燃?xì)獍l(fā)展規(guī)劃中儲(chǔ)氣需求的計(jì)算

張悅 張?jiān)评?劉學(xué)智

山東一通工程技術(shù)服務(wù)有限公司

天然氣作為一種清潔能源已逐步成為城市燃?xì)獾闹鳉庠?，在城市燃?xì)獍l(fā)展中占有非常重要的地位。然而由于各類天然氣用戶用氣量變化的不規(guī)律性，導(dǎo)致天然氣的耗氣量隨月、日、時(shí)而變化，而氣源供應(yīng)又是相對(duì)穩(wěn)定的，難以完全按照城市用氣工況來(lái)供氣，為了解決供需之間的矛盾，使用戶穩(wěn)定用氣，需設(shè)置有效的調(diào)峰手段，使燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)供需平衡。解決城市各類用戶時(shí)不均勻性，目前使用較多的為長(zhǎng)輸管道儲(chǔ)氣和LNG儲(chǔ)配站儲(chǔ)氣。本文就燃?xì)獍l(fā)展規(guī)劃中儲(chǔ)氣設(shè)施儲(chǔ)氣量問(wèn)題進(jìn)行分析，滿足城市發(fā)展過(guò)程中居民、商業(yè)及部分工業(yè)用戶不間斷供氣。

1 儲(chǔ)氣量的確定

燃?xì)獍l(fā)展規(guī)劃中多使用高壓管道儲(chǔ)氣和儲(chǔ)氣罐儲(chǔ)氣的方式，在用氣高峰時(shí)，首先采用管道儲(chǔ)氣的方式，當(dāng)管道儲(chǔ)氣無(wú)法保證各類用戶不間斷用氣時(shí)，將儲(chǔ)氣罐中的液化天然氣氣化、調(diào)壓、計(jì)量后與中壓管網(wǎng)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)向各類用戶供氣。在分析儲(chǔ)氣需求時(shí)，首先對(duì)長(zhǎng)輸管道儲(chǔ)氣量進(jìn)行計(jì)算分析，再根據(jù)用氣量需求，求出儲(chǔ)氣罐所需要的氣量。

1.1 長(zhǎng)輸管道儲(chǔ)氣量

長(zhǎng)輸管線末端是指上游管線分輸站至城市門站之間的管段，該管段不僅具有輸氣能力，還有一定的儲(chǔ)氣能力，因此充分利用輸氣管段末端的儲(chǔ)氣能力，可以減少儲(chǔ)罐的數(shù)量和脫水工作量。

長(zhǎng)輸管線輸氣過(guò)程中受到各種擾動(dòng)，如各類用戶用氣的不均勻性、間斷性及相關(guān)設(shè)備的啟停、外界環(huán)境變化對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的影響等。這些擾動(dòng)直接導(dǎo)致天然流量和壓力沿輸氣管線隨時(shí)間不斷發(fā)生變化。由于擾動(dòng)產(chǎn)生的作用在高壓輸氣過(guò)程中表現(xiàn)得比較明顯，這就決定了對(duì)天然氣長(zhǎng)輸管線的輸氣過(guò)程應(yīng)按照不穩(wěn)定流來(lái)考慮[1]。

1.1.1數(shù)學(xué)模型的建立

長(zhǎng)輸管道中流體遵循一維不穩(wěn)定流動(dòng)，管道中主要以流速、壓力、密度、溫度等物理量反映氣體流動(dòng)狀態(tài)，基于流體動(dòng)力學(xué)理論，并考慮天然氣在管段中流動(dòng)時(shí)與土壤之間存在換熱現(xiàn)象和焦耳-湯姆遜效應(yīng)產(chǎn)生的溫度變化，建立了如下長(zhǎng)輸管道動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型[2]：

式中：p為管道中天然氣的壓力，Pa；x為沿管線的距離，m；ρ為天然氣密度，kg/m3；v為管段中氣體流動(dòng)速度，m/s；t為時(shí)間，s；g0為重力加速度，m/s2；h 為管道的高程，m；λ為水力摩阻系數(shù)；D為管道內(nèi)徑，m；c為氣體中的聲速，m/s；Z為氣體的壓縮因子；R0為氣體常數(shù)，J/(kg/K)；T為氣體溫度，K；K為天然氣到土壤的傳熱系數(shù)，W/(m2/K)；T0為環(huán)境溫度，K；cp為天然氣的比定壓熱容，J/(kg/K)；Dh為天然氣的焦耳-湯姆遜系數(shù)。

邊界條件：x=0，Q(0,t)=Q0；x=l，Q(l,t)=Q(t)；x=0，P(0,t)≤Pmax；x=l，P(l,t)≥Pmin。

1.1.2計(jì)算求解

文獻(xiàn)[3]提供了基于守恒原理的Wendroff差分格式，由該差分格式建立的方程組是一個(gè)大型的非線性方程組。為了減小求解難度，在求解之前根據(jù)管道實(shí)際運(yùn)行工況，對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行以下適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化[4]。

