童睿康 王鵬 蔡磊 張引弟

1.長江大學(xué)石油工程學(xué)院 2.北京石油化工學(xué)院機械工程學(xué)院,深水油氣管線關(guān)鍵技術(shù)與裝備北京市重點實驗室3.北京市燃氣集團有限責任公司

近年來,隨著燃氣的使用量不斷增大,城市燃氣管網(wǎng)規(guī)模不斷擴大,管網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)趨向于復(fù)雜化[1-2]。考慮到供氣穩(wěn)定和降低成本等多方面因素,城市燃氣通常采用多氣源聯(lián)合供氣[3-4]。因為不同來源的氣體組成通常不相同,所以多氣源混合供氣常會導(dǎo)致用戶所接收到的氣體氣質(zhì)發(fā)生變化,進而對用戶造成一定影響。一旦造成相關(guān)事故,需要花費大量人力、物力進行故障排查與檢修[5-10]。

為了保障多氣源混輸管網(wǎng)安全平穩(wěn)運行,學(xué)者們已對燃氣混輸供氣、燃氣互換性,以及氣質(zhì)要求等方面開展了一系列的研究[11-16]。這些研究對多氣源燃氣供氣安全和穩(wěn)定運行起到一定指導(dǎo)作用。但是,這些工作對燃氣管網(wǎng)多氣源氣質(zhì)組分追蹤探討和用戶氣質(zhì)波動過程研究較少。燃氣管網(wǎng)仿真可以模擬燃氣在管網(wǎng)內(nèi)的流動狀態(tài),近年來開始應(yīng)用于多氣源混輸研究中。目前已有學(xué)者利用管網(wǎng)仿真技術(shù)模擬了多氣源混輸過程中的發(fā)熱量變換和調(diào)峰時的儲氣能力[17-18]。這些研究為多氣源安全、經(jīng)濟輸送工程提供了重要的指導(dǎo)作用,但較難反映不同氣源以及氣體組成的分布,從而導(dǎo)致在多氣源混輸中應(yīng)用有限。為此,本文構(gòu)建了復(fù)雜城市燃氣管網(wǎng)多氣源混輸模型,并研究了A 城市高壓燃氣管網(wǎng)多氣源混輸運行特性,為其安全穩(wěn)定運行提供理論指導(dǎo)。

1 燃氣管網(wǎng)多氣源混輸模型

本研究對象為城市燃氣管網(wǎng),燃氣在管道流動時溫降較小,可以視為等溫流動[19]。本研究在傳統(tǒng)水力仿真模型基礎(chǔ)上添加氣體組分模型,構(gòu)建城市管網(wǎng)多氣源混輸模型。氣體組分模型可以追蹤各組分的氣體組分分布和氣源的比例,從而可以描述燃氣組分在管網(wǎng)內(nèi)的分布情況和氣源的影響范圍。

1.1 燃氣管網(wǎng)水力模型

1.1.1 管道壓降方程

城市燃氣長輸管道斷面的高差通常小于200 m,可以視為水平輸氣管道,忽略高差對管道壓降的影響。水平輸氣管道的流量-壓降計算公式見式(1)[20]。

式中:Q為管道體積流量,m3/s;pin為該管道的起點壓力,Pa;pout為該管道的終點壓力,Pa;D為管道內(nèi)徑,m;λ為水力摩阻系數(shù);Z為氣體的壓縮因子;T為管道溫度,K;L為管道長度,m;Δ為燃氣相對空氣的密度,其中ρ為燃氣的密度,kg/m3;ρa為空氣的密度,kg/m3。

