一種輸氣管道穩(wěn)態(tài)模擬及調(diào)峰計(jì)算的新方法
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作者：鄭曉敏
隨著管道仿真模擬技術(shù)的發(fā)展，組成管流元件模型的嚴(yán)密性和準(zhǔn)確度也不斷提高，在要求實(shí)時(shí)計(jì)算和跟蹤管道沿線流體性質(zhì)的場合，瞬態(tài)模型取代了穩(wěn)態(tài)模型，能量流動(dòng)方程替代等溫模型，用以計(jì)算流體溫度變化。在仿真管道模擬中，由狀態(tài)方程通過壓力和溫度求解密度，可用來管道充填量計(jì)算、流量計(jì)標(biāo)定、壓力降計(jì)算；計(jì)算熱力學(xué)參數(shù)可用來熱力學(xué)建模、壓縮機(jī)計(jì)算或氣液平衡計(jì)算。但是，在輸氣管道的設(shè)計(jì)階段，必須先對輸氣管道進(jìn)行靜態(tài)數(shù)值模擬，來得到穩(wěn)態(tài)時(shí)的工作壓力輸氣量等參數(shù)以便對整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行總體規(guī)劃。
1 模型的建立
根據(jù)流體力學(xué)基本原理推導(dǎo)而來的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程以及能量方程可用來建立輸氣管道動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。
連續(xù)性方程：
運(yùn)動(dòng)方程：
能量方程：
式中，p為氣體密度，kg/m3；Ⅳ為氣體的流速，m/s；t為時(shí)間變量，s；戈為沿管長變量，m；臼為管道與水平面間的傾角，rad；A為水力摩阻系數(shù)；D為管道內(nèi)徑，m；P為管道中氣體壓力，Pa；Q為單位質(zhì)量氣體向外界放出的熱量，J/kg；M為氣體內(nèi)能，J/kg；^為氣體的焓，J/kg。
對于穩(wěn)態(tài)計(jì)算，流動(dòng)參數(shù)不隨時(shí)間變化，為了便于分析，將式(1)~式(3)重新表示為以下形式：
通過選用四階龍格一庫塔法( Runge - Kutta)求解一階微分方程組(4)，得到各變量增值后的值為：
通過反復(fù)進(jìn)行以上計(jì)算，可求出管路從始端到末端各截面的參數(shù)。
2輸氣管道的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)仿真軟件
基于上述輸氣管道的基本方程以及其他相關(guān)方程，可以建立出輸氣管道穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的仿真模型，選用特征法或中心隱式差分法等算法求解模型，開發(fā)出輸氣管道仿真軟件。TGNET是20世紀(jì)90年代中期ESI公司開發(fā)的一款仿真軟件，目前在市場上占有較大的份額，行業(yè)上普遍比較認(rèn)可。
3軟件的驗(yàn)證
以“西氣東輸二線洛陽支線管道工程”為例，起點(diǎn)為西氣東輸二線洛陽分輸站，終點(diǎn)為位于伊川縣大莊的洛陽末站。全線位于河南省伊川縣境內(nèi)，線路宏觀走向?yàn)閺哪舷虮�，線路長度約24. 64 km，管徑DN500。洛陽末站目前共有2路分輸用戶，1路經(jīng)計(jì)量后直接向河南煤業(yè)供氣，另1路經(jīng)計(jì)量后直接向洛陽市供氣，根據(jù)洛陽分輸站現(xiàn)場提供的2012年1月4日數(shù)據(jù)，洛陽分輸站出站壓力5.0 MPa，流量45.6萬m3/d，溫度-7℃（洛陽末站的地勢高于洛陽分輸站地勢），和軟件計(jì)算結(jié)果對比表如表1。
由表1可看出，應(yīng)用TGNET軟件對輸氣管道的水力、熱力計(jì)算是比較準(zhǔn)確的。
4調(diào)峰工況分析
在一段時(shí)間內(nèi)，一個(gè)供氣系統(tǒng)的氣源供氣量與用戶需求量是總量平衡的，但在該時(shí)段內(nèi)的各個(gè)時(shí)刻往往供需不平衡，這種不平衡主要源于氣源供氣的相對平衡性與用戶用氣流量的不均勻性。為了最大限度地滿足用氣需求，需要對供氣系統(tǒng)采取各種調(diào)峰措施強(qiáng)制性地使供氣系統(tǒng)的總供氣量與用氣量維持動(dòng)態(tài)平衡的過程稱為供氣調(diào)峰。在大多數(shù)供氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理過程中，調(diào)峰是一項(xiàng)必不可少的重要內(nèi)容。目前常用的調(diào)峰方式主要有管道自身調(diào)峰、地下儲氣庫調(diào)峰、LNG調(diào)峰以及其他調(diào)峰方式。一般，季節(jié)性的大型調(diào)峰會選擇地下儲氣庫、LNG的方式來進(jìn)行用氣高峰期的調(diào)峰，而短時(shí)期的日調(diào)峰則會利用管道自身的末端儲氣進(jìn)行調(diào)峰。
仍以前面提到的“西氣東輸二線洛陽支線管道工程”為例，2020年，洛陽末站的2個(gè)分輸用戶年平均用氣總量為28.5×l08 m3/a．2個(gè)分輸用戶的需求壓力不低于4.0 MPa，參考洛陽市城市居民用氣特點(diǎn)、生活習(xí)慣、消費(fèi)水平確定本管道典型周城市燃?xì)獠痪鶆蛳禂?shù)，采用TGNET軟件在高峰月對管道進(jìn)行1個(gè)星期168 h動(dòng)態(tài)調(diào)峰分析，論證依靠管道自身儲氣是否能夠滿足洛陽末站用戶日調(diào)峰需要。
計(jì)算結(jié)果如圖1，洛陽分輸站的平均分輸流量是407 550 m3/h，分輸壓力是6.0 MPa，洛陽末站用戶的用氣量是370 870.5~468 682.5m3/h，壓力是3. 90~4.91 MPa，不能滿足洛陽末站分輸用戶最小4.0 MPa的供氣壓力需求，因此利用管道自身儲氣2020年將不能滿足高峰月管道沿線用戶的日調(diào)峰需求量，需要考慮其他方式進(jìn)行用氣調(diào)峰。
5結(jié)論
(1)基于流體力學(xué)公式建立起來的軟件TGNET穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果和現(xiàn)場運(yùn)行情況基本相符，驗(yàn)證了軟件的準(zhǔn)確性。
(2)輸氣管道自身具有一定的容積，在輸氣過程中，由于壓力原因，管存量是不可忽略的。利用輸氣管道自身儲氣調(diào)峰方式簡單，易操作。缺點(diǎn)是管道儲氣量有限，調(diào)峰時(shí)間短。6摘要：
首先介紹了輸氣管道計(jì)算的基本公式，以及基于此的仿真模擬軟件，通過實(shí)際現(xiàn)場的運(yùn)行數(shù)據(jù)對軟件進(jìn)行了驗(yàn)證；而后通過軟件對輸氣管道調(diào)峰進(jìn)行了動(dòng)態(tài)計(jì)算。
