動(dòng)態(tài)模擬在多氣源多用戶管道儲(chǔ)氣調(diào)峰中的應(yīng)用

操澤

摘 要：管道儲(chǔ)氣調(diào)峰方式有許多種。其中，末段儲(chǔ)氣調(diào)峰是非常重要的一種調(diào)峰方式。目前，工程上經(jīng)常使用穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法對(duì)末段儲(chǔ)氣量進(jìn)行估算，但是由于管道儲(chǔ)氣過(guò)程的復(fù)雜性，以及工業(yè)用戶間歇性用氣，穩(wěn)態(tài)結(jié)果往往存在偏差。針對(duì)某實(shí)例管道，分別進(jìn)行了管道末段儲(chǔ)氣能力穩(wěn)態(tài)計(jì)算與動(dòng)態(tài)計(jì)算，結(jié)果表明，動(dòng)態(tài)模擬下管道儲(chǔ)氣量最大時(shí)刻滯后于穩(wěn)態(tài)模擬，儲(chǔ)氣量也大于穩(wěn)態(tài)模擬。

關(guān) 鍵 詞：儲(chǔ)氣調(diào)峰；動(dòng)態(tài)模擬；末段儲(chǔ)氣

中圖分類號(hào)：TE 832 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-0460（2015）10-2349-03

Dynamic Simulation on the Gas Storage and Peak Shaving of Gas Pipeline

CAO Ze

（China University of Petroleum （Beijing），Beijing 102200，China）

Abstract： The method of gas storage and peak shaving of gas pipeline is various. Gas storage and peak shaving in end section is one of these methods. At present， the steady-state simulation is often used to estimate gas storage capacity of the end section in the engineering. But there is a deviation in the results of the steady-state simulation because of the complexity of the pipeline gas storage process and the intermittency of using gas. In this paper， steady-state calculation and dynamic calculation were performed for the gas storage in end section of gas pipeline. The results show that the time of the maximum gas storage capacity obtained by the dynamic simulation lags behind that obtained by the steady-state simulation， and the gas storage capacity obtained by the dynamic simulation is greater than that obtained by the steady-state simulation.

Key words： Gas storage and peak regulation；Dynamic simulation； End pipeline gas storage

天然氣是一種清潔能源，世界上越來(lái)越多的人們開始使用天然氣來(lái)替代其他能源，城市居民用戶與工業(yè)用戶用氣量迅速增加。城市天然氣用量是在不斷變化的，冬季用氣量大，夏季用氣量小，一月中每日的用氣量、一日中每小時(shí)的用氣量都不盡相同。但是，為了保證供氣平穩(wěn)可靠，氣源供氣量和供氣壓力都是一段時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定不變的，這就存在著用氣量的供求不平衡問(wèn)題。為保證用戶連續(xù)用氣，解決氣源供氣與用戶用氣的平衡問(wèn)題，合理確定儲(chǔ)氣調(diào)峰措施非常必要。

1 調(diào)峰措施

（1）天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)調(diào)峰

地下儲(chǔ)氣庫(kù)利用處于較深地層的封閉地質(zhì)構(gòu)造儲(chǔ)氣，具有庫(kù)容大、安全性好、儲(chǔ)轉(zhuǎn)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，是目前國(guó)內(nèi)外天然氣輸氣系統(tǒng)保證安全平穩(wěn)供氣的主要手段之一。地下儲(chǔ)氣庫(kù)一般建立在城市、工業(yè)用戶的附近，以方便進(jìn)行調(diào)峰，保證下游用戶用氣的穩(wěn)定性。

（2）液化天然氣調(diào)峰

液化天然氣（LNG）調(diào)峰主要為了調(diào)節(jié)下游用戶日、月不均衡用氣，LNG調(diào)峰是在LNG站中安裝LNG地溫罐儲(chǔ)存LNG來(lái)進(jìn)行調(diào)峰[1]。與其他調(diào)峰設(shè)施相比，LNG儲(chǔ)罐調(diào)峰具有快速靈活、高安全性、操作成本低等特點(diǎn)。與地下儲(chǔ)氣庫(kù)相比，在用氣低谷期時(shí)，長(zhǎng)輸管道中天然氣不通過(guò)液化進(jìn)入LNG站，LNG是通過(guò)其他途徑來(lái)進(jìn)行補(bǔ)充的。在用氣高峰期，管網(wǎng)壓力下降到一定程度是，LNG調(diào)峰站開始工作，LNG通過(guò)氣化器氣化后輸入天然氣管網(wǎng)。

