1.国家管网集团工程技术创新有限公司;2.上海能源建设工程设计研究有限公司天津分公司
1.PipeChina Engineering Technology Innovation Co. Ltd.; 2.Tianjin Branch of Shanghai Energy Construction Engineering Design & Research Co. Ltd.
“one natural gas pipeline network”, functional classification, gas transportation capacity index, technical classification, pipeline network layering, planning integration, optimization of construction and operation
DOI: 10.6047/j.issn.1000-8241.2024.12.001
2017年至今，国家陆续出台多项实施意见与监管办法，以推动能源安全新战略的实施。在深化石油天然气体制机制改革的背景下，推进国有大型油气企业干线管道独立，对油气“全国一张网”的构建提出了更高要求。在管输业务升级方面，通过管输与销售分离，提升集约输送能力、油气资源配置效率，并降低管输成本与管输费；在加强油气安全保障方面，通过优化管网布局，扩大管网覆盖范围，完善储备体系，加强互联互通，打破管输瓶颈，进一步保障油气安全稳定供应；在公平服务提升方面，完善油气管网公平接入机制，油气干线管道、省际、省内管网均向第三方市场主体公平开放，促进油气市场体系建设[1−4]。
2019年，国家石油天然气管网集团有限公司（简称国家管网集团）成立，为进一步助力油气管网运营机制改革目标的实现，提出从物理、调控、商务3个层面系统构建全国天然气管网[5]，将建设覆盖全国、联通海外的物理储运网络作为发展基础，组建集中调度、分级控制的信息调控网络作为支撑，打造公平交易、开放服务的数字交易平台作为保障，实现天然气资源、管输业务、供应服务高度一体化融合的坚强管网，推动建设全国统一油气大市场。
“十四·五”期间，管道建设进入加速发展的关键阶段，发展重心逐步从解决“管网总量短缺”向“总量稳增＋结构布局优化”转变。但是，现阶段国家管网集团、三大石油公司以及省网在内的油气基础设施企业在项目规划、项目定义（可研和初设）、建设及运营等方面仍存在诸多“痛点”亟待解决[6−7]。其中，物理储运网络作为“天然气一张网”的构建基础，在规划与建设方面存在上下衔接不统一、各级投资主体建设冲突等问题，一定程度上制约了管网高效率、高质量的建设需求。在此，针对管网物理层面关键问题进行根因分析，并结合相关线性工程行业的网络化发展历程与构建经验，探讨“天然气一张网”物理架构分层分级的构建方法，划分不同层级管网的建设重点，明确各级投资主体的管道建设范围与职责，实施统一部署，以期更加科学、精细地编制管网规划，保障管网项目顺利实施。
全国范围内天然气管网设施建设主体众多，经初步统计，除国家管网集团、三大石油公司外，其他长输管道建设主体多达300余家，各主体间规划项目纳入能源发展规划或油气专项规划的情况相对独立，国家石油天然气规划与省级石油天然气规划间上下衔接、协调难度大。随着城市化进程的深入和生态环境保护要求的提高，管道建设用地资源日趋紧张，管道统筹规划及合理布局建设面临严峻挑战。
在国家层面，建立了以国家发展规划为统领，空间规划为基础，专项规划、区域规划为支撑，由国家、省、市、县各级规划共同组成，定位准确、边界清晰、功能互补、统一衔接的国家规划体系，下位规划服从上位规划、下级规划服务上级规划、等位规划相互协调[4]。石油天然气规划是国家能源发展规划体系的重要组成部分，属于专项规划范畴，也是指导石油天然气产业发展的引领性文件。
