趙嘉琪，玉建軍，曹寶生，李 軍

（天津城建大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院，天津 300384）

交通道路建設(shè)、管道腐蝕及第三方破壞等因素會導(dǎo)致管網(wǎng)部分管段失效[1]，影響管網(wǎng)的供氣能力.然而，不同管段失效對管網(wǎng)整體供氣能力的影響程度各不相同.國內(nèi)外學(xué)者分析研究了燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)單管失效概率[2]，采用半經(jīng)驗(yàn)公式計算部分管段失效下用戶的供氣量[3]，但缺乏單管失效對整個燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)供氣能力影響機(jī)制的研究.本文以四環(huán)中壓環(huán)狀管網(wǎng)為研究對象，基于Pipeline Studio模擬軟件，對四環(huán)中壓管網(wǎng)所有管段完好狀態(tài)和任一管段失效狀態(tài)下的環(huán)狀管網(wǎng)水力特征進(jìn)行數(shù)值仿真，引入管網(wǎng)系統(tǒng)供氣可靠度指標(biāo)，結(jié)合燃?xì)廨斉浼翱煽啃岳碚?，得到不同位置管段失效對環(huán)狀中壓燃?xì)夤芫W(wǎng)的影響規(guī)律，并提出改善環(huán)狀管網(wǎng)的系統(tǒng)水力可靠性的思路與措施.

1 中壓燃?xì)夤芫W(wǎng)故障工況下水力可靠性基本指標(biāo)

所謂故障工況指個別管段由于腐蝕、管材缺陷、第三方破壞等因素造成失效被從系統(tǒng)中隔離開來時，改變原有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).基于燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)的可修復(fù)性，在管網(wǎng)故障工況下允許燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)由額定工況過渡到限額工況，當(dāng)輸送能力小于限額燃?xì)饬繒r，認(rèn)為系統(tǒng)發(fā)生事故[4].

1.1 用戶的保證系數(shù)

對于公用事業(yè)用戶，灶前壓力PI最低允許壓力為400～500 Pa，當(dāng)灶前壓力由額定壓力降低至最低允許壓力時雖使管網(wǎng)工作質(zhì)量下降，但尚不影響用戶的燃?xì)夤?yīng)，在保證最低允許壓力時一般公用事業(yè)用戶的保證系數(shù)k保采用0.75～0.85.

對于采暖用戶，在排除故障期間，允許室溫降低到13℃以下，燃?xì)饬拷档偷姆蓊~量為

式中：t內(nèi)低為室內(nèi)溫度在故障工況下采用值，℃；t內(nèi)額為室內(nèi)溫度額定值，℃；t外為室外空氣溫度，℃.

一般采暖用戶及鍋爐的保證系數(shù)采用0.75～0.85.

工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)用燃?xì)饬坎辉试S減少，保證系數(shù)為1，只有采暖用燃?xì)饪砂床膳脩艨紤]，采用0.75～0.85[5].

本文綜合考慮3類用戶保證系數(shù)，采用最低標(biāo)準(zhǔn)即k保=0.75作為衡量中壓燃?xì)夤芫W(wǎng)可靠度指標(biāo).

1.2 系統(tǒng)可靠性

根據(jù)系統(tǒng)可靠性理論，對系統(tǒng)的可靠性評價是采用在規(guī)定時間內(nèi)，規(guī)定條件下完成規(guī)定任務(wù)的概率R（t）來衡量[6].規(guī)定時間指系統(tǒng)工作期限，即系統(tǒng)內(nèi)各元件連續(xù)正常工作，不失效時間定義為它們的壽命；規(guī)定條件指滿足元件及系統(tǒng)使用條件、維護(hù)條件、環(huán)境條件及操作技術(shù)條件；規(guī)定任務(wù)指供給用戶以合乎質(zhì)量（壓力、除塵凈化、加臭等）的額定燃?xì)饬縌0.

1.3 燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)水力可靠度

當(dāng)管網(wǎng)處于完善狀態(tài)時，供氣量為額定供氣量Q0，為常數(shù)，其工作能力為Q（t）；當(dāng)管網(wǎng)中任一部件故障，導(dǎo)致管網(wǎng)故障，其工作能力根據(jù)故障形勢將全部破壞或有部分下降，以i表示故障狀態(tài)的序號，則對應(yīng)i狀態(tài)的工作能力為Qi（t）.可用t時刻管網(wǎng)處于i狀態(tài)的工作能力Qi（t）與理想系統(tǒng)工作能力Q0（t）之比來描述t時刻管網(wǎng)的可靠性程度[7].管網(wǎng)的可靠性函數(shù)為

本文以管網(wǎng)i狀態(tài)各節(jié)點(diǎn)實(shí)際節(jié)點(diǎn)流量和與理想狀態(tài)各節(jié)點(diǎn)流量和之比表示管網(wǎng)系統(tǒng)水力可靠度Rhnet[8]，用公式表示為

式中：j為燃?xì)夤芫W(wǎng)中的用氣節(jié)點(diǎn)；J為管網(wǎng)中的用氣節(jié)點(diǎn)數(shù)；qi為管網(wǎng)i狀態(tài)各用氣節(jié)點(diǎn)實(shí)際流量；q0為理想狀態(tài)各用氣節(jié)點(diǎn)流量；Rhnet為燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)的水力可靠度.