（3）管道調(diào)峰

天然氣管道調(diào)峰分為管道末端儲(chǔ)氣調(diào)峰與城市高壓管網(wǎng)調(diào)峰。天然氣長(zhǎng)輸管道自身具有一定的容積，天然氣本身也具有良好的壓縮性。在輸氣過(guò)程中，末段輸氣管道的終點(diǎn)壓力可以在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)，且不會(huì)對(duì)輸氣管道的整體輸氣量產(chǎn)生明顯的影響。在用氣低谷期時(shí)，供氣量大于用氣量，富裕的天然氣在管道末段儲(chǔ)存下來(lái)；在用氣高峰期時(shí)，氣源供氣量的不足可由管道末段儲(chǔ)存的天然氣進(jìn)行補(bǔ)充。對(duì)于城市高壓天然氣管網(wǎng)，其調(diào)峰模式與天然氣長(zhǎng)輸管道末端儲(chǔ)氣調(diào)峰原理相似，只不過(guò)城市管網(wǎng)對(duì)用戶用氣量的不均衡性反映更及時(shí)，調(diào)節(jié)更迅速[2]。由于天然氣長(zhǎng)輸管道和城市管網(wǎng)的儲(chǔ)氣規(guī)模有限，其主要用于城市小時(shí)調(diào)峰和日調(diào)峰。

（4）氣田調(diào)峰

氣田調(diào)峰是通過(guò)暫時(shí)提高上游氣田產(chǎn)量，增加輸入天然氣管網(wǎng)內(nèi)的氣量來(lái)進(jìn)行調(diào)峰的，此類調(diào)峰氣田與一般常規(guī)氣田相比，其開發(fā)成本較低。但是由于氣田本身存在的局限性，在生產(chǎn)、調(diào)峰過(guò)程中存在一定的危險(xiǎn)因素[3]。例如，當(dāng)調(diào)峰氣田長(zhǎng)時(shí)間停產(chǎn)之后，再次恢復(fù)生產(chǎn)時(shí)，對(duì)于井下、地面集輸設(shè)備來(lái)說(shuō)是不小的考驗(yàn)；一般來(lái)說(shuō)，氣田的開發(fā)都是連續(xù)穩(wěn)定的生產(chǎn)方式，而調(diào)峰氣田需要進(jìn)行間歇性生產(chǎn)，這種生產(chǎn)方式會(huì)大大增加對(duì)氣藏變化的認(rèn)識(shí)難度，需要重新研究開發(fā)方案，重新設(shè)計(jì)開采方式。

（5）液化石油氣調(diào)峰

在冬季，城市用氣量相當(dāng)大，在條件允許的情況下可采用液化石油氣（LPG）調(diào)峰。夏季時(shí)將富裕的LPG進(jìn)行儲(chǔ)存，儲(chǔ)存方式可以采用帶壓儲(chǔ)存，或者-40 ℃下常壓儲(chǔ)存；冬季時(shí)通過(guò)成品油管道或者罐車將液化石油氣輸送至需要的城市。

（6）儲(chǔ)氣罐調(diào)峰

儲(chǔ)氣罐調(diào)峰是地面設(shè)備儲(chǔ)氣調(diào)峰的主要方式，主要調(diào)節(jié)城市用戶日不均勻用氣和小時(shí)不均勻用氣。儲(chǔ)氣罐根據(jù)工作壓力大小可分為高壓罐和低壓罐，根據(jù)類型可分為圓筒型罐和球罐。與圓筒型儲(chǔ)罐相比，高壓球形罐具有耐高壓、節(jié)約土地資源、投資成本少、儲(chǔ)氣量高[2]等優(yōu)點(diǎn)，在世界各國(guó)廣泛應(yīng)用。

（7）管束調(diào)峰

高壓管束是一種高壓管式儲(chǔ)氣罐，直徑一般為400 mm至500 mm，耐高壓。管束調(diào)峰是將一組或幾組高壓管束埋在地下，根據(jù)天然氣的可壓縮性進(jìn)行儲(chǔ)氣[3]。這種儲(chǔ)氣方式優(yōu)點(diǎn)是調(diào)度靈活方便，缺點(diǎn)是占地面積大，鋼材投入較大。

2 管道儲(chǔ)氣調(diào)峰方法與算例

圖1 YTW輸氣管道總體框圖

Fig.1 The abridged general view of YTW gas pipeline

某多氣源多用戶天然氣管道系統(tǒng)布如圖1所示。該管道總長(zhǎng)467 km，輸氣規(guī)模94.88×108 m3/a，設(shè)計(jì)壓力6.3 MPa。整個(gè)管道系統(tǒng)有4個(gè)氣源（S1、S2、S3和S4），16個(gè)分輸站場(chǎng)。其中S4為L(zhǎng)NG調(diào)峰氣源，其余氣源都均衡供氣。管道干線、支線采用直徑為813 mm和457 mm的管道。