针对各级规划编制的范围与职责，2019年修订发布的《石油天然气规划管理办法》中提出跨境、跨省干线原油、成品油、天然气管道纳入国家石油天然气规划，按照“全国一张网”的理念优化布局，未纳入规划的项目原则上不予核准。国家能源局为国家石油天然气规划的编制主体；各省（区、市）组织编制的省级能源发展规划或油气专项规划应服从国家能源发展规划，同时与国家石油天然气规划上下衔接、协调统一；石油天然气企业以审定印发的全国石油天然气规划为指导编制企业规划，并加强与省级规划间的衔接，确保全国石油天然气规划落地实施[8]。
“全国一张网”规划层面面临的问题主要有：①管道项目规划范围及职责定义不明确，不利于“全国一张网”的整体布局分步实施。在油气体制改革过程中确定了国家管网集团成立后承担全国干线管网、重要调峰设施建设等职责，但相关政策文件并未明确干线的定义与范围，现阶段仍存在部分主体独立规划建设大口径、高压力、长距离输气管道的现象，形成区域性的“一张网”，未实现产供销分离，影响天然气“全国一张网”的整体规划布局。②各级规划间存在不统一的情况，上下衔接及横向对接机制有待完善。《石油天然气规划管理办法》强调了省级规划、企业规划与国家级规划的上下衔接、协调统一，但对省级规划与企业规划之间的衔接尚无明确要求[8]，存在跨区域干线管道在部分省域与省内规划项目布局冲突，导致规划实施受阻，造成不必要的规划项目再评估与调整。
国家对企业投资项目从规划到建设实施实行严格的监督管理，项目建设单位可依据审定的规划向相关部门申请项目审批、核准及开工建设的支持性文件，未纳入规划的石油天然气项目原则上不予核准，无正当理由不按期实施并造成严重后果的，依法依规追究责任[8]，充分强调了规划的指导性和约束力。核准是项目取得施工许可的必要条件，项目从规划推进到建设实施，通常需要在项目定义阶段开展用地预审及核准相关要件的办理。国务院、国家发改委及各地方政府对企业投资核准（备案）项目的要求中明确提出：跨省（区、市）干线管网项目由国家发改委核准，省（区、市）内干线管网项目大多由省级发改委核准[9]，原则上省级发改委应根据国家发改委出具的核准文件指导进行后续工作。
结合政策文件要求，企业投资项目从规划到核准建设有较强的衔接性与延续性，因此投资项目若在规划阶段存在未衔接统一的布局冲突，可能出现跨区域干线管道在途经省域内办理用地审批许可等要件时受到制约，影响项目核准，进而影响管道建设的整体进度；同时，若规划冲突项目均取得核准并开工建设，在设施功能定位相同的情况下，势必会导致重复建设，造成管道资源浪费，并形成区域市场竞争、部分管道负荷率较低等情况，不利于“天然气一张网”的合理有序构建与管输能力的充分发挥。
“天然气一张网”在规划布局、建设管理方面存在的问题可以归纳为以下两个方面：①国家层面尚未对干线管道进行明确定义，国家管网集团、三大石油公司以及各省网公司对不同类型管道规划的职责划分认识存在偏差，导致出现规划项目布局冲突、规划实施受制约等情况；②各级规划间未形成有约束力的分级衔接及管控机制，衔接不充分，造成规划间出现交叉重叠、上下不统一的情况。因此，需要深入理解“全国一张网”的优化布局理念，借鉴其他线性工程行业的优秀经验，研究制定管道分类原则，尽快出台清晰的管道分级与定义细则，制定上下衔接统一的工作机制，指导“天然气一张网”分重心、分步骤有序构建。
2007年，国家发改委发布的《综合交通网中长期发展规划》中将铁路、公路、水运、民航、管道5种运输方式定义为综合交通网，提出通过在地理空间与功能上的有机组合、衔接，形成网络布局[10]。其中，公路网覆盖面最广，发展成熟度高。2016年，国家发改委、国家能源局发布《关于推进“互联网＋”智慧能源发展的指导意见》，提出建设以智能电网为基础，与热力管网、天然气管网、交通网络等多种类型网络互联互通，多种能源形态协同转化，集中式与分布式能源协调运行的综合能源网络[11]。2021年，国家发改委印发《能源领域5G应用实施方案》，提出促进以5G为代表的先进信息技术与电网、管网等能源产业融通发展，促进能源互联网的智能化升级[12]。由此可见，通信网络作为信息传递的基础，在综合能源网络中扮演着至关重要的角色。2022年，宫敬等[13]建议将天然气管网的建设、发展与能源互联网中的电网、交通网络等其他系统进行深度耦合分析。
