多氣源管道混輸工況用戶端氣質(zhì)變化模擬

馮 亮

(中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京100028)

1 概述

當(dāng)前，天然氣管網(wǎng)已經(jīng)形成常規(guī)和非常規(guī)國(guó)產(chǎn)氣、陸上進(jìn)口管道氣、海上進(jìn)口LNG等多氣源互濟(jì)，“西氣東輸、海氣登陸、北氣南下、就近供應(yīng)”的供氣格局[1]。多氣源、多用戶、多分支的復(fù)雜管網(wǎng)已經(jīng)形成，管道運(yùn)行公司在生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中經(jīng)常面對(duì)氣源氣質(zhì)波動(dòng)較大的情況[2]，同時(shí)其下游用戶特別是電廠用戶，對(duì)于氣源氣質(zhì)波動(dòng)幅度的接受能力有限，兩者間矛盾日益突出[3-4]。為此，運(yùn)行公司需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶端氣質(zhì)的波動(dòng)情況并對(duì)氣源供氣量或者氣質(zhì)變化時(shí)用戶端的氣質(zhì)波動(dòng)情況作出準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，防止因氣質(zhì)變化幅度過(guò)大造成下游用戶跳機(jī)或者出現(xiàn)其他燃燒問(wèn)題[5]，而采用專業(yè)水力計(jì)算軟件研究多氣源、多分支的復(fù)雜管網(wǎng)組分波動(dòng)并由此指導(dǎo)管道運(yùn)行公司進(jìn)行氣質(zhì)調(diào)整的研究成果極為少見(jiàn)。因此，研究采用SPS軟件計(jì)算模擬多氣源、多用戶、多分支管道由于氣源氣質(zhì)變化導(dǎo)致的沿線組成波動(dòng)情況，在氣源氣質(zhì)發(fā)生波動(dòng)的情況下及時(shí)預(yù)測(cè)下游用戶端的氣質(zhì)波動(dòng)情況。

2 多氣源、多用戶管道混輸工況動(dòng)態(tài)模擬

① SPS軟件建立模型

SPS軟件用于天然氣管道、熱油管道、成品油順序輸送、輸水管道等模擬計(jì)算。該軟件為業(yè)界公認(rèn)的一款水力、熱力、批次輸送等方面的專業(yè)軟件[6]。采用該軟件對(duì)中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司下屬某管道項(xiàng)目公司某典型多氣源、多用戶、多分支的管道進(jìn)行建模, 多氣源、多用戶管道模型見(jiàn)圖1。

圖1 多氣源、多用戶管道模型

該公司管道接入的氣源有3種，分別為海氣氣源1、海氣氣源2和LNG氣源，鄰近管道有多個(gè)電廠用戶。定義運(yùn)行參數(shù)，輸入用戶計(jì)劃用氣量以及氣源供氣量計(jì)劃配比。管道下游電廠用戶多為調(diào)峰型電廠，日用氣量波動(dòng)范圍大；海氣氣源供氣量相對(duì)穩(wěn)定，LNG氣源可發(fā)揮靈活調(diào)峰的作用[7]，同時(shí)各氣源和管道共同承擔(dān)下游用戶的小時(shí)調(diào)峰。

對(duì)于多氣源、多分支的復(fù)雜管道，下游用戶用氣量時(shí)刻處于變化過(guò)程中，由于混氣點(diǎn)上游管道自身的儲(chǔ)氣調(diào)峰作用，在混氣點(diǎn)流入的各氣源氣量必須通過(guò)動(dòng)態(tài)計(jì)算才能確定，因此不能簡(jiǎn)單地根據(jù)不同氣源的供氣量比例計(jì)算出下游用戶的氣質(zhì)變化情況。

② SPS軟件組分跟蹤模型設(shè)置

采用SPS軟件進(jìn)行多氣源混輸模擬，需要啟用組分跟蹤模型并設(shè)置各氣源的組分[8]。SPS運(yùn)行還需要對(duì)intran文件進(jìn)行設(shè)置，通過(guò)在intran文件中進(jìn)行定義和腳本語(yǔ)言編程，可以方便地實(shí)現(xiàn)任一位置和任一時(shí)刻的組分物性計(jì)算及跟蹤。對(duì)于管道中流動(dòng)的天然氣，描述組分跟蹤的控制方程主要包含組分方程、連續(xù)性方程及動(dòng)量守恒方程。依據(jù)SPS的說(shuō)明文件，組分方程為：

(1)

式中qm——質(zhì)量流量，kg/s

wi——組分i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

l——管道軸向長(zhǎng)度，m

A——管道截面積，m2

ρ——?dú)怏w密度，kg/m3

t——流動(dòng)時(shí)間，s

③ 已知條件

a. 3種氣源的氣質(zhì)

3種氣源的氣質(zhì)見(jiàn)表1。本文涉及的燃?xì)怏w積均為溫度為15 ℃，壓力為101.325 kPa的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積。

b. 典型電廠機(jī)組對(duì)氣質(zhì)的要求

典型電廠機(jī)組對(duì)氣質(zhì)的要求見(jiàn)表2。

c.氣源供氣量24 h的變化情況

海氣氣源供應(yīng)量相對(duì)穩(wěn)定，LNG氣源便于調(diào)峰，氣源供氣量24 h的變化見(jiàn)圖2。

根據(jù)上述氣源供氣量計(jì)算各主要電廠用戶用氣氣質(zhì)的各參數(shù)波動(dòng)范圍。

表1 3種氣源的氣質(zhì)

表2 電廠機(jī)組對(duì)氣質(zhì)的要求

圖2 氣源供氣量24 h的變化

3 計(jì)算結(jié)果

給出下游管道末端電廠用戶典型用氣工況下48 h內(nèi)用氣氣質(zhì)甲烷體積分?jǐn)?shù)和低熱值華白數(shù)的周期性變化。管道末端電廠用氣氣質(zhì)低熱值華白數(shù)變化見(jiàn)圖3，用氣氣質(zhì)甲烷體積分?jǐn)?shù)變化見(jiàn)圖4。

由圖3、4分析數(shù)據(jù)可知，管道末端電廠用戶甲烷體積分?jǐn)?shù)波動(dòng)范圍為90.34%～93.46%，低熱值華白數(shù)的波動(dòng)范圍為44.71～44.76 MJ/m3，均處于電廠機(jī)組可接受范圍內(nèi)，無(wú)需進(jìn)行氣質(zhì)調(diào)整。

因此，對(duì)于管道目前氣源供氣和下游用氣的典型用氣計(jì)劃，僅靠氣源自身混氣即可滿足下游電廠用戶機(jī)組對(duì)氣質(zhì)的要求，無(wú)需做額外氣質(zhì)調(diào)整。

圖3 管道末端電廠用氣氣質(zhì)低熱值華白數(shù)變化

圖4 管道末端電廠用氣氣質(zhì)甲烷體積分?jǐn)?shù)變化

4 結(jié)語(yǔ)

利用SPS軟件可在多氣源、多用戶管道項(xiàng)目中進(jìn)行動(dòng)態(tài)工況計(jì)算，采用軟件的水力模擬功能可有效計(jì)算不同氣質(zhì)氣源的混輸對(duì)下游用戶的影響。在氣源發(fā)生變化的情況下，根據(jù)氣質(zhì)組成、華白數(shù)以及熱值等參數(shù)指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，有效預(yù)測(cè)用戶端氣質(zhì)的變化，從而為管道公司是否需要采取特殊的調(diào)質(zhì)處理措施提供理論依據(jù)，有效降低運(yùn)營(yíng)成本。