域間仍存在輸送瓶頸，運銷分離將導致管輸路徑及容量的激烈競爭，引發(fā)天然氣管輸合同擁塞問題，造成局部管道負荷率較高；在實際案例中管道基礎(chǔ)設(shè)施容量的市場化分配導致托運商購氣成本增加6.94%，管輸服務費用增加10.18%，總體運營成本增加了6.80%，提高了管網(wǎng)公司收益，但不利于降低終端用戶成本。

關(guān)鍵詞：天然氣市場； 運銷分離； 容量分配； 運行優(yōu)化； 點對點交易

中圖分類號： TE 832"" 文獻標志碼：A

引用格式：趙偉，徐寧，陸凱凱，等.運銷分離下的天然氣管網(wǎng)運輸能力分配優(yōu)化研究［J］.中國石油大學學報（自然科學版），2024，48（4）：181-189.

ZHAO Wei， XU Ning， LU Kaikai， et al. Research on capacity allocation optimization of natural gas pipeline networks under separation of transportation and marketing［J］. Journal of China University of Petroleum （Edition of Natural Science），2024，48（4）：181-189.

Research on capacity allocation optimization of natural gas pipeline networks under separation of transportation and marketing

ZHAO Wei1，2， XU Ning1，3， LU Kaikai1，4， ZHANG Bo1， LIAO Qi1， LIANG Yongtu1

（1.Beijing Key Laboratory of Urban Oil and Gas Distribution Technology， China University of Petroleum（Beijing），Beijing 102249， China;

2.PipeChina Engineering Technology Innovation Co.， Ltd.， Tianjin 300450， China;

3.China University of Petroleum（Beijing） at Karamay， Karamay 834000， China;

4.PetroChina Changqing Oilfield Company， Xian 710018， China）

Abstract： A capacity allocation optimization framework based on the contract path method， which is also called the point to point trading method， was proposed for multi-sources and multi-users gas network. The gas network model and shippers model were solved iteratively in a distributed way until a consensus on capacity allocation was achieved. The results show that， the proposed distributed optimization strategies can coordinate the multi-stakeholder. The shippers cost of per unit natural gas is related to the location of gas resources and gas users， thereby promoting fairness to some extent in allocation outcomes. There are still transmission bottlenecks among regions of Chinas natural gas market.The separation of transportation and sales will lead to fierce competition in gas transmission routes and network capacity， causing local contract congestion and high load rates. In practical cases， a market-based capacity allocation would raise the cost of gas purchase by 6.94%， the cost of network services by 10.18% and the total cost of shippers by 6.80%， which increases the revenue of pipeline network companies but is not conducive to reduce the cost of gas users.

Keywords： natural gas market; separation of gas transport and marketing; capacity allocation; operation optimization; point to point trading

隨著國家管網(wǎng)公司的成立，天然氣主干管道及部分省級管網(wǎng)劃歸管網(wǎng)公司統(tǒng)一管理，傳統(tǒng)的天然氣產(chǎn)、運、銷一體化經(jīng)營模式被打破，實現(xiàn)了管輸服務與天然氣銷售的分離以及管道基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)剩余能力向第三方開放［1］，催生了新的市場主體——托運商。在新的管網(wǎng)運營模式下托運商一般從天然氣生產(chǎn)商處購氣，向供氣商或者終端用戶售氣［2］，其主體可以是天然氣生產(chǎn)商，也可以是分銷商、供氣商或終端用戶［3］。通過簽訂管輸合同，托運商與管網(wǎng)公司對天然氣管輸路徑以及上/下載點氣量等管輸服務條款進行約定，并根據(jù)實際輸氣情況支付相應的管輸費用。對于天然氣管道互聯(lián)程度較高的區(qū)域，可能面臨著管輸路徑和管道容量的激烈競爭［4］，托運商需要統(tǒng)籌天然氣采購及輸送，合理規(guī)劃管輸路徑，降低運營成本；管網(wǎng)公司則需要對不同托運商的輸氣需求進行協(xié)調(diào)，并制定公開透明的管輸費率標準［5］。目前為止，國內(nèi)外相關(guān)文獻在天然氣管網(wǎng)運輸能力評估［6-11］、天然氣流量分配［12-15］和輸氣方案可行性驗證［16- 17］等方面進行了大量研究，但多從管網(wǎng)運行角度出發(fā)，很少考慮多方托運商間輸氣計劃的協(xié)調(diào)，難以直接指導運銷分離背景下的管輸方案制定。因此統(tǒng)籌考慮管道運營商及托運商利益，筆者提出一種天然氣管網(wǎng)運輸能力分配優(yōu)化方法。