从结构形态上看，电网、公路网、通信网与天然气管网具有高度的相似性，均为互联互通且建设成熟度较高的网状结构；从系统特点上看，电网、公路网、通信网、天然气管网作为综合能源系统、综合交通网的重要组成部分，在推动分层分区互联和综合能源的协同发展上联接紧密；从业务层面上看，电网、公路网、通信网、天然气管网均属于线性输送/传输工程，具备资源注入（车流涌入/呼叫需求）、多用户（出行目的地/信息接收）、进出灵活等特征[7]。结合电网、公路网、通信网行业的历史发展背景，深入分析设施网络的演化路径，汲取网络布局优化经验与方法，对完善“天然气一张网”的层次划分、合理布局具有较好的借鉴意义。因此，选择公路网、电网、通信网作为主要调研对象，分析行业设施网络化构建经验。
随着人们对交通运输质量与效率要求的不断提高，国家公路技术等级结构不断优化，经历5个重要建设时期，基本形成普通公路与高速公路协同发展的公路“一张网”：①起步阶段（1979—1988年）。在1981年发布的《国家干线公路网（试行方案）》[14]中，首次提出以“放射与网络相结合”的理念布局国家干线公路，初步形成“12射-28纵-30横”的普通公路网架构。②稳步发展阶段（1989—1997年）。1993年国家发布的《“五纵七横”国道主干线系统规划》中，提出了普通公路与高速公路的混合型规划，初步形成了高速公路网的雏形；高速公路的发展，提高了公路网整体技术水平，通过优化运输结构，缓解了对国民经济发展的制约。③加速发展阶段（1998—2007年）。2005年发布的《国家高速公路网规划》[15]中，提出“东部加密、中部成网、西部连通”原则，“五纵七横”国道主干线提前贯通，并形成了“7射-9纵-18横”的高速公路网架构，高速公路建设进入加速期。④跨越式发展阶段（2008—2015年）。2013年发布的《国家公路网规划（2013—2030年）》[16]中，提出布局合理、结构优化、衔接顺畅、规模适当等原则，优化布局了“7射-11纵-18横”高速公路网、“12射-47纵-60横”普通国道网。⑤高质量发展阶段（2016年至今）。2022年，《国家公路网规划》[17]提出覆盖广泛、功能完备、集约高效、绿色智能、安全可靠等原则，调整发展重心，强调补充地区环线、并行线、联络线规划，支撑全面建设社会主义现代化强国的新需求。现阶段，公路网呈现覆盖范围广、层次结构清晰、网络成熟度高等特点。其中，普通国道网提供普通的、非收费的交通基本公共服务；国家高速公路网提供高效、快捷的运输服务。
由于功能定位与道路技术等级的不同，公路网具有分级分层的特性。根据JTG B01—2014《公路工程技术标准》，公路的功能定位根据区域层次、路网连续性、交通流特性以及在路网中发挥畅通直达、汇集疏散及出入通达的作用，通常划分为干线型、集散型、支线型3类（表1），基本划定了公路网的组合衔接形式。公路的技术等级划分为高速公路、一级公路、二级公路、三级公路、四级公路5类（表2），反映了公路的通行能力、技术水平、服务质量，同时也作为设计、施工、运营等各环节技术参数选择的依据。通常在确定公路功能定位后，将根据区域交通出行量及城市间路网建设需求，确定公路对应的技术等级，并同步开展公路网的分层规划（表3），以构建层次清晰、功能完备的国家公路网[18]。
表1 公路功能分类判定指标表Table 1 Indicators for function classification of highways
表2 公路技术等级划分表Table 2 Technical classification of highways
表3 公路网分层分级表Table 3 Layering and classification of the highway network
《中华人民共和国公路法》对公路规划编制工作进行了明确规定，并要求与其他方式的交通运输发展规划相协调。公路规划按照公路在路网中的地位分为国道规划、省道规划、县道规划、乡道/村道规划以及专用公路规划，并严格按照行政区域职责进行分级管理、报批备案以及上下反馈监督[19]。