1.1.2 節(jié)點流量守恒方程

根據(jù)質(zhì)量守恒原理,節(jié)點處流入燃氣的總流量等于流出燃氣的總流量[21]。因此,節(jié)點處燃氣的流量方程見式(2)。

式中:Qin為流入當前節(jié)點的體積流量,m3/s;Qout為流出當前節(jié)點的體積流量,m3/s。

1.2 燃氣管網(wǎng)氣體組分模型

1.2.1 氣體組分追蹤方程

對于多氣源混輸管網(wǎng),來自不同管道的不同組分天然氣在管網(wǎng)的節(jié)點處混合后,向下游管道繼續(xù)輸送。根據(jù)質(zhì)量守恒原理,上游管道天然氣中某一組分的質(zhì)量與下游管道相等,由此列出每根管道的天然氣氣體組分方程見式(3)。

1.2.2 氣源比例追蹤方程

多氣源管網(wǎng)用戶處發(fā)生氣質(zhì)異常工況時,不僅需要了解各個管道處的氣體組成,還需知道用戶和管道處的氣體來源。氣源比例追蹤方程與氣體組分追蹤方程原理相似,流出節(jié)點的氣源比例等于流入節(jié)點處的氣源比例。此時,管網(wǎng)氣源比例方程見式(4)。

1.3 物性方程

1.3.1 狀態(tài)方程

多氣源混輸過程中由于壓力和氣體組分的變化,引起密度和壓縮因子等參數(shù)的改變。因此,需要采用狀態(tài)方程描述氣體物性參數(shù)之間的關(guān)系。常用的狀態(tài)方程有RK、SRK、PR 和BWRS方程。由于BWRS方程具有范圍大、精度高等優(yōu)點,本研究采用BWRS方程進行狀態(tài)參數(shù)的求解[22-23],見式(5)。

式中:p為天然氣壓力,k Pa;ρ為天然氣密度,kmol/m3;R為氣體常數(shù),R=8.314 kJ/(kmol·K);T為天然氣 的 溫 度,K;A0,B0,C0,D0,E0,a,b,c,d,α,γ為BWRS 方程的參數(shù),具體求解過程可以參見文獻[22]。

1.3.2 華白數(shù)方程

多氣源混輸時,為了保障管網(wǎng)的安全平穩(wěn)運行,需要考慮燃氣的互換性。華白數(shù)法是表征燃氣互換性常用方法。我國華白數(shù)法判定依據(jù)為:兩種燃氣互換后,華白數(shù)變化小于5%[24]。

式中:W為燃氣的華白數(shù),MJ/m3;H=Σy i·H i,H i為燃氣i組分的發(fā)熱量,MJ/m3;y i為燃氣i組分的體積分數(shù);Δ為燃氣相對空氣的密度。

1.4 模型求解

式(1)～式(6)構(gòu)成了復(fù)雜城市燃氣管網(wǎng)多氣源混輸模型,該模型的迭代法求解流程如圖1所示。通過管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)來構(gòu)建多氣源混輸管網(wǎng)數(shù)學(xué)模型。結(jié)合管道直徑、管長等管網(wǎng)參數(shù)和用戶壓力、流量等管網(wǎng)邊界條件,確定管網(wǎng)仿真的初值。求解水力方程,確定管網(wǎng)內(nèi)管道的流量。將流量代入氣體組分方程求出管網(wǎng)內(nèi)氣體組分分布和氣源比例。對流量和壓力等參數(shù)進行偏差判斷。如果偏差小于允許值,則求解過程結(jié)束,輸出結(jié)果。否則更新水力參數(shù),重新求解水力方程和氣體組分方程。

2 模型驗證

2.1 算例描述

本研究采用某省的規(guī)劃管網(wǎng)來驗證所開發(fā)多氣源混輸仿真技術(shù)。該管網(wǎng)含有8個氣源,49根管道,44個節(jié)點,共構(gòu)成6個環(huán)路。該管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示,拓撲結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,8個氣源組成各不相同。管段參數(shù)、各氣源的氣體組成,以及節(jié)點流量壓力參見文獻[25]。

