梁光川 李琳 游赟

1.西南石油大學石油工程學院 2.重慶科技學院石油與天然氣工程學院

基于序貫模塊法的川渝管網(wǎng)輸氣站壓損過程模擬技術

梁光川1李琳1游赟2

1.西南石油大學石油工程學院 2.重慶科技學院石油與天然氣工程學院

川渝地區(qū)已形成較為完善的天然氣輸配管網(wǎng)系統(tǒng)。為了降低壓力損失和提高管網(wǎng)的輸送能力，針對輸氣站在管網(wǎng)中的重要性和站場設備多樣性的實際情況，建立了輸氣站工藝單元和系統(tǒng)結構的數(shù)學模型，運用序貫模塊法開展了輸氣站壓損過程模擬技術研究，開發(fā)了天然氣輸氣站過程模擬軟件。運用模擬軟件對川渝地區(qū)典型輸氣站運行工況進行了模擬分析，結果表明：單元設備模擬壓損計算的相對誤差大部分低于5%，全壓損計算的相對誤差也在10%左右，驗證了該軟件的可靠性。該技術可為輸氣站的安全穩(wěn)定運行提供有效的技術支持。

川渝地區(qū) 輸氣站 壓力損失 過程模擬 序貫模塊法 安全運行

輸氣站是輸氣管道工程中各類工藝站場的總稱。川渝地區(qū)已建成連接重慶、蜀南、川中、川西北、川東北5個油氣區(qū)至川、渝、云、貴、湘、鄂等西南、華中地區(qū)6省市的環(huán)形集輸氣管網(wǎng)1.26×104km，設有各類集輸氣站1 174座。過程模擬以建立或者應用已經(jīng)建立的能夠正確描述流程過程的數(shù)學模型，通過模型的求解得到該過程的相關信息。國內(nèi)外對天然氣過程模擬的研究主要集中在天然氣的上游處理單元，如氣田集氣站、天然氣凈化廠等，針對輸配管網(wǎng)所進行的模擬相對較少［1－6］。雖然現(xiàn)在國外一些成熟的管網(wǎng)計算軟件具有一定的模擬計算功能，如PIPEPHASE、PIPENET以及ATMOS公司的ATMOS GSIM等軟件，但這些軟件都不是完全意義上的站場模擬軟件。如ATMOS GSIM對設備分類不全，不能完全模擬站場的實際工況；PIPENET也只將設備（如收發(fā)球筒、匯管等）看作一個等壓容器，將壓力損失看作管件的局部阻力損失，而把站場內(nèi)設備都用節(jié)點替代。因此，針對輸氣站流程結構特點，從系統(tǒng)的角度建立過程模型，借助計算機模擬計算來認識、分析以及預測運行中的各類問題，具有十分重要的意義。

1 輸氣站過程模擬模型的建立

建立的輸氣站過程模擬模型包括工藝單元數(shù)學模型和系統(tǒng)結構的數(shù)學模型。

1.1 工藝單元數(shù)學模型

工藝單元模型用以描述單元設備輸入、輸出物流信息、設備操作參數(shù)之間的數(shù)學關系。在輸氣站壓力損失分析中，主要的地面裝置設備是壓力損失的集中部分。因此，以站內(nèi)的管段、分離器、除塵器、閥門及管件等作為模擬對象建立工藝單元模型。

站內(nèi)管線的壓降通常相對于總壓來說不明顯，可用全紊流壓降模型：

式中Δp為管線壓降；λ為摩阻系數(shù)；w為天然氣質(zhì)量流量；ρ為天然氣密度；d為管道內(nèi)徑。

分離器的壓降主要集中在分離器進口、出口和絲網(wǎng)除霧器處，其壓降模型為：

式中ζ1、ζ2、ζ3為進出口及絲網(wǎng)處的局部阻力系數(shù)；v1、v2、vg為進出口及絲網(wǎng)處的氣體流速，m／s；ρ1、ρ2、ρ3為進出口及絲網(wǎng)處條件下的氣體密度，kg／m3；X為絲網(wǎng)層厚度，m；ε為絲網(wǎng)空隙率。

