燃氣長輸管線分析與末段儲氣計算

尤爍林

摘 ?要：本文對燃氣長輸管線末段儲氣問題根據(jù)流體動力學規(guī)律建立長輸管線的不穩(wěn)定流動的數(shù)學模型，進行數(shù)值求解，可用于有變管徑和有分輸氣的燃氣長輸管線的水力I況計算以及末段儲氣量的計算。實例計算結(jié)果表明按不穩(wěn)定流動方法計算的末段儲氣量比按穩(wěn)定方法計算的值高出13.39%。

關(guān)鍵詞：長輸管線;末端儲氣;不穩(wěn)定流動;數(shù)值求解

目前，世界能源結(jié)構(gòu)已經(jīng)完成二次變革，正處于以石油為主向以天然氣或可再生能源為主的時期過渡，這一時期天然氣在一次能源中的地位越來越重要它作為城市燃氣的最佳氣源已形成全球性共識，而天然氣氣源大部分遠離市區(qū)，為了充分利用氣源，必須建立長距離輸氣管線。而長輸管線的運行由于采氣生產(chǎn)的均衡性和用戶用氣的波動性，使其長期處于上游壓力相對穩(wěn)定而下游壓力不斷變化的矛盾之中這種燃氣供需不平衡的唯一可行解決方法是考慮燃氣儲存。城市用氣有季節(jié)、日、時的不均衡性，而氣源生產(chǎn)一般是均衡的。這種在燃氣系統(tǒng)中的供需不平衡使長輸管線末段具有一定的儲氣功能。用氣低谷時，多余的燃氣儲存在管道內(nèi)，用氣高峰時儲存的燃氣供向用戶。若長輸管道末段儲氣量不足以平衡用氣的不平衡性，則需另設調(diào)峰氣源或建儲氣設施以保證可靠供氣。

1 長輸管線不穩(wěn)定流數(shù)學模型

燃氣在長輸管線中的流動屬于不穩(wěn)定流動，長輸管線末段儲氣的能力正是由于不穩(wěn)定流動而形成。計算機技術(shù)的發(fā)展，使復雜的長輸管線的不穩(wěn)定流動計算成為可能。長輸管線工程開發(fā)、建設較早的國家對長輸管線用不穩(wěn)定流動方法研究起步較早。我國長輸管線工程較少，時間也不長。在以往的設計中均采用穩(wěn)定流動的計算方法。在哈依煤氣工程中采用了不穩(wěn)定流動方法計算，但沒有考慮壓縮因子的影響.而且使用的是美國“黑箱”軟件。國內(nèi)對石油長輸和水輸送不穩(wěn)定流動問題的研究較多，對燃氣的長輸研究則進行得較少。上海煤氣公司采用手算和電算方法對天然氣長輸管道不穩(wěn)定流動方程的計算方法進行了定的探討，西南石油學院采用有限傅立葉變換法，以三角插值函數(shù)作為邊界情況，以分段拋物線表示初始條件，討論了輸氣干線不穩(wěn)定工況定解問題的解析解，后來又采用貝塞爾方程對天然氣在管道內(nèi)不穩(wěn)定流動的解析解進行了一定的探討。哈爾濱建筑大學對燃氣長輸管線不穩(wěn)定流動進行了系統(tǒng)的理論研究，特別是在探討了解析解的同時著重研究了數(shù)值解法，開發(fā)了相應的計算程序。同時對長輸管線末段儲氣問題進行了分析，對溫度、壓縮因子和摩阻系數(shù)等參數(shù)的影響和取值進行了細致的研究。

2 數(shù)學模型求解

對長輸管線不穩(wěn)定流動工況的解析解法十分復雜。對于實際的工程問題，需要采用數(shù)值解法。最早應用并且仍在普遍應用的方法是有限差分法。其基本原理是將偏微分方程中的待求函數(shù)本身進行空間和時間的離散化，把方程中的各階偏微商用適當?shù)南鄳A的有限差商代替，從而把求解偏微分方程的問題歸結(jié)為求解代數(shù)方程組，得出偏微分方程的近似解。另一類關(guān)系是由理論分析或?qū)嶒炑芯康玫降年P(guān)系式如氣體狀態(tài)方程、天然氣物性與狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系等。