2.2 水力模型準確度驗證

通過對比管道流量和節(jié)點壓力,來驗證本研究水力模型的正確性。圖3和圖4分別為管道流量結(jié)果和節(jié)點壓力結(jié)果。

從圖3和圖4可以看出,本研究建立的模型計算得出的管道流量和節(jié)點壓力結(jié)果與文獻結(jié)果吻合較好,這說明所建模型能夠較準確地計算燃氣管網(wǎng)內(nèi)的流量和壓力。

2.3 氣源比例準確度驗證

通過對比典型管道中氣源所占比例(體積分數(shù))和燃氣發(fā)熱量,驗證本研究氣體組分方程的準確性。表1給出了典型管道的氣源比例、發(fā)熱量及其相對偏差。從表1可以看出,本研究所計算的氣源比例與文獻值基本吻合,最大偏差為1.62%;模擬值與文獻值的發(fā)熱量幾乎完全吻合,最大偏差僅為0.843%,滿足發(fā)熱量測定不確定度小于2.0%。這說明本研究所建立的氣體組分模型準確性較好。

表1 某省規(guī)劃管網(wǎng)管道氣源比例、發(fā)熱量及其相對偏差

3 A城市高壓管網(wǎng)多氣源混輸工程應(yīng)用

在驗證本研究所開發(fā)的多氣源混輸管網(wǎng)仿真技術(shù)的正確性后,將其應(yīng)用于A 城市高壓燃氣多氣源混輸工程中。A 城市高壓燃氣管網(wǎng)供氣源較為復(fù)雜,含有陸上天然氣、煤改氣、海上進口LNG 等6種氣源。6種氣 源 分 別 為S1、S2、S3、S4 線 氣 源、KQ-SNG 和LNG。各氣源的氣體組成有一定的差異,再加上A 城市夏冬季節(jié)性供氣量的差異性,多氣源混輸必定對A城市氣質(zhì)穩(wěn)定造成一定影響。本研究通過建立的仿真模型對A 城市管網(wǎng)夏季和冬季兩種工況進行模擬,研究管網(wǎng)中壓力及氣體組成的分布規(guī)律,探討季節(jié)性供氣方案調(diào)整對輸氣站氣質(zhì)的影響,為A 城市燃氣管網(wǎng)多氣源安全平穩(wěn)運行提供指導(dǎo)。A 城市多氣源混輸高壓管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖5所示。夏冬管網(wǎng)管道參數(shù)列于表2,各種氣體組分參數(shù)列于表3,夏冬工況下流量和壓力列于表4。

表2 A城市高壓燃氣管網(wǎng)管道參數(shù)

表3 氣源組分參數(shù) φ/%

表4 氣源流量和壓力

3.1 輸氣站壓力分析

圖6為A 城市燃氣管網(wǎng)各輸氣站的壓力。從圖6中可以看出,夏季工況下A 城市管網(wǎng)壓力基本低于冬季管網(wǎng)壓力。此外,A 城市夏季工況下管網(wǎng)高壓區(qū)主要集中在北部的XST、GLY 和MY 輸氣站,冬季高壓區(qū)集中在北部地區(qū)和南部的YQ 和BD 輸氣站。這是由于A 城市管網(wǎng)的夏季供氣主要由S4 和KQ-SNG提供,因此夏季高壓區(qū)主要集中在北部。到了冬季,為了滿足城市用氣需求,在北部供氣保持不變的前提下,S2、S3和LNG 開始加大供氣量。因此,與S2、S3 和LNG 氣源相連接的YQ 和BD 輸氣站壓力增大。值得指出的是,BD 和YQ 輸氣站在冬季和夏季壓力波動高達1.2 MPa,相對偏差高達20%,這將對兩處輸氣站的安全供氣提出較大的挑戰(zhàn)。而無論對于工業(yè)用戶還是居民用戶,其燃具已經(jīng)確定。因此,為了保障生產(chǎn)、生活的平穩(wěn),應(yīng)盡量為用戶提供穩(wěn)定的燃氣,必要時建立專線為電廠燃氣輪機供氣,防止換季時由于壓力變化較大對管網(wǎng)運行造成不利影響。