电网从局部独立成网逐步发展为全国范围互联电网主要经历了3个重要发展时期：①省内联网时期（1949—1980年）。以发电厂为中心建设电网，仅覆盖省内或电厂周边小范围城市，输电方式以最高电压220 kV的交流电网为主。②跨省联网时期（1981—2000年）。主要实现省际联网逐步打通，但各大区域电网间未实现互联；输电方式以最高电压为500 kV交、直流电为主；1998年，国家电力公司成立，实现“发、输、配、售”为一体，初步解决了缺电问题。③跨区域联网时期（2001年至今）。电力资源与市场呈现相对分离特征，电网多区域实现联通，并形成西电东送、南北互供、全国联网的网络形态；区域内以交流电网联网为主，跨区长距离输电以 ±800 kV以上直流线路为主。2002年，国家电力体制改革，首次提出“厂网分开、主辅分离、输配分开、竞价上网”的要求[20]。
随着国民经济迅速发展，用电负荷大幅增长，电力系统在动态发展过程中逐步形成基于“分层分区”基本原则指导电网规划、建设及运行的方法。其中，分层是指按照电压等级（即网络传输能力）将电网划分为由上而下的若干结构层次（表4）；分区是指以受端系统为核心，并结合电网结构合理划定供电区域[21]。按照标准电压等级分层，减少电压序列，可以统一规范电力建设和运营，减少电磁环网，提高系统的稳定性，通过不同级别变电站实现区域间电网互为联通备用又相对独立，形成层次清晰的电网分级分层架构（图1），有效提高电力系统运行安全和抗风险能力[22]。
表4 交流电与直流电标准电压等级序列表Table 4 Standard voltage class sequences of AC power supply and DC power supply
图1 电网分级分层示意图Fig. 1 Classification and layering of power grid
2016年，国家能源局发布《电力规划管理办法》，将电力规划划分为全国电力规划（区域电力规划）与省级电力规划，将跨省跨区电网项目、省内500 kV及以上电网项目纳入全国电力规划范围，将110 kV（66 kV）及以上电网项目、35 kV及以下电网项目纳入省级电力规划范围，并明确指出电力企业应根据审定的全国、省级电力规划编制企业规划。同时，制定了“两上两下”衔接机制用于指导工作开展，确保上下级规划与横向省级规划之间有效衔接、协调统一[23]。《电力规划管理办法》结合了电力系统分层分区的基本原则，清晰划分规划范围与职责，有利于上下衔接工作的开展与落地。
通信网络经过100多年的发展，已经从最初的简单信息通信逐步演化成类型丰富且融合各种垂直行业应用的多元复杂通信网络体系。覆盖全国的通信网通常由不同类型的网络互联互通构成，包括电话网络、移动通信网络、无线局域网、互联网、卫星通信网络、光纤通信网络、虚拟私人网络、广播网络、有线电视网络等。通信网的发展呈现出业务类型复杂化，且不同网络差异化更替发展的趋势[24]。20世纪初，随着自动拨号技术、自动交换技术以及长距离传输技术的成熟，以电话业务为主的电信网络曾占据全球通信市场；20世纪70年代，无线电传输理论经由蜂窝通信概念得以商用化，开启了移动通信网络发展新纪元；20世纪90年代以后，移动通信网络技术从多址接入技术、时分多址技术、宽带码分多址技术逐步升级为正交频分多址技术、大规模多天线技术，网络的核心技术也实现了从电路交换向分组交换的演进，移动通信网络完成从1G系统向5G NR系统的跨域式发展。此外，在20世纪70年代，卫星通信网曾依靠静止轨道卫星的强大覆盖能力占据了全球的远程通信市场，但受高昂运营成本的制约，且随着地面移动通信技术高速发展，卫星通信网络的发展放缓。未来，随着火箭回收技术和星上延时信号处理技术的日渐成熟，卫星通信网络与移动通信融合发展仍有很大空间[25]。综上，通信网具有极高的复杂程度，未来将逐渐发展为多业务类型深度融合、规模急剧膨胀的系统网络。
