基于軟件模擬城市中壓燃?xì)夤芫W(wǎng)可靠性分析

呂 凱 詹淑慧 黃 葵

（1.北京建筑工程學(xué)院，北京 100044；2.中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院，天津 300070）

0 引言

在城市中壓燃?xì)夤芫W(wǎng)建設(shè)中，提高管網(wǎng)可靠性和抗風(fēng)險(xiǎn)能力是一個(gè)不容忽視的問題［1］。筆者根據(jù)廣東省某市城區(qū)中壓燃?xì)夤芫W(wǎng)的規(guī)劃情況，對(duì)設(shè)計(jì)工況以及事故工況下的管網(wǎng)狀況進(jìn)行軟件模擬，假定事故工況為氣源點(diǎn)因故停氣和管網(wǎng)中較大流量的管段故障停輸，對(duì)廣東省某市城區(qū)的天然氣中壓管網(wǎng)的可靠性進(jìn)行分析。

1 GNET軟件簡(jiǎn)介

采用的GNET軟件是由中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院與北京賽遠(yuǎn)科技發(fā)展有限公司共同開發(fā)的燃?xì)夤芫W(wǎng)分析軟件，具有便捷的操作界面，適用于管道輸送的城鎮(zhèn)燃?xì)庠诓煌瑝毫?jí)制下的環(huán)網(wǎng)水力分析和計(jì)算。

GNET軟件的主要特點(diǎn)：① 管網(wǎng)分析計(jì)算與繪圖一體化。應(yīng)用軟件進(jìn)行管道的繪制計(jì)算，并結(jié)合繪圖軟件將計(jì)算結(jié)果直接標(biāo)注于圖形中。② 在自識(shí)別環(huán)路管網(wǎng)圖的基礎(chǔ)上，自動(dòng)對(duì)環(huán)、管段及節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)處理，自動(dòng)設(shè)定管段流向。③ 采用多種方式進(jìn)行原始數(shù)據(jù)輸入，方式靈活，編輯方便。④ 分析結(jié)果可以圖形方式、文檔方式及分析過程等多種方式輸出。⑤ 采用圖形處理算法及迭代算法，在傳統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)方程法的基礎(chǔ)上采用變帶寬矩陣存儲(chǔ)系數(shù)矩陣，因?yàn)橄禂?shù)矩陣是對(duì)稱稀疏矩陣，運(yùn)用變帶寬技術(shù)可以節(jié)省大量的存儲(chǔ)空間。

1.1 軟件處理流程

GNET軟件處理流程如圖1所示。

圖1 GNET軟件處理流程圖

1.2 中壓管網(wǎng)水力分析的計(jì)算依據(jù)

根據(jù)城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范GB50028-2006附錄C規(guī)定，GNET軟件在中壓燃?xì)夤艿绬挝婚L(zhǎng)度的摩擦阻力損失按照下式計(jì)算［2］：

式中，p1為燃?xì)夤艿榔瘘c(diǎn)的壓力，kPa；p2為燃?xì)夤艿澜K點(diǎn)的壓力，kPa；l為燃?xì)夤艿赖挠?jì)算長(zhǎng)度，km；q為燃?xì)夤艿赖挠?jì)算流量，m3／h；d為管道內(nèi)徑，mm；ρ為燃?xì)獾拿芏龋琸g／m3；T為設(shè)計(jì)中所采用的燃?xì)鉁囟龋琄；T0為273.16 K。

燃?xì)夤艿罏殇摴?，其單位長(zhǎng)度的摩擦阻力損失按下列各式計(jì)算：

式中，Re為雷諾系數(shù)；v為0℃、101.325 kPa時(shí)燃?xì)獾倪\(yùn)動(dòng)黏度，m2／s；K為管壁內(nèi)表面的當(dāng)量絕對(duì)粗糙度，對(duì)鋼管取0.2 mm。

2 中壓管網(wǎng)工況及可靠性分析

根據(jù)當(dāng)?shù)匾?guī)劃預(yù)測(cè)，2020年廣東省某市城區(qū)規(guī)劃年需氣量為49 245×104m3，其中居民用戶用氣量為 5 806×104m3／a，占年用氣量的11.8%；公建商業(yè)用戶用氣量為5 806×104m3／a，占年用氣量的11.8%；工業(yè)用戶用氣量為27 714×104m3／a，占年用氣量的56.3%；天然氣汽車用氣量為7 574×104m3／a，占年用氣量的15.4%；不可預(yù)見用氣量為2 345×104m3／a，占年用氣量的4.7%。

