管網(wǎng)仿真技術(shù)在燃?xì)廨斉渲械膽?yīng)用

重慶市川東燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)研究院深圳分院 518033

摘要：目前我國(guó)燃?xì)廨斉渲泄芫W(wǎng)規(guī)模在不斷的擴(kuò)大，種類日益增加，燃?xì)庳?fù)荷不斷飚升，管網(wǎng)的安全運(yùn)營(yíng)和優(yōu)化運(yùn)營(yíng)對(duì)于城市燃?xì)馄髽I(yè)而言有著十分重要的意義。本文主要以北京為例，對(duì)燃?xì)馐袌?chǎng)的供應(yīng)形勢(shì)與特點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，同時(shí)對(duì)管網(wǎng)仿真技術(shù)中氣源追蹤、組分追蹤的實(shí)際運(yùn)用進(jìn)行了詳細(xì)分析，旨在探討管網(wǎng)仿真技術(shù)在職能燃?xì)鈺r(shí)代的使用。

關(guān)鍵詞：管網(wǎng)仿真技術(shù)；燃?xì)廨斉?；?yīng)用

城市燃?xì)庠谌藗兊纳钪惺遣豢苫蛉钡闹匾M成部分，燃?xì)夤芫W(wǎng)作為城市能源運(yùn)行的生命線，直接關(guān)系到了人們?nèi)罕娨约罢麄€(gè)城市的安全。城市燃?xì)馐聵I(yè)發(fā)展的前提是保證燃?xì)夤芫W(wǎng)能夠安全運(yùn)營(yíng)，這是燃?xì)馄髽I(yè)運(yùn)營(yíng)的基本。五十多年來(lái)，北京燃?xì)庖廊槐种鞍踩腔?，預(yù)防為先”的理念作為城市燃?xì)獍l(fā)展的指導(dǎo)思想，以及企業(yè)安全管理的準(zhǔn)則，并在多年的經(jīng)營(yíng)過(guò)程中整理出一套有效的安全管理模式。本文主要是針對(duì)燃?xì)夤芫W(wǎng)安全管理中仿真預(yù)測(cè)技術(shù)進(jìn)行解析。

一、北京市燃?xì)庥昧恐鹉昱噬?/p>

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展步伐的不斷提升，北京人們生活水平得到了大幅度的提升，因此北京天然氣需求逐漸增加，次年平均年增長(zhǎng)率為19%。2012年我國(guó)北京燃?xì)饧瘓F(tuán)用氣量高達(dá)84億立方米，天然氣的消耗在北京市能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)比例中的7.0%增加到了13.4%。初步預(yù)測(cè)，北京市在2015年，其天然氣用氣總量將會(huì)達(dá)到180億立方米，高峰日用氣量將超過(guò)1億立方米； 到2020年，天然氣用氣總量會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)，其用氣總量為280億立方米，而冬季高峰日用氣量將達(dá)到2億立方米。

站在用戶結(jié)構(gòu)的角度來(lái)看，北京市傳統(tǒng)的燃?xì)庥脩糁饕譃椴膳⒋妒掠脷鈨蓚€(gè)部分，而隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，科技的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展到目前以采暖、發(fā)電、炊事為主，向出售、天然氣汽車、三聯(lián)供拓展的局面。為了治理好PM2.5，北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)以四大熱電中心、鍋爐煤改氣等大型集中負(fù)荷為依托，結(jié)合新城和重點(diǎn)園區(qū)規(guī)劃，發(fā)展較為集中的分布負(fù)荷，促進(jìn)能源清潔轉(zhuǎn)型，為建設(shè)綠色北京做好清潔能源供應(yīng)。

目前，北京市燃?xì)夤芫W(wǎng)一共有7座城市門站，670余座調(diào)壓站，14500余座調(diào)壓箱，管網(wǎng)的長(zhǎng)度為140000多公里，將延慶之外的全部市區(qū)覆蓋。到了“十二五”末期，北京市將形成“三種氣源、六條通道、兩大環(huán)線、九座門站、六種級(jí)制”的多源、多向、多級(jí)燃?xì)夤?yīng)接收體系（見(jiàn)圖1）。

二、管網(wǎng)仿真預(yù)測(cè)技術(shù)支撐安全運(yùn)營(yíng)