除塵器的壓降模型為：

式中ρg為除塵器內(nèi)條件下的氣體密度，kg／m3；v為氣體在除塵器內(nèi)的平均流速，m／s。

閥門的壓降模型為：

式中K為壓力損失系數(shù)，其值隨閥門的種類、類型、規(guī)格和結構不同而不同。

1.2 系統(tǒng)結構模型

系統(tǒng)結構模型描述系統(tǒng)各單元設備之間的相互關系以及物流或能流的輸入和輸出關系，可用一定形式的矩陣來表示。常用的有過程矩陣、關聯(lián)矩陣和鄰接矩陣，3種矩陣形式所代表的物理意義相同，只是形式不同。其中過程矩陣尤其適合于系統(tǒng)順序計算的需要，本文采用了過程矩陣進行系統(tǒng)結構的建模。

假設單元設備代號為Aj（j＝1，2，3，…），物流代號為Sj（j＝1，2，3，…），則輸氣站系統(tǒng)的過程模擬模型可由下式組成的一系列方程組表示：

式中SO，j為設備Aj的輸出物流的信息，SI，j為設備Aj的輸入物流的信息，物流信息包括壓力、溫度、摩爾流率、氣液相組成等；Aj為設備j的計算函數(shù)，它可由若干方程組成，包括每一個設備的計算模型；PO，j、PI，j，TO，j、TI，j，F(xiàn)O，j、FI，j，xO，j，k、xI，j，k，yO，j，k、yI，j，k分別代表輸出物流SO，j和輸入物流SI，j的壓力、溫度、流量、組分k的液相摩爾分數(shù)、組分k的氣相摩爾分數(shù)。

2 輸氣站過程模擬模型的求解

2.1 求解的方法

建立的描述輸氣站過程系統(tǒng)的數(shù)學模型通常是一個大型非線性方程組，由于多變量非線性造成的復雜性和特殊性，其算法主要分為3大類：序貫模塊法、聯(lián)立方程法和聯(lián)立模塊法。

序貫模塊法以單元模塊為基本計算單元，通過單元模塊的序貫計算來求解系統(tǒng)模型；聯(lián)立方程法是將描述工藝過程的模型方程一起求解，加快了計算速度；聯(lián)立模塊法又稱雙層法，整個計算被分成了流程水平和模塊水平2個層次，是用單元模塊的嚴格模型確定其簡化模型的各項系數(shù)，然后用簡化模型構成聯(lián)立方程組來求解。

筆者選擇序貫模塊法求解輸氣站系統(tǒng)的模擬模型，主要看中其方法具有以下優(yōu)點：

1）在模塊水平上，可以使用一種或多種專門的算法去求解描述某種單元設備的模型方程，因此模塊計算可以達到很高的效率。

2）在流程水平上，無論用直接迭代還是加速迭代，一般都能穩(wěn)定收斂。

3）程序中的信息流和生產(chǎn)過程中的物流互相對應，易于為工程師所理解。

4）當計算不收斂或出現(xiàn)錯誤時，便于進行診斷。

2.2 模型的求解

序貫模塊法通過設立對同一類設備具有通用性的單元模塊，在輸入模型方程中的設備結構參數(shù)、操作參數(shù)和物性參數(shù)之后，模塊代表了給定系統(tǒng)中設備的具體數(shù)學模型。

在輸氣站過程模擬中，可將輸氣站各種單體設備作為單元模塊，分別在各工藝操作的過程模擬中作為模塊被調(diào)用，計算機按照計算順序進行過程模擬計算，其求解方法具體如下：

1）將系統(tǒng)流程圖轉化成以單元和物流表示的結構單元圖。

2）將系統(tǒng)通過分割和排序得到各子模塊的計算順序。

3）將包含循環(huán)過程的子模塊進行斷裂，設置收斂單元。

4）排定包含循環(huán)過程的子模塊內(nèi)各單元的計算順序。

5）按照單元及子模塊的順序求解整個系統(tǒng)。

此過程可以運用計算機編譯程序，構建輸氣站過程模擬軟件。軟件基于中文Windows操作平臺，計算數(shù)據(jù)與流程圖結構數(shù)據(jù)采用打包存儲形式進行調(diào)入、轉換，形成計算所需的識別代碼。最終計算的各項參數(shù)數(shù)據(jù)按工藝流程圖結構形式以簡單、易懂的形式輸出，以此建立輸氣站實際運行參數(shù)表，為評價輸氣站壓損情況提供標準。

