天然氣混輸管網熱值波動過程模擬

潘國君，郭開華，王冠培，梁金鳳

（中山大學工學院，廣東 廣州510006）

引 言

天然氣作為清潔能源在我國得到迅猛發展，2012年我國天然氣消費量達1438億立方米，同比增長10.2%［1］。天然氣發電作為一種新型、清潔、高效的能源在國內外受到極大重視，特別是在燃氣發電當中。在國外天然氣發電裝機容量已經接近或者超過常規的水、火電裝機容量；在國內天然氣發電雖剛剛起步，但天然氣發電的優點也得到了國家和民眾的認識與重視，特別是廣東地區，隨著多方位多氣源局面的形成［2］，LNG項目逐步發展，燃氣發電用氣量也在逐步增加［3］。

國內天然氣氣源種類繁多，多氣源接入同一管網系統的格局逐步形成，對下游用戶的安全、高效運行提出了新的挑戰。相較于民用用戶，工商業用戶對氣質質量具有更高的要求。以燃氣電廠為例，一般燃氣電廠常用的燃氣機組有E級和F級，E級機組運行中熱值允許變化速率要求在0.1%·s－1之內且熱值波動范圍≤±5%，F級機組運行中熱值允許變化速率要求在4%·min－1之內且熱值波動范圍≤±2%。目前研究表明，國內現階段的氣源之間均要求滿足熱值范圍的互換要求［4］。但對于兩種滿足互換要求的氣源進行相互替換時造成的熱值波動速率能否達到燃氣機組的運行要求，則需要進一步研究。

本研究是在中山大學－BP液化天然氣教育培訓與研究中心燃氣混輸管網動態仿真平臺［5］的基礎上建立了天然氣混輸管網氣質質換情況下的仿真模型，可以計算氣質質換后下游各位置的熱值變化及熱值變化率情況，為下游工商業用戶提供參考。

1 混輸管網熱值波動仿真模型

混輸管網熱值波動一般是由不同熱值的氣體質換造成的。氣質質換指的是兩種不同氣質的可互換氣源替換時的氣質瞬變過程。對于質換型混輸管網，熱值的波動與質換氣體的熱值變化、管道輸氣流量、管道的幾何尺寸、流速、氣質傳遞特性等相關。對于一個混輸管網，任何一點的熱值波動取決于該點到氣質質換點路由的各段管道的流動和氣質傳遞特性。以圖1所示的支狀管網為例，對于任意節點k，該點到質換點的路由管線由k段管道組成，各管道之間通過節點進行連接，管網中任意節點的熱值變化由氣質質換點的熱值波動及i＝1～k的k段管道的流動性質和氣質傳遞特性決定。

圖1 支狀混輸管網仿真模型平面拓撲Fig.1 Topology of mixing pipeline network

文獻 ［6］通過CFD數值模擬和理論分析相結合的方法給出了氣源質換條件下單根管道的氣質擴散及熱值波動規律，其中包括管道內不同位置處熱值變化率及熱值變化的數學表達式。對于定常流動的單根氣質質換管道而言，管內天然氣氣質濃度及其燃氣熱值的變化規律遵循沿軸向一維瞬變熱質擴散的一般規律和基本方程［7］。氣質質換時，流動介質中組分沿管的軸向的瞬變質量擴散問題可以等效為一個勻速運動的觀測者在混氣交界面處所觀測到的平均流動為零的軸向瞬變質量對流擴散問題［8－9］。管道內的氣質濃度及燃氣熱值隨時間變化規律滿足正態概率積分函數，即誤差函數［6］。

對于圖1所示的支狀質換型燃氣混輸管網而言，任意節點k處的熱值變化及其熱值變化速率可分別由式 （1）和式 （2）決定

式中，Hk為節點k處的熱值；Hs為質換氣的熱值，Hr為被質換氣的熱值，H0為Hs和Hr的平均值；uk為第k段管的氣體流速；xk為節點k到氣質質換點的距離，由k點到氣質質換點的路由管線決定；t為從氣質質換開始到當前的時間；t＊為等效預混時間，其大小與氣質質換點的管路結構和切換時間等因素相關；Dm，eff，k為節點k處的平均有效質擴散系數，與節點k到氣質質換點的路由管線及各管道流動特性相關。