3.2 輸氣站氣源比例分析

由于A 城市氣源組成的差異性,同時夏冬季用氣量的變化,將對A 城市氣質(zhì)安全穩(wěn)定造成一定影響,因此,需要對A 城市氣源比例進行追蹤,以了解各氣源的影響范圍。夏冬季兩種工況下,各輸氣站氣源比例列于表5和表6。

表5 A城市管網(wǎng)夏季工況各輸氣站氣源比例 φ/%

表6 A城市管網(wǎng)冬季工況各輸氣站氣源比例 φ/%

從表5可以看出,夏季工況下S4承擔著A 城市燃氣管網(wǎng)的主要供氣任務(wù),所有輸氣站的氣體來源都與S4氣源有關(guān)。S2、S3主要為YQ 和YQ 北部的CY和CQ 輸氣站供氣,S1主要為LLH 供氣,KQ-SNG 為MY 和MF等A 城市東北部東部和環(huán)內(nèi)XJ、TZ等輸氣站供氣,LNG 不參與A 城市城市管網(wǎng)夏季供氣任務(wù)。到了冬季,由于用戶用氣增加,S2、S3和LNG 加大供氣。

從表6可以看出,此時XH、TZ、YQ、CQ、CY 等A 城市南部地區(qū)輸氣站氣體來源變?yōu)镾2、S3和LNG,而A 城市管網(wǎng)東部的MY 和MF等輸氣站仍由S4和KQ-SNG 聯(lián)合供氣。夏冬季兩種工況下某些輸氣站氣源比例變化較大。例如,TZ 夏季氣體來源只有S4和KQ-SNG,到了冬季增加了S2、S3和LNG 的燃氣;LX夏季時完全由S4供氣,到了冬季S1、S2、S3、S4和LNG 都對其進行供氣。上述輸氣站的氣體來源幾乎發(fā)生置換。氣源氣質(zhì)的較大波動容易給工業(yè)生產(chǎn)和居民生活帶來不便,建議對上述輸氣站及周邊區(qū)域加強監(jiān)控和管理。

3.3 輸氣站氣體組分分析

燃氣中的甲烷、氫氣等組分對燃氣燃燒和管網(wǎng)安全運行起著十分重要作用。圖7和圖8分別給出各輸氣站甲烷和氫氣的體積分數(shù)。

由于甲烷中只含有C-H 鍵,燃燒時碳煙顆粒的產(chǎn)生會相對減少。高含量的甲烷能減少碳煙顆粒排放,減少對環(huán)境的污染。因此,甲烷含量高低可代表燃氣燃燒清潔程度。從圖7可以看出,夏冬季兩種工況下各輸氣站甲烷體積分數(shù)較高,均超過92%。所有輸氣站冬季工況下的甲烷含量高于夏季工況。因此,燃燒相同體積的燃氣,冬季時碳煙顆粒排放要小于夏季。冬季時A 城市用氣增多,采用更加清潔的氣體,這對A 城市的霧霾防治有著積極意義。

對于一些對氣質(zhì)較為敏感的電廠,當燃氣氫組分體積分數(shù)超過1%,有可能導(dǎo)致燃氣輪機組損壞。因此,了解A 城市燃氣管網(wǎng)內(nèi)氫氣的分布十分重要。從圖8可以看出,各輸氣站處氫氣的占比都小于1%,這說明夏冬兩季供氣波動對A 城市管網(wǎng)內(nèi)氣質(zhì)要求較高的工業(yè)用戶安全運行影響不大。但是,從表1可以看出,KQ-SNG 的氣源中含有氫組分,其體積分數(shù)約為2%。為保證下游用戶氫組分比例要求,建議對該氣源進行摻混輸送。目前,常用的天然氣摻混方法主要有文丘里引射式混合器、高壓比例式混合器、配比式混合器、隨動流量混合器摻混等[26]。A 城市高壓管網(wǎng)壓力約為6 MPa左右,同時考慮到投資的經(jīng)濟性,采用隨動流量混合器為較優(yōu)的摻混方案。此外,已有學(xué)者模擬兩種氣源的天然氣在管道中的混輸過程,結(jié)果發(fā)現(xiàn)混輸點下游40 m 處氣體已經(jīng)完全混合[27]。因此,建議在MY 站處建設(shè)相應(yīng)的隨動流量混合器和摻混管路。將GLY 到MY 的燃氣與KQ-SNG 氣源進行摻混,摻混后燃氣的氫組分低于1%以后,再通過混輸管路輸送至下游用戶。

