多氣源管道混輸工況用戶端氣質變化模擬

馮 亮

(中海石油氣電集團有限責任公司，北京100028)

1 概述

當前，天然氣管網已經形成常規(guī)和非常規(guī)國產氣、陸上進口管道氣、海上進口LNG等多氣源互濟，“西氣東輸、海氣登陸、北氣南下、就近供應”的供氣格局[1]。多氣源、多用戶、多分支的復雜管網已經形成，管道運行公司在生產運營過程中經常面對氣源氣質波動較大的情況[2]，同時其下游用戶特別是電廠用戶，對于氣源氣質波動幅度的接受能力有限，兩者間矛盾日益突出[3-4]。為此，運行公司需要實時監(jiān)測用戶端氣質的波動情況并對氣源供氣量或者氣質變化時用戶端的氣質波動情況作出準確預測，防止因氣質變化幅度過大造成下游用戶跳機或者出現其他燃燒問題[5]，而采用專業(yè)水力計算軟件研究多氣源、多分支的復雜管網組分波動并由此指導管道運行公司進行氣質調整的研究成果極為少見。因此，研究采用SPS軟件計算模擬多氣源、多用戶、多分支管道由于氣源氣質變化導致的沿線組成波動情況，在氣源氣質發(fā)生波動的情況下及時預測下游用戶端的氣質波動情況。

2 多氣源、多用戶管道混輸工況動態(tài)模擬

① SPS軟件建立模型

SPS軟件用于天然氣管道、熱油管道、成品油順序輸送、輸水管道等模擬計算。該軟件為業(yè)界公認的一款水力、熱力、批次輸送等方面的專業(yè)軟件[6]。采用該軟件對中海石油氣電集團有限責任公司下屬某管道項目公司某典型多氣源、多用戶、多分支的管道進行建模, 多氣源、多用戶管道模型見圖1。

圖1 多氣源、多用戶管道模型

該公司管道接入的氣源有3種，分別為海氣氣源1、海氣氣源2和LNG氣源，鄰近管道有多個電廠用戶。定義運行參數，輸入用戶計劃用氣量以及氣源供氣量計劃配比。管道下游電廠用戶多為調峰型電廠，日用氣量波動范圍大；海氣氣源供氣量相對穩(wěn)定，LNG氣源可發(fā)揮靈活調峰的作用[7]，同時各氣源和管道共同承擔下游用戶的小時調峰。

對于多氣源、多分支的復雜管道，下游用戶用氣量時刻處于變化過程中，由于混氣點上游管道自身的儲氣調峰作用，在混氣點流入的各氣源氣量必須通過動態(tài)計算才能確定，因此不能簡單地根據不同氣源的供氣量比例計算出下游用戶的氣質變化情況。

② SPS軟件組分跟蹤模型設置

采用SPS軟件進行多氣源混輸模擬，需要啟用組分跟蹤模型并設置各氣源的組分[8]。SPS運行還需要對intran文件進行設置，通過在intran文件中進行定義和腳本語言編程，可以方便地實現任一位置和任一時刻的組分物性計算及跟蹤。對于管道中流動的天然氣，描述組分跟蹤的控制方程主要包含組分方程、連續(xù)性方程及動量守恒方程。依據SPS的說明文件，組分方程為：

(1)

式中qm——質量流量，kg/s

wi——組分i的質量分數

l——管道軸向長度，m

A——管道截面積，m2

ρ——氣體密度，kg/m3

t——流動時間，s

③ 已知條件

a. 3種氣源的氣質

3種氣源的氣質見表1。本文涉及的燃氣體積均為溫度為15 ℃，壓力為101.325 kPa的標準狀態(tài)下的體積。

b. 典型電廠機組對氣質的要求

典型電廠機組對氣質的要求見表2。

c.氣源供氣量24 h的變化情況

海氣氣源供應量相對穩(wěn)定，LNG氣源便于調峰，氣源供氣量24 h的變化見圖2。

根據上述氣源供氣量計算各主要電廠用戶用氣氣質的各參數波動范圍。

表1 3種氣源的氣質

表2 電廠機組對氣質的要求

圖2 氣源供氣量24 h的變化

3 計算結果

給出下游管道末端電廠用戶典型用氣工況下48 h內用氣氣質甲烷體積分數和低熱值華白數的周期性變化。管道末端電廠用氣氣質低熱值華白數變化見圖3，用氣氣質甲烷體積分數變化見圖4。

由圖3、4分析數據可知，管道末端電廠用戶甲烷體積分數波動范圍為90.34%～93.46%，低熱值華白數的波動范圍為44.71～44.76 MJ/m3，均處于電廠機組可接受范圍內，無需進行氣質調整。

因此，對于管道目前氣源供氣和下游用氣的典型用氣計劃，僅靠氣源自身混氣即可滿足下游電廠用戶機組對氣質的要求，無需做額外氣質調整。

圖3 管道末端電廠用氣氣質低熱值華白數變化

圖4 管道末端電廠用氣氣質甲烷體積分數變化

4 結語

利用SPS軟件可在多氣源、多用戶管道項目中進行動態(tài)工況計算，采用軟件的水力模擬功能可有效計算不同氣質氣源的混輸對下游用戶的影響。在氣源發(fā)生變化的情況下，根據氣質組成、華白數以及熱值等參數指導實際生產，有效預測用戶端氣質的變化，從而為管道公司是否需要采取特殊的調質處理措施提供理論依據，有效降低運營成本。