2 基于Pinpeline Studio模擬軟件的中壓管網(wǎng)模型建立

2.1 基于模擬軟件的四環(huán)中壓燃?xì)夤芫W(wǎng)模型

利用 Pinpeline Studio（TGNET）軟件[9]搭建四環(huán)中壓燃?xì)夤芫W(wǎng)模型（如圖1），其中S01為管網(wǎng)模型中的氣源點(diǎn)，P01-P12為中壓燃?xì)夤芏?，R01-R07為調(diào)節(jié)閥，D01-D07為負(fù)荷點(diǎn).假定正常狀態(tài)下氣源點(diǎn)的約束條件為最大壓力鎖定200 kPa，設(shè)定模擬介質(zhì)為空氣，介質(zhì)流體的溫度定為20℃，保證調(diào)壓器正常運(yùn)行的調(diào)壓器進(jìn)口壓力為120 kPa，設(shè)置各管段0.8 km等管長，選用等管徑鋼管型號為Φ273×7.四環(huán)燃?xì)夤芫W(wǎng)模型示意圖如圖2所示，節(jié)點(diǎn)2-8為用氣節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)1為氣源點(diǎn)，圖2中箭頭為假設(shè)的燃?xì)饬鲃臃较?，?）-（12）表示燃?xì)夤芏蔚木幪枺疽鈭D中省略了管段兩端的閥門.

圖1 四環(huán)中壓燃?xì)夤芫W(wǎng)模型

圖2 四環(huán)燃?xì)夤芫W(wǎng)模型示意圖

2.2 基于模擬軟件的中壓管網(wǎng)模型模擬工況

如圖1-2所示仿真模型進(jìn)行仿真模擬，在四環(huán)燃?xì)夤芫W(wǎng)模型中設(shè)置變負(fù)荷、單氣源模擬工況.氣源點(diǎn)壓力為200 kPa，用氣節(jié)點(diǎn)流量以①、⑤組成的對角線對稱，正常工況下運(yùn)行管網(wǎng)模型，模擬結(jié)果如表1所示.

表1 正常工況下的模擬結(jié)果

滿足設(shè)計節(jié)點(diǎn)流量的前提下，管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的壓力均大于100 kPa，管網(wǎng)均能滿足正常工況下的用氣要求.

3 不同管段失效時城市中壓環(huán)狀管網(wǎng)系統(tǒng)水利可靠性模擬分析

保證管網(wǎng)模型參數(shù)、約束條件不變，基于用氣節(jié)點(diǎn)流量對稱分布特點(diǎn)，僅對四環(huán)中壓管網(wǎng)失效管段（1）、（2）、（3）、（8）位置進(jìn)行仿真模擬，并對不同管段失效時的模擬數(shù)據(jù)從壓力、用戶保證系數(shù)及管網(wǎng)可靠度三方面進(jìn)行分析處理，結(jié)果見圖3-5.

圖3 管段失效時各用氣節(jié)點(diǎn)壓力變化

圖4 管段失效時各用氣節(jié)點(diǎn)用戶保證系數(shù)

圖5 管段失效時管網(wǎng)系統(tǒng)水力可靠性

由圖3可知：除管段1外，其余管段失效時尚能保證管網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)各用戶用氣.通過管網(wǎng)壓力可調(diào)性，在壓力允許范圍內(nèi)自動提升失效管段上游壓力值，降低失效管段處壓力損失，保障下游用戶用氣.基于圖4管段失效時的各用氣節(jié)點(diǎn)用戶保證系數(shù)圖，任一管段失效時，均對用氣節(jié)點(diǎn)5用氣造成的影響波動最大，結(jié)合圖2燃?xì)夤芫W(wǎng)模型示意圖，最末端節(jié)點(diǎn)為管網(wǎng)管段失效最不利節(jié)點(diǎn).