3.4 冬夏工況氣體華白數(shù)分析

根據(jù)表5可知,夏季時A 城市主要是S4氣源供氣。以供氣較多的S4 燃氣為基準氣,以下分析S1、S2、S3、KQ-SNG、LNG 與其進行互換時的安全性。圖9和圖10分別給出以S4燃氣為基準氣時,各氣源及各輸氣站的華白數(shù)。

從圖9可以看出,以S4燃氣為基準氣時,S1、S2、S3、KQ-SNG、LNG 氣源的氣體華白數(shù)分別為47.24 MJ/m3、46.12 MJ/m3、47.54 MJ/m3、50.63 MJ/m3,其差異分別為2.4%、4.7%、1.79%、4.6%。S2、S3和LNG 的華白數(shù)與S4差異接近燃氣互換性的臨界允許值5%。因此,需要對各輸氣站華白數(shù)進行分析,保障燃氣互換性安全。

從圖10可以看出,夏季工況下各輸氣站的華白數(shù)較為接近,最大差異為BD 和YQ 輸氣站,最大偏差僅為2.64%,小于5%互換臨界允許值。這說明夏季工況下各輸氣站的燃氣可以直接互換。冬季工況下,各輸氣站的華白數(shù)差異較大。最大差異為BD 和YQ 輸氣站,最大偏差高達8%。這說明冬季工況下各輸氣站的燃氣不可以直接互換。同時,由于S2、S3、S4和LNG 開始供氣,XH、BD 等西南部區(qū)域華白數(shù)開始升高,而LLH 和LX 等東南部區(qū)域華白數(shù)開始降低。夏冬兩種工況下BD 處華白數(shù)變化最大,最大變化為4.9%,接近5%互換臨界允許值。因此,夏冬季用氣切換時,需要對BD 輸氣站及下游區(qū)域的用戶進行密切監(jiān)控和管理,以保證供氣安全。

3.5 輸氣站氣體發(fā)熱量分析

在A 城市燃氣管網(wǎng)中,發(fā)熱量影響下游用戶燃燒效率。對用戶發(fā)熱量進行監(jiān)控,能夠保障下游用戶燃燒平穩(wěn)運行。

燃氣發(fā)熱量影響下游電廠的燃燒效率,以下對各輸氣站的燃氣發(fā)熱量進行分析。圖11為各輸氣站的氣體發(fā)熱量。從圖11可以看出,XH、BD、LLH 和LX輸氣站處冬季和夏季燃氣發(fā)熱量相差明顯。BD 輸氣站夏季燃氣發(fā)熱量為37.11 MJ/m3,冬季燃氣發(fā)熱量為38.82 MJ/m3,發(fā)熱量升高4.61%。LLH 輸氣站夏季燃氣發(fā)熱量37.42 MJ/m3,冬季燃氣發(fā)熱量為35.92 MJ/m3,發(fā)熱量下降4%。燃氣發(fā)熱量的波動,將對用戶用氣量產(chǎn)生直接的影響,因此,應(yīng)盡量保持用戶處燃氣發(fā)熱量的穩(wěn)定。對于工業(yè)用戶(如電廠用戶),由于工業(yè)生產(chǎn)過程都已程序化,發(fā)熱量的升高或降低都將導(dǎo)致所產(chǎn)生熱量發(fā)生變化。熱量波動超過一定范圍時,會對生產(chǎn)過程產(chǎn)生較大影響。必要時可以為燃氣輪機用戶建立專門管線,從而保障工業(yè)生產(chǎn)平穩(wěn)運行。對于居民用戶,發(fā)熱量降低會導(dǎo)致居民燃氣消耗增加,加大居民經(jīng)濟負擔。此外,不同輸氣站處氣體發(fā)熱量不同,導(dǎo)致計量不公平性。例如,冬季工況下,BD 輸氣站與LLH 輸氣站的氣體發(fā)熱量相差高達7.47%。因此,針對目前A 城市燃氣的多氣源供氣狀態(tài),建議采用能量計量方式取代傳統(tǒng)的體積計量,保障用氣的公平性。在能量計量的試行階段,可由工業(yè)大用戶先試行。