1氣源追蹤

氣源追蹤技術(shù)主要通過(guò)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)不同氣源在管網(wǎng)內(nèi)的分部情況以及流向，對(duì)管網(wǎng)內(nèi)混氣區(qū)的變化以及壓力、氣質(zhì)狀況等進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。由于在兩個(gè)氣源的交界面附近會(huì)發(fā)生“壓力零點(diǎn)”（壓力低點(diǎn)）的情況，因此我們能夠通過(guò)使用氣源追蹤的方式對(duì)壓力零點(diǎn)的“漂移”情況進(jìn)行關(guān)注，同時(shí)保證有效控制“壓力零點(diǎn)”的運(yùn)行狀態(tài)。 （見(jiàn)圖2，小同顏色代表小同的氣源來(lái)向，灰色代表兩個(gè)氣源的混氣區(qū)）。

2氣質(zhì)組分追蹤

氣質(zhì)組分追蹤的主要功能在于通過(guò)利用氣源點(diǎn)色譜儀，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤，同時(shí)對(duì)管網(wǎng)中部分敏感或者是重要站點(diǎn)的組分、氣質(zhì)變化等情況進(jìn)行全面分析及掌握，此外還能了解某些組分在一定條件下造成天然氣析出或凍堵現(xiàn)象，提前做好防范措施，避免問(wèn)題的發(fā)生。

3管網(wǎng)超壓、欠壓分析

管網(wǎng)超壓、欠壓的主要功能是對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力情況進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)管網(wǎng)中超壓或者欠壓的管線進(jìn)行彩色定位，并對(duì)管網(wǎng)中的壓力異常區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，保證各類運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)能夠得到有效的控制。見(jiàn)圖3。

三、應(yīng)用仿真預(yù)測(cè)技術(shù)的必要性

（一）天然氣峰谷比較大，管網(wǎng)安全調(diào)度難度提高

北京市的冬夏氣候存在較大的差異，因此導(dǎo)致天然氣需求波動(dòng)幅度增加。2012年北京市天然氣用量達(dá)92億方（含燕化約3.5億方），比2011年（76億方）增加約16億方，增幅21%天然氣消費(fèi)量位居全國(guó)各大城市之首。2012年北京市天然氣日峰值已經(jīng)高達(dá)6423萬(wàn)方，峰谷比達(dá)16 ： 1，進(jìn)一步增加了用氣峰谷差，同時(shí)也為管網(wǎng)規(guī)劃、氣量計(jì)劃以及管網(wǎng)安全調(diào)度工作帶來(lái)了較大的壓力。

（二）大管網(wǎng)、大氣量、多氣源、大用戶等趨勢(shì)加大管網(wǎng)安全運(yùn)營(yíng)難度

根據(jù)“十二五”燃?xì)庖?guī)劃，北京市燃?xì)夤芫W(wǎng)要形成以六環(huán)路以內(nèi)作為燃?xì)庵行模⑾蜻h(yuǎn)郊區(qū)縣輻射的供氣格局，并將城市門站增加到17個(gè)。目前我國(guó)天然氣源的種類在不斷的增加，其中主要有長(zhǎng)慶氣田、新疆塔里木氣、中亞氣、大唐清潔煤制氣以及未來(lái)可能的非傳統(tǒng)天然氣（頁(yè)巖氣和煤層氣），都可能成為城市輸配管網(wǎng)氣源的一部分。由于大型熱電中心、分布式能源等大負(fù)荷用氣，對(duì)天然氣運(yùn)行的安全穩(wěn)定性提出了更高的要求，同時(shí)燃?xì)鈾C(jī)組啟停時(shí)負(fù)荷變化對(duì)于燃?xì)夤芫W(wǎng)造成了沖擊在一定程度上增加了燃?xì)夤芫W(wǎng)安全運(yùn)行的難度。

管網(wǎng)仿真技術(shù)采用了SCADA系統(tǒng)、GIS系統(tǒng)（地理信息系統(tǒng)），能夠?yàn)楣芫W(wǎng)管理熱源提供可視化的管網(wǎng)前景預(yù)測(cè)，對(duì)于出現(xiàn)的問(wèn)題能夠及時(shí)解決，保證各種運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)處于可控狀態(tài)。管網(wǎng)仿真技術(shù)對(duì)于燃?xì)廨斉溥\(yùn)行無(wú)疑是至關(guān)重要的，如果沒(méi)有此項(xiàng)技術(shù)，那么就像是在一個(gè)龐大陌生的城市不適用GPS技術(shù)，駕駛員會(huì)感到迷茫無(wú)力。