通信网络由传输链路（通道）与链路的汇聚点（网络节点）组成。其中，传输链路通常依托双绞线、同轴电缆、光纤、卫星传输电路等物理传输媒介实现数据的传输[24]，不同媒介的传输速率、容量能力存在差异。每一个通信子网中都有独立的数据链路传输协议和寻址方式，可通过路由器、交换机等节点设备实现不同类型通信网络的全网互联，为不同要求的用户提供不同速率、服务质量、类型的信息传输通道。此外，随着用户对通信网络可靠性及差分化服务能力要求的提高，通信网性能的优化提升成为行业所面临的新挑战。其主要表现在：随时随地不确定的业务需求（呼叫、分组等），服务时间（通话时间、分组传动时间等）的随机性，链路传输能力与网络拓扑（如移动自组织网络）的随机变化等[25]。因此，分层网络拓扑的合理设计、资源的有效分配、网络流量的高效控制是实现通信网络性能提升的关键[26]。
2021年，国家广播电视总局印发《有线电视网络升级改造技术指导意见》，提出构建“云、网、端”为基础的新型网络架构（图2），将传输网络分为骨干网（国家级、区域/省级）、城域网、接入网3层，并从数据网建设架构、光传输网（Optical Transport Network, OTN）通道速率/容量能力两个方面针对不同层级网络提出具体的建设要求（表5），通过核心节点互联实现广电各类资源的互联互通和整合共享[27]。2023年，云超等[28]在战术通信网领域构建了一套基于分层分域的战术互联网网络架构，根据网络类型、指挥关系及区域位置等进行层次划分，形成骨干层、接入骨干层、底层接入层，并将分布较接近的网络节点集合划分出若干区域，有利于上下隶属关系的高效组织与通信传输，大幅提升整个网络的运行管理效率。
图2 有线电视网络技术架构示意图Fig. 2 Technical architecture of cable TV network
表5 不同层级有线电视网络建设要求列表Table 5 List of construction requirements for different layers of cable TV network
根据《中华人民共和国电信条例》，国家对电信资源统一规划、集中管理、合理分配、有偿使用，并对电信业务经营按照电信业务分类实行许可制度。在《电信业务分类目录》中将电信业务分为基础电信业务与增值电信业务，其中经营基础电信业务与跨省增值电信业务，须经国务院信息产业主管部门审查批准；经营省内增值电信业务，须经省、自治区、直辖市电信管理机构审查批准[29]。2017年，工业和信息化部发布《信息通信规划工作管理办法》，将信息通信规划划分为行业规划、地方规划、企业规划，并实行“两线两级”管理；工业和信息化部与各省通信管理局分别负责全国行业规划与各省地方规划，各企业总部（集团）及其下属省级分（子）公司或事业部（群）负责本级企业规划的相关工作。工业和信息化部对各省通信管理局和各企业规划工作进行指导、协调及监督；各省通信管理局对当地企业规划工作进行指导、协调及监督。同时，工业和信息化部对地方规划与企业规划编制工作进行统筹指导，在编制过程中组织规划交流，促进各级各类规划之间的衔接[30]。
将天然气管网、公路网、电网、通信网行业发展情况（表6）进行对比，分析其异同点。在物理组成要素方面，四大行业的网络结构均可以抽象为由“点”与“线”组成，其中“点”负责天然气、电力资源、车（人）流、信息流的分配与传输，“线”通过“点”连接起来构成互联互通的网络拓扑，本质上均是解决资源配置与流量控制的问题。其不同点主要表现为输送介质与物理媒介的差异，其中，通信网络包括有线介质与无线介质，网络拓扑更复杂，对分层分区差异性架构设计与性能优化的要求更高。
表6 四大行业要素对比表Table 6 Comparison of factors by four major industries
在流量分布特点方面，天然气管网与电网的资源与市场分布较为相似，发电与天然气资源因地域自然禀赋的不同，存在明显的时空分布差异；用电、用气负荷与区域经济发达程度、城市人口规模、产业规划等因素密切相关，因此天然气管网、电网的资源市场呈现相对分离的特点，直接影响输送网络的规划布局。公路网、通信网的不同点在于流量产生相对随机，通过交通量综合预测，合理布局道路/传输链路的网络架构、节点位置，提升流量承载能力，合理控制流量，减少车辆拥堵/通信排队时间是网络发展的关键。