1 運銷分離下的天然氣管網(wǎng)調(diào)度運行機制

1.1 天然氣管網(wǎng)運輸能力分配方法

天然氣管網(wǎng)市場化運營機制一般采用進出口模式或點對點模式，不同的運行模式下管道基礎(chǔ)設(shè)施服務存在較大差異。對于歐盟各國，其管網(wǎng)結(jié)構(gòu)復雜、密度較高，呈網(wǎng)狀分布，不存在明顯的流向和管輸路徑，通常采用進出口模式，管網(wǎng)不同進口/出口的運輸能力可以獨立分配、互不影響；對于中國、美國、澳大利亞和巴西等國家，其管網(wǎng)地域跨度廣，不同管道間交叉少，管道內(nèi)存在明顯的流向和輸送路徑，一般采用點對點（或區(qū)域到區(qū)域）模式，托運商需要指定相應的管輸路徑和上/下載氣量。

2021年6月7日，國家發(fā)改委發(fā)布了《天然氣管道運輸價格管理辦法（暫行）》，以寧夏中衛(wèi)、河北永清、貴州貴陽3個物理樞紐將中國天然氣管道劃分為西南、西北、東北及中東部4個價區(qū)，將“一部制”服務成本法與價區(qū)法相結(jié)合［18］，采用分區(qū)核定運價率、按路徑形成價格的方法。

2022年3月25日，國家管網(wǎng)集團發(fā)布《2022年天然氣管道管輸服務集中受理工作公告》，首次以市場化運作模式實現(xiàn)了在役天然氣管道運輸服務的集中受理和運輸能力分配，對30余家企業(yè)提交的超過500條路由、總氣量139億m3的服務申請進行受理，通過模擬驗算的方式對管容產(chǎn)品的生命力和適應性進行分析，公平無歧視的向所有用戶分配管道運輸能力。

與美國開放季招標類似，國家管網(wǎng)管輸服務受理工作涉及管道運營商和多方托運商間的協(xié)調(diào)以及復雜的管網(wǎng)模擬計算；隨著中國天然氣市場化改革的不斷推進，更多的企業(yè)將以托運商的身份參與到天然氣市場中，通過模擬計算的方式無法滿足管輸計劃制定的時效性需求；此外各托運商間存在信息壁壘，現(xiàn)有方法也難以保證天然氣資源的最優(yōu)配置。因此亟須一種適應于運銷分離模式下的天然氣管網(wǎng)運輸能力分配優(yōu)化方法，在協(xié)調(diào)多方托運商運輸需求沖突的基礎(chǔ)上協(xié)助管網(wǎng)公司制定安全、高效的天然氣管網(wǎng)調(diào)度運行方案。