3 軟件應用分析

為驗證模擬的有效性，應用建立的輸氣站過程模擬軟件對川渝地區(qū)某輸氣站進行壓損模擬分析。根據(jù)輸氣站實際情況，天然氣在站內(nèi)順序通過匯氣、分離、計量、過濾除塵、調(diào)壓等生產(chǎn)設備（圖1）。在不影響模擬流程及優(yōu)化效果的基礎上，考慮站內(nèi)眾多的工藝設備是輸氣站壓力損失的集中部分，將輸氣站工藝流程圖轉換成結構單元圖（圖2）。

圖1 輸氣站工藝流程圖

圖2 輸氣站結構單元圖

通過輸氣站過程模擬軟件的模擬計算，將計算結果與各主要生產(chǎn)設備的實際壓損數(shù)據(jù)進行對比，選擇其中具代表意義的單體設備分析結果列于表1。同時，將軟件模擬的全流程參數(shù)計算所得的站內(nèi)壓損與該站實際生產(chǎn)中的壓損數(shù)據(jù)進行比較列表，結果如表2所示。

4 結論與認識

表1 單體設備壓損與軟件模擬壓損的對比表

應用過程模擬技術是研究輸氣站壓損的有效方法之一。筆者建立了輸氣站過程模擬數(shù)學模型，闡述了序貫模塊法的解算方法，設計了川渝管網(wǎng)輸氣站過程模擬軟件。實際應用效果表明，根據(jù)軟件所得出的單元設備模擬壓損的計算相對誤差大部分低于5%，全壓損計算的相對誤差也在10%左右，說明基于過程模擬的輸氣站模擬軟件可實現(xiàn)輸氣站壓損及運行情況的考核評價。目前，該軟件現(xiàn)已在中國石油西南油氣田公司投用，為輸氣站場的安全高效穩(wěn)定運行提供了有效的技術支持。

表2 輸氣站壓損與軟件模擬壓損的對比表

［1］姚平經(jīng).過程系統(tǒng)分析與綜合［M］.2版.大連：大連理工大學出版社，2002.

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［3］化工部工藝系統(tǒng)設計技術中心站.HG／T 20570.7—95管道壓力降計算［S］.北京：中國標準出版社，1996.

［4］楊友麒.過程流程模擬［J］.計算機與應用化學，1995，12（1）：1－6.

［5］COKER A K.Program calculates Z－factor for natural gas［J］.Oil ＆Gas Journal，1993，91（7）：74－75.

［6］張德元，戴忠，陸劍波，等.能效對標指標體系建立的基本思路與探討［J］.石油與天然氣化工，2011，40（6）：642－645.

Sequential modular approach－based process simulation for the gas transmission station pressure loss analysis in Sichuan and Chongqing pipeline networks

Liang Guangchuan1，Li Lin1，You Yun2
（1.School of Petroleum Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan 610500，China；2.School of Oil and Gas Engineering，Chongqing University of Science and Technology，Chongqing 401331，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 8，pp.92－95，8／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

A well developed network system for natural gas collection and distribution has been formed in Sichuan and Chongqing areas.To reduce the pressure loss and enhance the transmission capacity of pipelines，a mathematical model for the gas station process units and system structure is built based on the importance of a gas station and the diversity of facilities at the station.The simulation technical research is also performed on the pressure loss process of a gas station by means of the sequential modular method，on this basis，a software is thus developed for simulating the operation process at a gas station.With this software，the working process and conditions were simulated in a typical gas station of this study area.As a result，by simulation calculation，most relative errors of the pressure loss of each unit at this station were less than 5%，while that of the total pressure loss calculation was about 10%，which confirms the reliability of the software.The technique can effectively support the safe and secure operation of gas stations.

Sichuan and Chongqing area，gas transmission station，process simulation，sequential modular approach，pressure loss

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.08.020

梁光川等.基于序貫模塊法的川渝管網(wǎng)輸氣站壓損過程模擬技術.天然氣工業(yè)，2012，32（8）：92－95.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.08.020

梁光川，1972年生，副教授，博士；2003年畢業(yè)于原西南石油學院；主要從事油氣儲運方面的研究工作。地址：（610500）四川省成都市西南石油大學石油工程學院。電話：（028）83037006。E－mail：lgcdjr＠163.com

（修改回稿日期 2012－06－05 編輯 何 明）

Liang Guangchuan，associate professor，born in 1972，graduated from Southwest Petroleum University with a Ph.D degree.He is mainly engaged in researches into oil and gas storage and transportation engineering.

Add：No.8，Xindu Avenue，Xindu District，Chengdu，Sichuan 610500，P.R.China

E－mail：lgcdjr＠163.com