對長輸管線的每個剖分管段，都可建立五個基于連續(xù)性方程、遠程方程、運動方程、能量方程、SHBWR狀態(tài)方程這五部分的差分方程，就一大型輸氣線管，除了這些待解方程外，還有大量的邊界約束方程，由這些方程組成的差分方程組是非線性的，其求解方法很多。

3 程序編制說明

根據(jù)前面建立的數(shù)學模型及其相應的求解方法利用語言編制了燃氣輸管道靜動態(tài)模擬程序。在程序編制中充分利用語言的顯著特點數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中二叉樹理論及稀疏矩陣的壓縮存儲方法實現(xiàn)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)的自動生成及動態(tài)模擬計算。

在做程序時應該注意（1）畫好管線結(jié)構(gòu)簡圖將其中所有設備按類編號。（2）給管中所有管子和節(jié)點編號，首先要保證調(diào)用方便各種關(guān)系明確，其次要力求簡單，盡量節(jié)省計算機內(nèi)存。（3）管線結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)塊子程序單獨編寫這樣不僅增加了程序的通用管線結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)還可以長期保存以備后用。（4）管線靜態(tài)分析結(jié)果、邊界條件及設備工況的變化通過調(diào)用相應的子程序而得到。

4 長輸管線末端儲氣計算

長輸管線運行過程中，沿線各處壓力流量，壓縮因子，密度等一系列參數(shù)隨時間不斷變化長輸管線末端（最后一個加壓站到城市門站之間）內(nèi)，燃氣流動參數(shù)受城市用氣量波動影響大，離門站越近影響越強烈。對管線而言，可以認為這一用氣負荷波動影響大的管線末端具有儲氣能力。

不穩(wěn)定流動區(qū)段長度一般以流量衰減系數(shù)為指標進行判斷。流量衰減系數(shù)指沿線某點流量波動值與用氣量波動值之比。研究證明，對于直徑1m的輸氣管，在L=750處流量衰減系數(shù)為5%，由此一般可認為對較長的輸氣管，不穩(wěn)定區(qū)長度為L=750，現(xiàn)有大多數(shù)管線都在這個范圍內(nèi)。

結(jié)語

（1）按《輸氣管道工程設計規(guī)范》（GB50251-94）中采用的美國;New Panhandle流量計算公式手算長輸管道的輸氣量比較接近實測的輸氣量值。

（2）負荷曲線和管道的分輸狀況是長輸管線及其儲氣能力的計算依據(jù)。當輸氣負荷波動較大時（即居民生活用氣在輸氣量中所占的比重較大時），應采用不穩(wěn)定流模式計算。輸氣管道不穩(wěn)定流的實測數(shù)據(jù)常大于按穩(wěn)定流計算所得的結(jié)果。如按穩(wěn)定流法求得的管道儲氣能力能滿足用氣負荷波動的要求，則在管道儲氣的實際運行中不會發(fā)生任何問題，有較大的安全性。

（3）管道儲氣有兩個方案：一為增大管徑，二為提高始端壓力 P1（壓氣站出口壓力）。應通過經(jīng)濟比較選定最佳方案。

（4）長輸管道在建設過程中，由于輸氣量不會在短期內(nèi)達到設計值，可加大壓氣站的距離，當輸氣量增大時，中間再設壓氣站，比較經(jīng)濟合理。

（5）在本文的計算中，假設長輸管線的輸氣量不變地輸至終端站。實際上長輸管線常有多個分輸點。有分輸點時，應分段計算。由于輸氣量不斷地減少，因而壓力降也小，有利于輸氣和儲氣。

（6）長輸管線的儲氣能力只能用來平衡日負荷的波動。負荷的月波動或季節(jié)波動，特別是有采暖負荷時，應由地下氣庫調(diào)節(jié)。回供率大的地下氣庫（如鹽穴型），也可用來平衡日負荷的波動。

參考文獻

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[2] ?白執(zhí)松，羅光熹石油及天然氣物性預測石油工業(yè)出版社.1995

[3] ?江茂澤，徐羽銳等輸配氣管網(wǎng)的模擬與分析石油工業(yè)出社.1995