1.2 基于管網(wǎng)整體成本最小的調(diào)度運行機制

在當前的運營模式下天然氣管網(wǎng)托運商主要為中國石油、中國石化及中海油等集團公司下屬銷售公司，其在制定調(diào)度計劃時，通常以集團公司總體運營成本最小為目標，綜合考慮天然氣采購和銷售、儲氣庫注采及管網(wǎng)水力約束等，制定天然氣調(diào)度方案，并根據(jù)實際運輸情況向管網(wǎng)公司支付管輸費用；其運營成本將在不同銷售公司間進行再分配，最終確定相應分輸?shù)攸c的“管道氣”或“LNG氣化產(chǎn)品”價格。其下屬用戶，包括城市燃氣公司、燃氣電廠及其他工業(yè)用戶等，則通過天然氣交易平臺或直接與銷售公司購買天然氣產(chǎn)品。由于各銷售公司由集團公司統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理，不存在天然氣管網(wǎng)運輸能力的競爭，可以建立以最小化運營成本為目標的天然氣管網(wǎng)運行優(yōu)化模型求解最優(yōu)的天然氣輸氣方案。

1.3 基于協(xié)調(diào)多方托運商的調(diào)度運行機制

隨著天然氣市場化改革的不斷推進及管網(wǎng)公司職能的完善，燃氣公司以及工業(yè)用戶可以獨立采購天然氣并預定管道基礎(chǔ)設(shè)施剩余能力，托運商的數(shù)量不斷增加，天然氣市場交易更加頻繁，銷售公司與其他托運商之間將存在更多的利益沖突，難以通過協(xié)商的方式進行解決。

為此本文中提出了一種基于分布式優(yōu)化策略的運輸能力分配方法，依托在線交易平臺，托運商僅需提供輸送路徑及運輸能力需求，充分保護用戶隱私信息；基于管網(wǎng)運輸能力實時核算及設(shè)定運輸能力分配規(guī)則，該方法可以自動協(xié)調(diào)各方需求并反饋協(xié)調(diào)結(jié)果。

2 多氣源多用戶管網(wǎng)運輸能力分配優(yōu)化模型

針對天然氣管網(wǎng)點對點運營模式，建立一種考慮多氣源多用戶的管網(wǎng)運輸能力分配優(yōu)化雙層模型，基于穩(wěn)態(tài)運行假設(shè)，耦合管輸路徑約束、管道水力約束及儲氣庫采氣約束等，對托運商的天然氣采購及管輸合同方案進行優(yōu)化，實現(xiàn)天然氣管網(wǎng)運輸能力在不同托運商間的公平分配。

2.1 下層托運商優(yōu)化模型

下層模型為托運商優(yōu)化模型，根據(jù)用戶實際用氣需求，以總體運營成本最小為目標，優(yōu)化天然氣采購方案、管輸路徑方案、儲氣庫采氣及配套管輸服務方案。

3 案例分析

基于某地區(qū)冬季天然氣供銷數(shù)據(jù)及管網(wǎng)數(shù)據(jù)對提出方法進行驗證。如圖1所示，研究管網(wǎng)包含399個節(jié)點（由11個氣源、327個用戶、13座儲氣庫及48個輔助節(jié)點組成）和412條管段（由47條壓縮機管段和365條管道組成）；其中該地區(qū)管網(wǎng)公司向7個托運商（S1～S7）提供管輸服務，基于設(shè)計流

程，對集團公司整體優(yōu)化方案及協(xié)調(diào)各托運商下的分布式優(yōu)化方案進行求解。

3.1 模型收斂性

基于提出方法的迭代原理，認為上/下層模型共同變量對應拉格朗日乘子迭代偏差小于1×10-3時，上下層模型共同變量達到一致，可以終止迭代。如圖2所示，提出方法在模型迭代34次后達到收斂條件，上層模型目標函數(shù)最終結(jié)果為0，表明模型容量偏差及用戶分輸偏差為0，可以認為上下層模型共同變量趨于一致。

3.2 管網(wǎng)流量分配結(jié)果

管網(wǎng)整體優(yōu)化與協(xié)調(diào)多方托運商優(yōu)化下的天然氣流量分配結(jié)果如圖3所示。

其中協(xié)調(diào)優(yōu)化結(jié)果中流量分布較為均勻，而整體優(yōu)化存在局部負荷率較高的情況。這是由于天然氣跨省運輸成本在托運商總運營成本中占比較小，在整體優(yōu)化策略下，托運商傾向于購買更多的低成本氣源，這導致與低成本氣源連接的管道負荷率較高；而在托運商協(xié)調(diào)優(yōu)化策略下，不同托運商可以選擇氣價較高但運輸距離較短的氣源進行供氣，這更加符合就近供氣的原則，導致天然氣管網(wǎng)的流量分布更加均衡。