式中，Dm，eff，i為節點前路由第i根管道的有效質擴散系數，與 Reynolds數相關［10－12］，文獻 ［6］給出了具體表達式：

式中，ν為氣體運動黏度。

任意時刻氣質質換交界面的位置x0（t）與到氣質質換點的管道路由中不同管路的流速和幾何尺寸相關。氣質交界面到達任意節點j的時間可由式（6）確定

對于節點k，當j≤k且tj－1＜t≤tj時，氣質交界面到氣質質換點的距離x0（t）可由式 （7）確定

當t＞tk時則

2 實例仿真分析及結果

某干線管網由20個分輸站組成，全長441km，運行壓力8MPa以上，燃氣經過各個分輸站輸送給電廠及商業用戶，氣源入口為管網唯一供氣氣源，其管網拓撲如圖2所示。氣源供應兩種氣質的天然氣，分別為熱值Hs＝38.8MJ·m－3（標況狀況，下同）的澳大利亞氣和Hr＝37.6MJ·m－3的卡塔爾氣，在t＝0時刻發生由卡塔爾氣到澳大利亞氣的質換過程。管網用氣負荷一般是在平均負荷附近波動，因此管網給定各節點日平均小時流量作為邊界條件進行計算，見表1，并取預混時間t＊＝20s。

表1 各節點外輸流量Table 1 Outflow of nodes

當某節點熱值與被質換氣熱值不同時，認為該節點熱值開始發生變化，以每一節點開始變化的時間為起始點，令這一時刻為t′＝0，得到圖3的各節點熱值變化曲線。可以看出，經過一段時間之后，各節點均完成由卡塔爾氣質換到澳大利亞氣的過程，在氣質質換開始和結束階段變化較緩，中間較陡。各節點完成質換的時間不一樣，熱值變化速率也不一樣。完成質換的時間越長，熱值變化越慢，反之越快。

圖2 某市管網拓撲圖Fig.2 Topology of city pipeline network

圖3 各節點熱值變化曲線Fig.3 Heating value of each node

每個節點由于與氣源距離和各管道流量的不同，氣質變化速率最大的時間也不一樣。表2給出了每個節點從氣源開始質換到熱值變化速率最大時的時間。

表2 各節點最大熱值變化率時間Table 2 Minutes to reach max heating value rate

圖4給出了各節點的熱值變化率曲線。可以看出，隨著節點與氣源點距離的增加，氣質變換的時間隨之增加，節點熱值變化率先逐漸增加后逐漸減小。最大熱值變化率同節點與氣質質換點的距離有關，一般而言距離越遠最大熱值變化率越小。

圖4 各節點熱值變化率Fig.4 Heating value rate of each node

表3 各節點最大相對熱值變化率Table 3 Max relative heating value rate of nodes

對于一般燃氣電廠常用的E級和F級機組，允許的熱值 （或沃泊數）變化范圍分別為±5%和±2%，同時允許的變化速率分別為0.1%·s－1和4%·min－1，由此可得相對熱值允許變化速率分別為0.02s－1和0.033s－1。從圖4可以得出每個節點的最大相對熱值變化率，見表3。

由表3可以看出，除了福華德電廠外，其他節點均在燃氣機組熱值變化速率允許范圍之內，氣質質換不會對其產生影響。福華德電廠由于距離氣質質換點較近，在該處的相對熱值變化速率已經大于E級機組所允許的熱值變化速率，因此在氣質質換時要采取一定的措施。

3 結 論

混輸管網熱值波動一般是由質換兩種不同氣質的天然氣引起的。本研究建立了氣質質換情況下混輸管網熱值波動的仿真模型，模擬了燃氣氣質過程中混輸管網不同位置處的熱值及熱值變化率的情況，通過實例工況的模擬驗證此仿真模型能很好地滿足設計的要求，可以分析質換型天然氣混輸管網在不同流量、不同位置處的熱值變化情況，為下游工商業用戶提供參考，具有實際應用價值。

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