四、管網(wǎng)仿真技術(shù)提升安全管理水平

（一）增強(qiáng)燃?xì)夤芫W(wǎng)規(guī)劃手段，確保管網(wǎng)規(guī)劃與實(shí)際運(yùn)行相吻合

城市管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中常用的手段有管網(wǎng)仿真技術(shù)，該技術(shù)一方面能夠有效降低投入成本，另一方面還能過(guò)保證管網(wǎng)的規(guī)劃能夠滿足未來(lái)用戶發(fā)展的需求，從而有效實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定的供應(yīng)。

2003年以前，北京市燃?xì)夤芫W(wǎng)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)使用了長(zhǎng)輸管道的仿真技術(shù)，這里值得注意的是雖然同為燃?xì)廨斔凸艿?，但是城?zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)與長(zhǎng)輸管網(wǎng)在運(yùn)行特點(diǎn)上存在一定的區(qū)別，兩者的區(qū)別在于：城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)多氣源、管網(wǎng)密布同時(shí)環(huán)環(huán)相扣，壓力級(jí)別較多，同時(shí)城鎮(zhèn)管網(wǎng)通過(guò)分部在人口密集的地區(qū)，且調(diào)度運(yùn)行要求較高；而長(zhǎng)輸管道氣源單一，一條主干線上運(yùn)行，主要分部在人員稀少的區(qū)域；因此，隨著管網(wǎng)復(fù)雜程度的不斷提高，長(zhǎng)輸管網(wǎng)仿真技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的規(guī)劃需求；此外想要通過(guò)管網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)對(duì)實(shí)際管網(wǎng)工況進(jìn)行優(yōu)化，可以采用基于實(shí)際管網(wǎng)狀態(tài)的工況仿真系統(tǒng)。

（二）仿真預(yù)測(cè)技術(shù)提升“安全調(diào)度、優(yōu)化調(diào)度”管理水平

管網(wǎng)仿真技術(shù)能夠?qū)⒄{(diào)度運(yùn)行由傳統(tǒng)的“經(jīng)驗(yàn)管理”轉(zhuǎn)變?yōu)椤翱萍脊芾怼保粌H有效的降低了經(jīng)驗(yàn)不足帶來(lái)的調(diào)度安全隱患，還能過(guò)幫助管理人員在短時(shí)間內(nèi)掌握管網(wǎng)的運(yùn)行特點(diǎn)以及調(diào)度方式，提高管網(wǎng)工況的合理性，安全性。此外，管網(wǎng)仿真技術(shù)能夠增加管網(wǎng)工況的預(yù)見(jiàn)性以及分析性，并針對(duì)運(yùn)行中存在的不安全因素進(jìn)行預(yù)判并采取有效的方式解決。

圖5展示了某時(shí)段燃?xì)夤芫W(wǎng)的管存變化情況預(yù)測(cè)：管存變化能夠讓管理人員更加清楚的了解管網(wǎng)的可用管存變化的實(shí)際情況，同時(shí)為管網(wǎng)設(shè)備的維修、檢測(cè)等工作把好“時(shí)間關(guān)”，從根本上保證管網(wǎng)的安全性，同時(shí)進(jìn)一步將作業(yè)帶來(lái)的氣量損失降到最低。

結(jié)論

管網(wǎng)仿真模擬技術(shù)已成為當(dāng)今大型城市復(fù)雜燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)中必不可少的技術(shù)手段，北京燃?xì)獾墓芫W(wǎng)仿真技術(shù)已走在國(guó)內(nèi)前列，但由于受管網(wǎng)監(jiān)控安裝數(shù)量的影響，目前只能為調(diào)度運(yùn)行提供依據(jù)和參考。隨著智能化燃?xì)夤芫W(wǎng)的發(fā)展、管網(wǎng)監(jiān)控覆蓋率的進(jìn)一步提高，仿真系統(tǒng)將在泄露實(shí)時(shí)預(yù)警、工況自行調(diào)配、工況實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)等方而發(fā)揮更大的作用，成為實(shí)際調(diào)度運(yùn)行的依據(jù)，成為調(diào)度人員必備的上崗技能，并在未來(lái)多變的供應(yīng)形勢(shì)下發(fā)揮更加重要的作用。

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