3.3 管輸路徑優(yōu)化及運輸能力分配

在點對點運營模式下，托運商運營成本與天然氣運輸距離相關(guān)，進一步分析各托運商的具體管輸路徑及管容分配優(yōu)化結(jié)果。

圖4～6為托運商最優(yōu)及協(xié)調(diào)優(yōu)化后的托運商天然氣調(diào)度計劃。圖中藍色（橙色）線路代表不同氣源（儲氣庫）至分輸站場的輸氣路徑，線路的粗細代表天然氣流量大小。

從托運商最優(yōu)結(jié)果可以看出，各托運商傾向于選擇低成本氣源和就近供應；此外儲氣庫采氣優(yōu)先級較高，這是由于儲氣庫冬季處于采氣周期，起到保供作用，儲存天然氣為托運商注氣周期采購天然氣，不支付額外費用。協(xié)調(diào)優(yōu)化下的管輸路徑更多樣化，運輸距離顯著增加，對于存在容量競爭的管道，采用按比例分配的原則；如圖4～6（a）所示，東部銷售、北方銷售和南部銷售傾向于選擇由氣源②③④及附近儲氣庫出發(fā)的最短供氣路徑，而在圖4～6（b）的協(xié)調(diào)優(yōu)化結(jié)果中，各托運商也選擇了距離較遠的氣源及儲氣庫，并接受了運距更長的輸氣路徑。

在協(xié)調(diào)優(yōu)化模式下托運商對氣源及管輸路徑的選擇為模型迭代下的多方協(xié)商結(jié)果，其運營成本組成與氣源價格、管道運價和天然氣運距等嚴格相關(guān)；相比于整體成本最小和運營成本再分配的方法，基于分布式優(yōu)化的協(xié)調(diào)結(jié)果中托運商費用結(jié)算更加公平、透明，減少了交叉補貼現(xiàn)象，可以為天然氣市場化改革和管網(wǎng)運營模式轉(zhuǎn)變提供有效參考。

3.4 托運商運營成本

表1為兩種優(yōu)化方法下的托運商運營成本組成情況。相比于整體優(yōu)化，分布式優(yōu)化下托運商總體成本呈上升趨勢，這是由于托運商之間存在氣源及路徑的競爭。其中托運商購氣成本由整體優(yōu)化的41 722.86萬元/d增加到44 618.91萬元/d，增加幅度為6.94%，管輸服務費用由8 984.68萬元/d，提高到9 899.15萬元/d，增加幅度為10.18%；托運商總運營成本提高了6.80%，這部分額外成本是由供氣點和市場間的擁堵造成的，表明在市場條件下當前的天然氣管網(wǎng)存在區(qū)域間的輸送瓶頸。

綜合考慮當前天然氣市場現(xiàn)狀及冬季保供需求，中國仍不具備完全市場化分配天然氣管網(wǎng)運輸能力的條件，為降低運營成本，托運商之間需要開展密切合作；此外針對用氣低峰期時段，可以將管網(wǎng)剩余運輸能力以競拍的方式進行分配，提高管網(wǎng)公司收入和管網(wǎng)利用率。

圖7為托運商需求及分布式優(yōu)化下單位天然氣成本情況。由圖7可以看出，本文提出的方法不受托運商需求總量的影響，托運商單位成本僅與氣源及用戶位置分布有關(guān)，靠近低成本氣源的托運商單位天然氣成本較低，這表明所提出方法下托運商運營成本的核算結(jié)果與實際運輸情況相吻合，能夠一定程度上保證分配結(jié)果的公平性。