1）在實(shí)際的輸氣管道中，天然氣流速不會(huì)很大（接近聲速），因此可以忽略對(duì)流項(xiàng)。

2）流量隨時(shí)間的變化不會(huì)太大，可以忽略慣性項(xiàng)。

3）起點(diǎn)與終點(diǎn)的高差不超過(guò)200m時(shí)，可以忽略高差帶來(lái)的影響。

于是式（1）可以簡(jiǎn)化為：

聯(lián)立式（2）和式（5），可以得到式（6）：

采用分離變量法對(duì)式（6）進(jìn)行求解，假定

將式（7）代入式（6）得到

等號(hào)左邊僅為t的函數(shù)，右邊僅為x的函數(shù)，設(shè)等號(hào)左右兩邊同等于μ，即

結(jié)合邊界條件求解得出

式（13）、（14）反映了長(zhǎng)輸管線中天然氣流量、壓力隨時(shí)間、空間的變化情況。

1.1.3長(zhǎng)輸管道儲(chǔ)氣量的計(jì)算

由前面的分析、計(jì)算，可以計(jì)算出輸氣管線中流量、壓力與末端流量變化之間的關(guān)系。因此，根據(jù)儲(chǔ)氣調(diào)峰原理，長(zhǎng)輸管線的儲(chǔ)氣量可以由下式計(jì)算得到：

管段末端儲(chǔ)氣量（單位m3）

式中：△Qm為管道的儲(chǔ)氣量，kg；ρ0為天然氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度，kg/m3。

1.2 儲(chǔ)氣罐儲(chǔ)氣量的計(jì)算

儲(chǔ)氣罐儲(chǔ)氣能在停電、上游管道出現(xiàn)問(wèn)題、制氣或輸配設(shè)備發(fā)生暫時(shí)故障時(shí)保證一定程度的供氣。因此，確定儲(chǔ)氣罐的實(shí)際容積，應(yīng)考慮到供氣的波動(dòng)、用氣負(fù)荷的誤差、氣溫等外界條件的突然變化以及儲(chǔ)氣設(shè)備的安全操作要求，儲(chǔ)氣罐的實(shí)際容積應(yīng)有一定的富裕。具體計(jì)算根據(jù)以下兩式進(jìn)行計(jì)算。

式中：V'為所需的儲(chǔ)氣容積，m3；V為儲(chǔ)氣罐的容積；m3；Qt為 t小時(shí)中的用氣量，m3；Qd為最大日用氣量，m3；Q為制氣能力，m3；t為一日中小時(shí)用氣量大于制氣能力的小時(shí)數(shù)，h。

2 實(shí)例計(jì)算

表1為某長(zhǎng)輸管道儲(chǔ)氣不穩(wěn)定流實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[5]。按負(fù)荷曲線，儲(chǔ)氣從晚21時(shí)開(kāi)始，晨7時(shí)結(jié)束。管道需保證入口流量為 56000m3/h（P0=0.101325MPa，T0=293K），儲(chǔ)氣前，管道始端壓力為4.66MPa，未端壓力為1.42 MPa，管內(nèi)溫度10℃，管內(nèi)徑30cm，管長(zhǎng)132km。儲(chǔ)氣量 ΣQi=222.2×103m3。

表1晚間儲(chǔ)氣工況的實(shí)例數(shù)據(jù)

圖1 管道儲(chǔ)氣計(jì)算值與實(shí)例數(shù)據(jù)對(duì)比

根據(jù)以上計(jì)算式，結(jié)合表1數(shù)據(jù)，求得管道、儲(chǔ)氣罐儲(chǔ)氣計(jì)算值，并將管道儲(chǔ)氣計(jì)算值與實(shí)例數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)圖1。從圖1可見(jiàn)，管道計(jì)算值與實(shí)例數(shù)據(jù)誤差在10%左右，計(jì)算公式可以利用；儲(chǔ)氣罐儲(chǔ)氣量與長(zhǎng)輸管道儲(chǔ)氣量的比值最大為8.77%，最小為-60.4%。

3 結(jié)論

1）燃?xì)獍l(fā)展規(guī)劃中采用的儲(chǔ)氣方式大多為兩種，一種是長(zhǎng)輸管道天然氣儲(chǔ)氣，一種是液化天然氣儲(chǔ)配站儲(chǔ)氣。儲(chǔ)氣罐儲(chǔ)氣量與長(zhǎng)輸管道儲(chǔ)氣量的比值最大為8.77%，最小為-60.4%。

2）利用一維非穩(wěn)態(tài)計(jì)算公式，推導(dǎo)了長(zhǎng)輸天然氣管道儲(chǔ)氣量的計(jì)算公式，并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證，結(jié)果表明計(jì)算結(jié)果與實(shí)例數(shù)據(jù)的誤差在10%左右。

[1] 隋元春,薛世達(dá).沿途有分輸?shù)拈L(zhǎng)輸燃?xì)夤艿啦环€(wěn)定計(jì)算[J].煤氣與熱力,1988,(4):25-27

[2] 唐建峰,段常貴.燃?xì)忾L(zhǎng)輸管道動(dòng)態(tài)模擬及末端儲(chǔ)氣研究[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2000,(7):24-27

[3] 李長(zhǎng)俊,曾自強(qiáng).天然氣在管道系統(tǒng)中不穩(wěn)定流動(dòng)的分析[J].天然氣工業(yè),1992,(4):69-71

[4] 段常貴,楊立民.燃?xì)忾L(zhǎng)輸管線分析與末段儲(chǔ)氣計(jì)算[J].煤氣與熱力,1997,(3):16-20

[5] 李猷嘉.長(zhǎng)輸管道末段儲(chǔ)氣量的計(jì)算與分析[J].煤氣與熱力,2002,22(1):8-11