天然氣高壓管網(wǎng)可向該市城區(qū)中壓管網(wǎng)供氣的高中壓調(diào)壓站共4座，即氣源A、氣源B、氣源C和氣源D，其中設(shè)計(jì)供氣能力分別為25 000 m3／h、76 699 m3／h、45 000 m3／h、20 000 m3／h，最高供氣壓力均為0.36 MPa。

2.1 中壓管網(wǎng)計(jì)算模型的建立

廣東省某市城區(qū)已建設(shè)中壓燃?xì)夤芫W(wǎng)為461.73 km（鋼管446.74 km，PE管15.99 km），其中市政管線為242.27 km，中壓支管及庭院管道為219.46 km，形成了較為完善的城市中壓燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)共設(shè)有4個(gè)氣源點(diǎn)，并且形成聯(lián)網(wǎng)調(diào)度。根據(jù)2020年廣東省某市城區(qū)中壓管網(wǎng)規(guī)劃圖（圖2），在GNET軟件中構(gòu)建管網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖，生成計(jì)算草圖，并賦值管徑和環(huán)流量后，即可形成計(jì)算原始文件，進(jìn)行設(shè)計(jì)工況下的中壓管網(wǎng)水利計(jì)算。筆者在計(jì)算工況的基礎(chǔ)下對(duì)門站斷氣和個(gè)別管段斷氣兩種事故工況分別進(jìn)行模擬。

圖2 2020年廣東省某市城區(qū)中壓管網(wǎng)規(guī)劃圖

2.2 設(shè)計(jì)工況計(jì)算模擬

在計(jì)算工況下，當(dāng)4個(gè)氣源點(diǎn)同時(shí)供氣，并且滿足用氣負(fù)荷時(shí)，氣源A的流量為19 147.12 m3／h，占總供氣量的20.2%；氣源B的流量為43 593.73 m3／h，占總供氣量的48.5%；氣源C的流量為16 844.62 m3／h，占總供氣量的18.8%；氣源D的流量為11 250 m3／h，占總供氣量的12.5%。供氣壓力均為0.36 MPa。

2.3 事故工況計(jì)算模擬

假定某一個(gè)門站由于意外事故喪失供氣能力，在計(jì)算工況的基礎(chǔ)上取消這個(gè)氣源點(diǎn)，通過模擬得到3個(gè)氣源供氣，并且滿足用氣負(fù)荷時(shí)，即門站斷氣的事故工況下，各個(gè)氣源點(diǎn)的供氣壓力及流量如表1所示。

從計(jì)算工況的結(jié)果可以看出，在4個(gè)氣源同時(shí)供氣的情況下，環(huán)網(wǎng)中流量最大的3個(gè)管段的流量分別為 14 290.34 m3／h、11 771.58 m3／h 和 7 314.53 m3／h，定義這3個(gè)管段分別為管段A、管段B和管段C，其中管段A的管徑為D 508×8.7 mm，管段B和管段C的管徑為D 323.9×8.0 mm。在4個(gè)氣源同時(shí)供氣的基礎(chǔ)上分別對(duì)管段A、管段B和管段C的管徑重新設(shè)定，把這3個(gè)管段的管徑設(shè)定為0，假設(shè)這3個(gè)管段分別斷氣，進(jìn)行了3次斷氣模擬。從斷氣模擬的計(jì)算結(jié)果可以得出，在管段A、管段B和管段C分別斷氣的情況下，4個(gè)氣源同時(shí)供氣，同時(shí)滿足用氣負(fù)荷時(shí)，即個(gè)別管段斷氣的事故工況下，各個(gè)氣源點(diǎn)的供氣壓力及流量如表2所示。

表1 門站斷氣工況下各氣源點(diǎn)供氣壓力及流量表

表2 個(gè)別管段斷氣工況下各氣源點(diǎn)供氣壓力及流量表

2.4 管網(wǎng)可靠性分析

2.4.1 門站斷氣工況分析

由表1可知，在計(jì)算工況下，氣源B的供氣量為43 593.73 m3／h，占4個(gè)氣源供氣量總和的48.5%，是4個(gè)氣源中所占比重最大的氣源點(diǎn)。通過模擬得知：若氣源B斷氣，其他3個(gè)門站不能夠完成供氣任務(wù)；若氣源A、氣源C和氣源D中的任意一個(gè)氣源斷氣，另外3個(gè)氣源可以通過壓力和流量的調(diào)整完成供氣任務(wù)。以氣源D斷氣為例，在氣源D斷氣工況下，氣源C流量比計(jì)算工況下的流量增加3 425.87 m3／h，占計(jì)算工況下氣源C供氣量的17%；氣源B流量增加8 354.22 m3／h，占計(jì)算工況下氣源B供氣量的16%；氣源A流量增加2 274.32 m3／h，占計(jì)算工況下氣源A流量的13%；氣源A、氣源B和氣源C門站的供氣壓力和供氣量均在額定范圍之內(nèi)，且增加的流量總和為14 054.41 m3／h，約等于氣源D計(jì)算工況下的流量。由此可見，當(dāng)氣源D由于事故不能正常供氣，氣源D的負(fù)荷可由氣源A、氣源B和氣源C門站承擔(dān)。