4 結(jié) 論

（1）在運銷分離的調(diào)度模式下提出的分布式優(yōu)化策略可以協(xié)調(diào)多方托運商利益，實現(xiàn)托運商輸氣路徑、分配氣量和管輸費用的快速計算。

（2）在實際案例中運銷分離將導致托運商的總體運營成本增加6.80%，其中購氣成本增加6.94%，管輸服務費用增加10.18%，提高了管網(wǎng)公司收益，不利于降低終端用戶成本。

（3）相較于傳統(tǒng)方法本文方法可以直觀得到不同分輸站或天然氣用戶的管輸路徑組合，使得管輸費用與管道運價和天然氣運距嚴格相關(guān)，能夠保證管輸費用結(jié)算的公開透明。

參考文獻：

［1］ 陳蕊，孫文宇，吳珉頡.國家管網(wǎng)公司成立對中國天然氣市場競爭格局的影響［J］.天然氣工業(yè)，2020，40（3）：137-145.

CHEN Rui， SUN Wenyu， WU Minjie. Influence of the establishment of the National Oil amp; Gas Pipeline Network Corporation on the competition pattern of natural gas market in China ［J］. Natural Gas Industry， 2020，40（3）：137-145.

［2］ 張博，梁永圖，李偉，等.基于用戶多維價值的天然氣資源配置優(yōu)化［J］.油氣儲運，2023，42（1）：96-104.

ZHANG Bo， LIANG Yongtu， LI Wei， et al. Optimization of natural gas resource allocation based on multidimensional value of customers［J］. Oil amp; Gas Storage and Transportation， 2023，42（1）：96-104.

［3］ 羅志偉，左剛，李博.輸銷分離下的天然氣托運商調(diào)度運行模式［J］.天然氣工業(yè)，2022，43（3）：120-128.

LUO Zhiwei， ZUO Gang， LI Bo. Dispatching operation mode of natural gas shippers under the system of transportation and marketing separation［J］. Natural Gas Industry， 2022，42（3）：120-128.

［4］ 郭海濤，周淑慧，趙忠德，等.順應改革趨勢，促進公平開放：新版《油氣管網(wǎng)設(shè)施公平開放監(jiān)管辦法》解讀［J］.天然氣工業(yè)，2019，39（6）：137-146.

GUO Haitao， ZHOU Shuhui， ZHAO Zhongde， et al. Conform to the trend of reform and promote fairness and openness： an interpretation of a new version measures for the non-discriminatory third-party access regulation of oil and gas pipeline network facilities［J］. Natural Gas Industry， 2019，39（6）：137-146.

［5］ 葉恒，高振宇，張軼，等.復雜網(wǎng)絡(luò)理論的應用進展及對天然氣管網(wǎng)的啟示［J］.油氣儲運，2022，41（5）：515-524.

YE Heng， GAO Zhenyu， ZHANG Yi， et al. Advance in application of complex network theory and implications for natural gas pipeline networks ［J］. Oil amp; Gas Storage and Transportation， 2022，41（5）：515-524.

［6］ 宋晨輝，肖峻，陳潛，等.天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)的輸氣能力曲線［J］.中國石油大學學報（自然科學版），2022，46（2）：160-167.

SONG Chenhui， XIAO Jun， CHEN Qian， et al. Gas transmission capability curve of natural gas pipeline system ［J］. Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science）， 2022，46（2）：160-167.

［7］ 范霖，蘇懷，彭世亮，等.基于供氣可靠性的天然氣管道系統(tǒng)預防性維護方案智能優(yōu)化方法［J］.中國石油大學學報（自然科學版），2023，47（1）：134-140.

FAN Lin， SU Huai， PENG Shiliang， et al. Supply-reliability based method of intellectual optimization on preventive maintenance strategy for natural gas pipeline system ［J］ . Journal of China University of Petroleum（ Edition of Natural Science）， 2023，47（1）：134-140．

［8］ 步亞冉，吳長春，左麗麗，等.公平開放模式下的天然氣管網(wǎng)輸氣能力評估［J］.天然氣工業(yè)，2021，41（12）：129-137.