在网络发展历程方面，四个行业均呈现出网络化程度逐步增强的特点，但发展路径各有不同：公路在改革开放初期就提出以“放射＋纵横”的网络化理念开展布局，网络随交通运输需求增长呈现持续加密、通行速度提升等特点，并结合功能定位与技术等级分两层开展高速公路网、普通公路网的布局建设；电网受电源建设、电力负荷差异化增长影响，呈现出由“局部小网”逐步互联成“全国大网”的特点，并形成了“电压分级、供电分区”的布局原则，网络可系统划分为全国骨干网、区域主干网、末端配电网3个层次，提高了资源供应效率与电网可靠性；通信网随着5G、通信感知一体化等技术的突破，从传统的单一通信网逐步过渡到多业务类型、有线无线融合发展的复杂网络体系，网络架构优化中突显分层分区分域提高安全稳定性的理念，以有线电视网络为例，根据功能定位、服务对象、容量需求的不同，将通信网划分为骨干网、城域网、接入网，以高效组织数据传输，减少通信延时。
在技术与政策方面，各行业网络化建设的过程均伴随着关键技术的突破和政策的引导。其中，电网与天然气管网先后经历了本行业的体制机制改革，电力行业施行“厂网分开、主辅分离、输配分开、竞价上网”，油气行业推进干线管网独立、实现管输与销售分开，其目的均是提高设施网络的安全可靠与灵活高效，有效激发市场活力。在规划层面，四个行业均出台了相关法律或管理办法，其中，电网规划管理办法深入贯彻了电网分层分区的基本原则，帮助各级规划合理划分范围、衔接协调统一；公路法将规划范围及衔接机制纳入文本，为规划执行提供了强有力的支撑。
与公路网、电网、通信网相比，天然气管网结构发展具有特殊性，需进一步明确“网络化”构建的理念，结合管网特点，分析管道功能定位，形成管网架构分层优化原则，制定差异化的布局策略，统筹规划“全国一张网”，提升管网输送能力。同时，优化规划管理办法，进一步明确管网类型划分，细化上下衔接机制，帮助规划工作顺利落地，规范化网络建设。
以构建安全可靠、结构稳定、灵活高效的“天然气一张网”为目标，结合电网、公路网的经验启示，提出从管道“功能分类＋技术等级”出发，构建天然气管网分层布局的方法。
中国已建天然气管道里程接近12×104 km，上游资源与下游市场分布跨度广，输气路线四通八达。从网络结构上看具备两个明显特点：①西北、东北、西南及东南沿海区域管道路径相对简单，多为资源输送型通道。②中东部区域管网互联互通程度高，结构相对复杂。按照同一标准进行不同区域管道规划，不利于提高资源配置效率，也不能适应消费市场变化。因此，结合资源与市场分布、管网结构以及枢纽站点位置，可将管道的功能类型划分为资源通道型、汇集疏散型、市场供应型3类。
资源通道型管道直接连接资源点，主要起到天然气资源集中稳定输送作用，如西气东输一线轮南—中卫段。根据资源类型及规模，分为进口管道资源、进口LNG资源、大型国产气资源、小型国产气上载资源。在“天然气一张网”中属于资源注入的重要通道，是能源安全保障供应的关键，直接影响汇集疏散管道作用的发挥，具备管输量大、沿线下载少等特点。
汇集疏散型管道承接枢纽转供资源，主要提供区域间（省际）或重要市场负荷中心（大中型城市）间长距离、大容量天然气汇集疏散服务，如西气东输一线中卫—上海段，典型的枢纽有中卫、榆林、永清、安平、潜江、贵阳等。汇集疏散型管道是“天然气一张网”中发挥中间高效集输、灵活调度运行、互济共保能力的最重要载体，具有管输变化大、沿线下载多、管网压力匹配复杂等特点。
市场供应型管道承接资源通道型或汇集疏散型管道转供资源，以市场服务功能为主，并向下游用户或终端输气。该类型管道是“天然气一张网”激活末端消费市场潜力的抓手，如西气东输一线扬巴支线管道。
通过划分不同类型管道的功能定位，有助于结合项目特点，制定分类施策的规划技术标准，逐步形成不同区域管道功能清晰、发展导向明确、规划建设秩序规范，管网发展与用气市场、供气保障相协调的发展格局。