由圖3、圖5可知：管段1失效時管網(wǎng)系統(tǒng)可靠度驟降至0.51，且用氣節(jié)點(diǎn)2-7壓力均為100 kPa.此現(xiàn)象可解釋為：當(dāng)滿足用戶流量時若不能保證用戶的最低壓力，則更改最大流量為約束條件.管段1作為供氣點(diǎn)一側(cè)主要管段，失效后直接造成以管段1為方向的管網(wǎng)下三角區(qū)域用氣事故，區(qū)域范圍內(nèi)的用戶均不能滿足限額流量，為管網(wǎng)最不利事故工況.單氣源管網(wǎng)系統(tǒng)，氣源點(diǎn)作為用戶用氣唯一來源，管網(wǎng)上游供氣中斷，直接波動其連接到的每一條下游管路用氣，導(dǎo)致管網(wǎng)系統(tǒng)水利可靠度劇烈下降.

4 燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)水力可靠性的改善措施

式中：η為燃?xì)夤芫W(wǎng)的壓降利用系數(shù)；ΔPs為設(shè)計工況下的管網(wǎng)作用壓差，kPa2；ΔPz為燃?xì)夤芫W(wǎng)的資用壓差，kPa2.

從運(yùn)行的角度出發(fā)，管網(wǎng)若想在事故工況下滿足用戶最低用氣需求，可對用氣氣耗量進(jìn)行調(diào)整，即根據(jù)管網(wǎng)的可調(diào)度性組織起合理的事故工況；或重新調(diào)整調(diào)壓器的壓力整定值，以降低輸出燃?xì)獾膲毫?，即根?jù)管網(wǎng)的壓力可調(diào)性來降低用戶的負(fù)荷.

管網(wǎng)壓降利用系數(shù)為

壓降利用系數(shù)高，說明該管網(wǎng)的資用壓差在設(shè)計工況下得到了充分利用，管網(wǎng)投資費(fèi)用低.但當(dāng)管網(wǎng)中個別管段發(fā)生失效時會造成管網(wǎng)系統(tǒng)總阻抗的增加，如果管網(wǎng)系統(tǒng)仍按照設(shè)計節(jié)點(diǎn)流量進(jìn)行供氣，則會造成系統(tǒng)阻力增大，一旦實(shí)際壓降超過了管網(wǎng)的資用壓差就會造成管網(wǎng)不能正常工作.

為了提高管網(wǎng)系統(tǒng)水力可靠性，一般在管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計階段可通過調(diào)整管網(wǎng)布局、管徑等措施，采用較低的壓降利用系數(shù)以在故障狀況下滿足一定用氣的保證系數(shù).但增大管徑很大程度上會增加管道造價及城市燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用，考慮未來用戶用氣需求及故障工況下可能造成的影響，規(guī)劃管網(wǎng)時應(yīng)平衡壓降利用系數(shù)與投資、供氣可靠性的關(guān)系.

本文現(xiàn)根據(jù)管網(wǎng)壓力的可調(diào)性，不改變外界參數(shù)狀態(tài)下，改變氣源點(diǎn)供氣條件，探究對用氣點(diǎn)影響機(jī)制.

保證管網(wǎng)模型參數(shù)、約束條件不變，改變供氣點(diǎn)壓力，以50 kPa為增量，增至400 kPa，對最不利事故工況即四環(huán)中壓管網(wǎng)管段（1）失效位置進(jìn)行仿真模擬，并對模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，結(jié)果如圖6所示.

由式（4）計算本模擬四環(huán)管網(wǎng)壓降利用系數(shù)為

圖6 不同供氣壓力下各用氣節(jié)點(diǎn)的用戶保證系數(shù)

通過提高氣源點(diǎn)壓力，采用較低的壓降利用系數(shù)，增加了管網(wǎng)的壓力儲備，極大地提高了管網(wǎng)系統(tǒng)水力可靠度，一定程度內(nèi)保證了用戶用氣，如圖6所示，在最不利事故工況下，將供氣點(diǎn)壓力提升至350kPa，已能滿足各用戶用氣需求.

5 結(jié)論

（1）管網(wǎng)末端節(jié)點(diǎn)為最不利節(jié)點(diǎn)，最不利事故工況是供氣點(diǎn)兩側(cè)主要管段故障導(dǎo)致的工作狀態(tài).

（2）考慮電廠等大型用戶用氣需求，氣源點(diǎn)場站應(yīng)盡量布置在重點(diǎn)用戶范圍內(nèi)以保障故障工況下用氣.

（3）管網(wǎng)規(guī)劃階段在保證投資造價情況下應(yīng)盡可能增大管網(wǎng)管徑以降低管網(wǎng)壓降利用系數(shù)，滿足故障工況下一定用氣保證系數(shù).

（4）管網(wǎng)運(yùn)行階段如出現(xiàn)主要管段失效，可通過提高氣源點(diǎn)供氣壓力減輕事故影響程度.