BU Yaran， WU Changchun， ZUO Lili， et al. Evaluation on gas transmission capacity of gas pipeline network in the open access mode ［J］. Natural Gas Industry， 2021，41（12）：129-137.

［9］ GOTZES C， HEITSCH H， HENRION R， et al. On the quantification of nomination feasibility in stationary gas networks with random load ［J］. Mathematical Methods of Operations Research， 2016，84（2）：427-457.

［10］ PFETSCH M E， FüGENSCHUH A， GEILER B， et al. Validation of nominations in gas network optimization： models， methods， and solutions ［J］. Optimization Methods and Software， 2014，30（1）：15-53.

［11］ 崔巍，楊森鐘，劉明洪，等.東南亞地區(qū)天然氣能源安全評價研究［J］.世界石油工業(yè)，2023，30（4）：8-16.

CUI Wei， YANG Senzhong， LIU Minghong， et al. On energy security evaluation for natural gas in Southeast Asia［J］. World Petroleum Industry， 2023，30（4）：8-16.

［12］ GRIMM V， SCHEWE L， SCHMIDT M， et al. A multilevel model of the European entry-exit gas market ［J］. Mathematical Methods of Operations Research， 2018，89（2）：223-255.

［13］ HAN J， XU Y， LIU D， et al. Operations research enables better planning of natural gas pipelines ［J］. Informs Journal on Applied Analytics， 2019，49（1）：23-39.

［14］ XUE M， DENG T， SHEN Z J. Optimizing natural gas pipeline transmission with nonuniform elevation： a new initialization approach ［J］. Naval Research Logistics （NRL）， 2019，66（7）：547-564.

［15］ SCHEWE L， SCHMIDT M， THüRAUF J. Global optimization for the multilevel European gas market system with nonlinear flow models on trees ［J］. Journal of Global Optimization， 2022，82（3）：627-653.

［16］ 林敏.基于流量分配優(yōu)化的天然氣管網(wǎng)模擬計算方法［J］.石油機械，2023，51（7）：149-155.

LIN Min. Simulation calculation method of natural gas pipeline networks based on optimized flow distribution［J］.China Petroleum Machinery，2023，51（7）：149-155.

［17］ PFETSCH M E， FüGENSCHUH A， GEILER B， et al. Validation of nominations in gas network optimization： models， methods， and solutions ［J］. Optimization Methods and Software， 2014，30（1）：15-53.

［18］ 范靜靜，田磊，王建良，等.天然氣管容分配機制：歐美經(jīng)驗與中國探索［J］.天然氣工業(yè)，2023，43（7）：117-125.

FAN Jingjing， TIAN Lei， WANG Jianliang， et al. Gas pipeline capacity allocation mechanism： practices in U.S. and EU， and implications for China［J］. Natural Gas Industry， 2023，43（7）：117-125.

［19］ BOYD S. Distributed optimization and statistical learning via the alternating direction method of multipliers ［J］. Foundations and Trends in Machine Learning，2010，3（1）：1-122.

（編輯 沈玉英）

收稿日期：2023-11-02

基金項目：中國石油大學（北京）克拉瑪依校區(qū)科研啟動基金項目（KL01JB20230008）;國家自然科學基金項目（52341203）

第一作者：趙偉（1997-），男，博士研究生，研究方向為天然氣管網(wǎng)公平開放策略及市場化運行。E-mail：weizhao_cup@163.com。

通信作者：徐寧（1995-），男，講師，博士，碩士生導師，研究方向為油氣管道運行優(yōu)化技術(shù)。E-mail：xn11235@cup.edu.cn。

文章編號：1673-5005（2024）04-0181-09"" doi：10.3969/j.issn.1673-5005.2024.04.020