2022年，王亮等[5]提出按照设计压力确定管道技术分级，并推荐了不同区域的管道主选压力，东北、西北区域干线管道主选12 MPa，东部区域干线管道主选10 MPa。但仅根据设计压力，无法清晰判定管道的重要性，不能准确反映管道的输送能力。如中东部区域的西气东输一线扬巴支线管道，设计压力为10 MPa，实际属于市场供应型的支线，管径为406 mm，设计年输量为15×108 m3；东北区域的明哈管道，设计压力12 MPa，属于市场供应型的支线，管径为559 mm，设计年输量为10×108 m3。为解决此问题，在全面梳理全国天然气管道的建设规模与设计参数的基础上，提出根据压力、管径组合来判定管道技术等级的方法。
从中国天然气管网布局的发展现状看，输送能力不仅体现了管道承接资源量的大小，也反映了途经直接、间接市场的天然气消费需求量以及管道的重要程度。通过分析管道输量变化影响因素，高慧明等[31−33]通过实验得出管道直径与压力是影响管输能力最主要的两个因素，在其他影响因素相同的情况下，管道直径增加1倍，其输气能力相应提升5～6倍；首站压力增加1倍时，输气能力提升1～2倍，首末站压差增加1倍，输气能力提升1～2倍。此外，根据GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》中的气体流量计算公式，输量与管径的2.5次方成正比，并与压力平方差的平方根成正比。因此，为简洁直观地评估管道输送能力、划分技术等级，同时考虑便于计算，结合工程实际，提取设计压力及管道外径，定义为输气能力指数Gtci，将其作为评定管输能力的主要指标：
式中：QV为气体流量，m3/d；d为输气管道内径，cm；p1、p2分别为输气管道计算管段起点、终点的绝对压力，MPa；L为输气管道计算段的长度，km；E为输气管道的效率系数；Z为气体的压缩因子；T为气体的平均温度，K； ∆ 为气体的相对密度；p为设计压力，MPa；D为通用管道外径，m。
根据常用钢管规格，结合管道建设实践经验，选取通用管径与常见设计压力，计算形成输气能力指数矩阵（图3，其中灰色区域为不常用的管径、压力组合）。结合管网建设现状，对输气能力指数矩阵进行聚类分析，形成 3个管输能力区间： Gtci≥10、 10＞Gtci≥4、Gtci＜4。管输能力区间对应不同的管径、压力组合，可反映区间内的管道技术等级。
图3 输气能力指数矩阵图Fig. 3 Gas transportation capacity index matrix
3.3 管网分层矩阵
周俊杰等[18−19，34−35]在城市路网规划中，结合路网的区域功能、道路建设等级提出了基于路网分层分区特性，通过交通诱导子区优化路径选择的方法。根据道路等级及实际承载车流量，形成若干层次网络，同层路网行车环境、通行水平相对接近，针对分层后的路网结构开展规划计算可显著提高算法的运行速度。宋云亭等[36]在大电网结构规划中提出电网结构是保证电网安全经济生产的物质基础，电力主干网架应通盘规划、统筹安排、尽早形成。为保证各级电压网络传输效益的充分发挥，应当将不同容量的电厂及负荷分别接到相适应的电压网络上，做到布局合理、分层分区、主次分明。
结合电网、公路网的分层理念与方法，提出基于“功能定位＋技术等级”的天然气管网分层方法。系统梳理全国已建管道的分布现状与技术参数，综合考虑各管道承接资源、转供资源及供应市场情况，根据功能分类原则合理分析确定每条管道的主要功能定位；根据压力、管径参数逐条计算管道的输气能力指数，划定分布区间；最后综合考虑安全稳定、供应可靠、公平开放、灵活高效“天然气一张网”构建因素，结合功能定位与技术等级建立管网分层矩阵（表7）。
表7 管网层级划分表Table 7 Classification of pipeline network layers
主干层、干线层、支线层共同构成“天然气一张网”。主干层包括Gtci≥4的资源通道型管道和Gtci≥10的汇集疏散型管道（相当于100×108 m3）；干线层包括非主干层的资源通道型管道、汇集疏散型管道和Gtci≥4的市场供应型管道；支线层包括Gtci＜4的市场供应型管道（相当于40×108 m3）。主干层、干线层共同组成“天然气一张网”的骨干架构，基本承接全国范围内的进口、国产天然气资源，覆盖各大用气负荷中心，骨干管网跨区域输送、灵活调度功能能否充分发挥直接影响天然气的供应保障；支线层是连接骨干网架和末端市场用户的重要桥梁，也是未来与其他能源体系多能融合发展的重要抓手。