4 結(jié)論及建議

針對復(fù)雜的多氣源混輸燃氣管網(wǎng)系統(tǒng),本研究在傳統(tǒng)管網(wǎng)水力仿真模型基礎(chǔ)上補充氣體組分追蹤方程,構(gòu)建了多氣源管網(wǎng)混輸仿真數(shù)學(xué)模型。該模型可準確描述燃氣組分在管網(wǎng)內(nèi)分布情況和氣源的影響范圍。對于某省規(guī)劃多氣源混輸管網(wǎng),本研究所構(gòu)建多氣源混輸仿真模型所得的氣源比例及燃氣發(fā)熱量結(jié)果與文獻結(jié)果吻合良好,說明本研究所開發(fā)的多氣源混輸模型的準確性較好,可用于研究多氣源混輸工程。

將所構(gòu)建多氣源混輸模型應(yīng)用于A 城市高壓燃氣管網(wǎng)系統(tǒng),研究多氣源混輸對管網(wǎng)中氣體壓力、氣源結(jié)構(gòu)及氣體組成的影響。夏季時,S4承擔A 城市的主要供氣任務(wù),所有輸氣站氣體組成中S4氣源均占據(jù)重要比例,同時XST、GLY 和MY 等北部區(qū)域的輸氣站的氣體壓力較高。冬季時,由于A 城市燃氣需求量增加,S2、S3和LNG 供氣量加大,LLH、YQ 和BD 等南部區(qū)域輸氣站壓力明顯升高,與夏季相比壓力可升高20%。同時,與夏季相比,冬季時各輸氣站的氣體來源復(fù)雜化,TZ 和LX 等輸氣站冬季時氣體來源幾乎全部置換。建議對這些壓力和氣體來源波動較大的輸氣站加強監(jiān)管。

多氣源混輸對甲烷、氫組分比例和華白數(shù)等氣質(zhì)指標影響較小。各輸氣站氣體的甲烷比例較高,這對A 城市霧霾防治有著積極意義。各輸氣站氣體的氫組分體積分數(shù)均小于1%,滿足對氫組分敏感的用戶(如發(fā)電廠)的用氣需求。夏冬季供氣方案的調(diào)整將導(dǎo)致各輸氣站氣體華白數(shù)產(chǎn)生小于5%的波動,滿足氣體互換性要求。但是,BD 輸氣站的華白數(shù)變化為4.9%,臨近互換臨界允許值,需對該輸氣站加強監(jiān)管。需要特別指出的是,多氣源混輸會導(dǎo)致管網(wǎng)中氣體發(fā)熱量有明顯的差異性。例如,同一季節(jié)BD 與LLH 輸氣站的氣體發(fā)熱量差異可達7.47%,夏冬季BD 輸氣站的氣體發(fā)熱量差異可達4.61%。很明顯,這將導(dǎo)致產(chǎn)生相同熱量卻需要不同用氣量,影響計量的不公平性。建議采用能量計量方式替代傳統(tǒng)的體積計量,在試行能量計量時也可以由工業(yè)大用戶先試行。