在上述4種工況下，各氣源供氣量總和均約90 000 m3／h，氣源D、氣源C和氣源A 3座門站，其中1座停止供氣之后，其他3個(gè)氣源的供氣量均會(huì)有不同程度的增長(zhǎng)，增長(zhǎng)的總和即為斷氣的氣源的供氣量，在個(gè)別氣源出現(xiàn)不能供氣的緊急情況時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)其他3個(gè)氣源點(diǎn)的供氣壓力和流量來滿足正常的用氣負(fù)荷和需求。

2.4.2 個(gè)別管段斷氣工況分析

由表2可知，在個(gè)別管段斷氣工況下，氣源供氣量變化不大，管段斷氣對(duì)氣源供氣狀況影響不大。個(gè)別管段斷氣工況并未對(duì)氣源供氣狀況造成很大的影響，4個(gè)氣源的供氣結(jié)構(gòu)和供氣量基本與計(jì)算工況保持一致，終止運(yùn)行管段的職能由環(huán)路內(nèi)其他管段承擔(dān)。以管段C斷氣工況為例，管段C斷氣后，其職能由同在環(huán)A的管段D、管段E和管段F承擔(dān)。管段C及環(huán)A結(jié)構(gòu)示意圖如圖3，圖中箭頭方向?yàn)橛?jì)算工況下供氣方向。

圖3 管段C及環(huán)A結(jié)構(gòu)示意圖

由計(jì)算結(jié)果可知，計(jì)算工況及管段C斷氣工況下環(huán)A的環(huán)流量未發(fā)生變化，管段D和管段E的流量分別增加了73.4%和71.5%，管段F供氣方向與計(jì)算工況相反，流量增加28.3%，即在管段C斷氣工況下，管段C的職能由管段D、管段E和管段F承擔(dān)，通過環(huán)網(wǎng)和管段的調(diào)節(jié)能力可以使得管段C斷氣不對(duì)管網(wǎng)的供氣能力產(chǎn)生影響。

2.4.3 可靠性分析

由上述分析可知，廣東省某市城區(qū)的天然氣中壓管網(wǎng)抗風(fēng)險(xiǎn)能力較強(qiáng)。個(gè)別氣源在事故工況下不能供氣時(shí)，可通過調(diào)節(jié)其他氣源的壓力和流量完成供氣任務(wù)；部分管段出現(xiàn)緊急狀況不能夠完成供氣任務(wù)時(shí)，環(huán)網(wǎng)中其他管段可以承擔(dān)中斷管段的負(fù)荷。廣東省某市城區(qū)中壓管網(wǎng)在出現(xiàn)事故工況時(shí)可以通過氣源點(diǎn)的調(diào)節(jié)以及環(huán)網(wǎng)和管段的調(diào)節(jié)能力保證供氣的安全與穩(wěn)定運(yùn)行，為事故工況下的應(yīng)急搶險(xiǎn)贏得寶貴時(shí)間，以保證用戶能夠正常使用，具有較高的可靠性。

3 結(jié)論及建議

1）在多氣源情況下，某氣源停止供氣對(duì)可靠性影響不大，其他氣源可補(bǔ)充供氣。中小城市（鎮(zhèn)）在規(guī)劃建設(shè)時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量設(shè)置多個(gè)氣源，提高氣源的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

2）在管網(wǎng)中設(shè)置環(huán)網(wǎng)的情況下，某大流量管段故障停輸對(duì)管網(wǎng)供氣影響不大，環(huán)網(wǎng)的適應(yīng)和調(diào)節(jié)能力可以確保管網(wǎng)正常供氣。中小城市（鎮(zhèn)）應(yīng)在管網(wǎng)中盡量設(shè)置多個(gè)環(huán)網(wǎng)，可縮小事故影響范圍，降低破壞力。

3）GNET軟件模擬為分析提供了理論依據(jù)和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，中小城市（鎮(zhèn)）在管網(wǎng)建設(shè)過程中應(yīng)運(yùn)用模擬軟件對(duì)燃?xì)夤芫W(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化、完善，設(shè)置緊急預(yù)案，指導(dǎo)日常的運(yùn)行和維護(hù)，提高管網(wǎng)的可靠性。

［1］詹淑慧.燃?xì)夤?yīng)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

［2］中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究院.GB50028-2006城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.