針對(duì)該管道系統(tǒng)利用管道儲(chǔ)氣進(jìn)行調(diào)峰，調(diào)峰周期為24 h。管道共有16個(gè)分輸站場(chǎng)，其中F16為電廠專用分輸站，每日8∶00至18∶00用氣，18∶00至次日8∶00停止用氣。F1至F15為城市用戶分輸站。

（1）穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法

穩(wěn)態(tài)法為比較粗略的計(jì)算方法。城市晝夜用氣量隨時(shí)間變化曲線如圖2所示。圖中a、b兩點(diǎn)的城市門站用氣量等于管道干線供氣量。從b點(diǎn)開始，管道供氣量大于城市門站用氣量，管道開始儲(chǔ)氣，儲(chǔ)氣狀態(tài)一直持續(xù)到次日a為止。在a點(diǎn)以后，城市門站用氣量大于管道內(nèi)天然氣流量，管道儲(chǔ)氣量降低。所以，b點(diǎn)為管道儲(chǔ)氣開始時(shí)間，a點(diǎn)為結(jié)束時(shí)間。

圖2 晝夜用氣量隨時(shí)間變化曲線

Fig.2 Flow curve in 24 hours

（2）動(dòng)態(tài)計(jì)算方法

天然氣管道系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，下游用戶用氣量隨時(shí)間不斷變化，管道中天然氣處于不穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)[4]。動(dòng)態(tài)分析方法就是將天然氣管道的動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程用數(shù)學(xué)物理方法進(jìn)行精確描述，并通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬時(shí)，管道系統(tǒng)首末段需要給出流量以及最高、最低壓力；初始條件的選擇十分重要，一般來(lái)說(shuō)采用穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果；邊界條件按各分輸站隨時(shí)間變化情況進(jìn)行設(shè)置，在24 h內(nèi)周期變化。動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果如圖3所示，整個(gè)管道中天然氣管存量是時(shí)刻變化的，儲(chǔ)氣量最大時(shí)刻出現(xiàn)在7∶14時(shí)刻，管存量1 202×104 m3；儲(chǔ)氣量最小時(shí)刻出現(xiàn)在21∶05時(shí)刻，管存量1 046×104 m3。因此，管道最大儲(chǔ)氣量為156×104 m3。

圖3 管道儲(chǔ)氣量動(dòng)態(tài)模擬曲線

Fig.3 Gas storage capacity curve

4 結(jié) 論

（1）在進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí)，7∶00時(shí)刻管道平均流量大于用氣量，此時(shí)開始儲(chǔ)氣；21∶00時(shí)刻平均流量小于用氣量，此時(shí)儲(chǔ)氣結(jié)束，兩者管存量之差即為管道最大儲(chǔ)氣量，為132.46×104 m3。在進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)算時(shí)，考慮了電廠用戶周期性用氣，以及管道首末段壓力傳播時(shí)差效應(yīng)，儲(chǔ)氣量最大時(shí)刻出現(xiàn)在7∶14時(shí)刻，管存量1 201.1×104 m3；儲(chǔ)氣量最小時(shí)刻出現(xiàn)在21∶05時(shí)刻，管存量1 046.3×104 m3。管道最大儲(chǔ)氣量為154.8×104 m3。

（2）根據(jù)上述穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)計(jì)算中儲(chǔ)氣量最大、最小時(shí)刻，動(dòng)態(tài)模擬中儲(chǔ)氣高峰與低谷期是滯后于穩(wěn)態(tài)模擬的[5]。這是因?yàn)?，在?shí)際過(guò)程中，管道中氣體壓力傳播是需要時(shí)間的，當(dāng)天然氣管道下游分輸站用氣量變化時(shí)，管道終點(diǎn)壓力與起點(diǎn)壓力相比具有滯后性。當(dāng)管道末站壓力達(dá)到最大時(shí)，首站壓力還在持續(xù)上升，此時(shí)管道繼續(xù)儲(chǔ)氣，而末站壓力已經(jīng)開始下降，直到管存量達(dá)到最大，然后首站壓力隨末站開始下降，管道儲(chǔ)存的天然氣開始釋放，進(jìn)入“放氣”過(guò)程。因此，在進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬時(shí)管道達(dá)到最大儲(chǔ)氣狀態(tài)時(shí)間滯后于穩(wěn)態(tài)模擬，儲(chǔ)氣量大于穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果。

管道末段儲(chǔ)氣是進(jìn)行小時(shí)調(diào)峰的一種非常重要的調(diào)峰方式，為了更加準(zhǔn)確的計(jì)算儲(chǔ)氣量和儲(chǔ)氣狀態(tài)，必須進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)算以保證用戶用氣需求。

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