针对当前中国天然气物理储运网络所面临的“痛点”，结合上述天然气管网分层分级方法，从规划衔接、建设运营、模型优化3个方面提出应用建议。
各级规划的有效衔接是保障天然气“全国一张网”建设的重要前提。在规划衔接方面，天然气管网所亟需解决的重点问题是通过清晰划定国家级、省级两级规划的项目职责范围，进一步完善国家级规划、省级规划、企业规划之间的衔接机制。根据上述管网分层分级方法，提出以下建议：对于国家能源局负责编制的国家天然气管网规划，其范围应涵盖主干层、干线层、跨省支线层管道；对于各省能源局负责编制的省级天然气管网规划，其范围应涵盖不跨省的支线层管道（图4）。针对各级规划间衔接不统一的问题，可参考电力规划管理办法中的“两上两下”衔接机制，制定适用于天然气管网规划协调统一的衔接机制（图5），以期推动天然气管网相关规划研究工作的有序开展。
图4 国家、省级天然气管网规划范围示意图Fig. 4 Planning scope of national and provincial natural gas pipeline networks
针对项目规划布局冲突、覆盖市场重叠、管道路由资源浪费、管容未充分公平开放[37]等问题，在天然气管网分层分级基础上，结合油气体制改革对国有石油天然气管网公司的功能要求，对各类主体的管道建设管理职责提出建议：主干层管道由国家管网集团负责建设、统一管理，并纳入国家天然气集中调度中心进行调控；干线层管道由国家管网集团主导建设，其他主体的干线管道以收购或合资建设等形式融入国家管网，并纳入国家天然气集中调度中心进行调控或调度；支线层管道以市场需求为导向，各主体科学合理组织建设，实施灵活调度（图6）。通过厘清建设管理界面，进一步加强“天然气一张网”建设的统一性和全局性，有利于各层管网高质量协同建设，形成高效集输的运行体系，对提高资源配置效率、保障天然气供应稳定意义重大。
国家管网集团成立后，全国范围内的跨区域、大输量管道逐步联网，天然气管网的规模和复杂度逐步提高，在流量灵活分配、流向路径推荐、水力系统仿真、系统能耗优化等方面涌现出诸多智能化的计算分析模型和软件[38−40]。刘定智等[41]通过简化天然气管网系统组件，构建优化数学模型，在满足资源上载、分输下载、储气设施接入等多种条件下，应用Gurobi求解器实现天然气管网输量优化计算。阎涛等[42]结合天然气管网的拓扑结构特征，提出一种“分层管网＋独立子网”的仿真计算方法，降低单次求解规模，提高仿真计算效率。在管网分层分级基础上，提出基于骨干管网搭建拓扑结构，将支线层市场归集为主干、干线管道的市场分输点进行模型简化构建，应用基于Copt求解器的流量流向智能优化软件，开展主干、干线管道的瓶颈分析，提出管网互联互通、新建管道等规划布局建议。
图5 管网规划工作上下衔接流程图Fig. 5 Flow chart of integration from top to bottom in pipeline network planning
图6 建设模式及运营管理范围示意图Fig. 6 Construction mode and operation management scope
在深化油气体制改革和全面推进“碳达峰、碳中和”目标的大背景下，油气管网的发展迎来了新的机遇和挑战。“十四·五”期间，天然气管道建设进入第三次快速发展阶段[43]，“全国一张网”的布局理念在实施过程中显现出一些新问题。为此，针对天然气管网规划、建设、运营等方面暴露出的问题，深入分析根本原因，借鉴电网、公路网、通信网行业的经验，从管道类型划分、规划衔接机制、建设运行界面3个方面提出管道“功能定位＋技术等级”确定管网层次架构的分层分级方法，实现管网分类施策，从而更好地促进规划项目的实施落地、管网布局的统筹建设，提升天然气管网集约输送和公平服务能力，为国家能源供应安全提供保障。
主管单位：国家石油天然气管网集团
有限公司
主办单位：国家管网集团北方管道有
限责任公司
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